Étude de l'efficacité de l'utilisation d'un puits canadien pour augmenter la performance d'une thermopompe à air

Quevillon, Olivier (2017). Étude de l'efficacité de l'utilisation d'un puits canadien pour augmenter la performance d'une thermopompe à air. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La présente recherche vise à évaluer la possibilité d’augmenter la performance d’une thermopompe à air par son couplage avec un puits canadien, ou échangeur air-sol. Un échangeur air-sol utilise l’inertie thermique du sol pour préchauffer ou pré-refroidir un flux d’air en le faisant circuler dans un tube enfoui à une certaine profondeur. Avec un dimensionnement adéquat, l’air peut ainsi être acheminé au serpentin extérieur de la thermopompe à une température plus élevée que l’air ambiant en chauffage, ou plus faible lors d’un fonctionnement en refroidissement, augmentant ainsi le coefficient de performance de la thermopompe.

Un bâtiment de type unifamilial de 200 m2 de planchers est considéré pour l’étude, et le climat est celui de Montréal.

Un pré-dimensionnement de l’échangeur air-sol est d’abord basé sur des règles du pouce, puis l’ensemble comportant le bâtiment, la thermopompe et l’échangeur air-sol est simulé dans le logiciel TRNSYS sous quatre configurations principales. Un couplage hybride permettant d’alimenter l’air de la thermopompe de même qu’un apport d’air neuf du bâtiment s’avère la configuration la plus intéressante au point de vue des économies d’énergie envisageables.

Une étude paramétrique est ensuite réalisée pour quantifier l’impact d’un changement des différents paramètres de l’échangeur air-sol sur les performances du système. Il en resort que la longueur de l’échangeur air-sol et sa profondeur d’enfouissement sont les paramètres les plus significatifs du dimensionnement.

Le couplage de la thermopompe à air et de l’échangeur air-sol s’avère performant au point de vue énergétique, notamment par l’augmentation de l’apport de chaleur saisonnier de la thermopompe, rendu entre autres possible par une réduction du recours au dégivrage de l’évaporateur en mode chauffage. Ce point est plus marqué lorsque le dégivrage variable est considéré. Cependant, en raison des faibles coûts de l’énergie électrique, aucune des configurations n’est rentable en moins de 19 ans.

Titre traduit

Study of the use of an earth-air heat exchanger for improving the performance of an air-source heat pump

Résumé traduit

The present work aims to study the possibility of improving the performance of an air-source heat pump by coupling it with an earth-air heat exchanger. An earth-air heat exchanger takes profit of the soil thermal inertia to preheat or precool a flow of air that circulates in a tube that is buried at a certain depth in the ground. When the exchanger is adequately designed, the flow of air can be routed to the outdoor coil of the heat pump at a temperature that is higher than ambient in heating, or lower in cooling, thus improving the coefficient of performance of the heat pump.

A single family building with 200 m2 of floor area serves as the base of the study, and the climate is that of Montréal, Canada.

The pre-dimensioning of the earth-air heat exchanger is first conducted, following rules of thumb. Then the system, consisting of the building, the heat pump and the heat exchanger is simulated using the TRNSYS software under four main configurations. A hybrid coupling that allows feeding air to the heat pump as well as fresh air to the building appears to be the most efficient configuration.

A parametric study is then conducted to quantify the impacts of different parameters on the performance of the system. It shows that the length of the exchanger and the depth at which it is buried have the most impact.

The coupling of the air-source heat pump an the earth-air heat exchanger proves its performance from an energy stand point, especially from the increase of the seasonal heat output of the heat pump, which is made possible by a decrease of evaporator defrosting cycles in heating mode, among other things. This decrease is even more notable when demand defrost is considered. However, because of low energy costs, none of the configurations turns profitable in less than 19 years.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Bibliographie : pages 97-100.
Mots-clés libres:	Pompes à chaleur Économies d'énergie. Échangeurs de chaleur. Énergie Systèmes hybrides. Maisons individuelles Chauffage et ventilation. Ressources énergétiques Systèmes hybrides Simulation par ordinateur. canadien, puits, TRNSYS, échangeur air-sol, simulation énergétique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Lamarche, Louis
Codirecteur:	Codirecteur Kajl, Stanislaw
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	02 mars 2018 21:42
Dernière modification:	02 mars 2018 21:42
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2012

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