Etude des possibilités de récupération de chaleur par voie thermodynamique pour la réhabilitation des maisons individuelles
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Auteur(s) : Bruno Filliard |
Résumé
Ce rapport de thèse expose la démarche suivie en réponse aux questionnements liés à l'étude de intérêt de la récupération de chaleur par voie thermodynamique dans les maisons individuelles. Il se structure en cinq chapitres.
Le premier chapitre précise les objectifs et les délimitations de la thèse. Il propose une étude comparative de plusieurs systèmes de production de chaleur et montre l'intérêt des systèmes de PAC en tant que solution utilisant de façon rationnelle l'énergie électrique. Une étude bibliographique fait le point sur les travaux antérieurs dédiés à la récupération de chaleur par voie thermodynamique dans les maisons individuelles. Une sélection de configurations de couplage pertinente est alors proposée.
Le second chapitre décrit les étapes qui ont mené au choix d'un modèle de PAC adapté à la problématique de couplage et à l'intégration de ce type de système dans le modèle d'enveloppe du bâtiment COMFIE. Un état de l'art des modèles existants est proposé. Une analyse des paramètres essentiels influençant le bilan saisonnier des performances et de la consommation des PAC oriente les choix vers les modèles les plus appropriés. Le modèle intègre la prise en compte du régime de fonctionnement à pleine charge, et à charge partielle, la dégradation des performances due aux cycles de givrage/dégivrage de l'échangeur extérieur, et la régulation du ventilateur de l'unité extérieure essentielle pour les aspects de couplage avec le modèle de bâtiment. Le modèle de PAC implémenté dans COMFIE constitue une compilation de plusieurs modèles de la littérature, sensible aux principaux régimes de fonctionnement précédemment cités. Plusieurs améliorations des modèles existants ont été proposées notamment sur les aspects de fonctionnement à charge partielle, et de dégradations des performance par cycle de givrage/dégivrage. Le modèle semi-empirique de comportement à pleine charge de la PAC a fait l'objet d'une validation par rapport à un modèle détaillé. Le modèle à charge partielle est paramétré à partir de points de fonctionnement issus des tests sur une série de PAC air-air. Le modèle de givrage/dégivrage est paramétré par rapport aux résultats de plusieurs travaux de la littérature. Le modèle est finalement codé en langage Pascal dans l'outil de simulation COMFIE. Ceci permet le calcul des performances et de la consommation saisonnière de ses systèmes dans leur mise en oeuvre conventionnelle, et couplée à des sources d'air tempérées intégrées au bâtiment.
Le troisième chapitre présente l'ensemble des modèles de sources d'air tempérées jugées potentiellement intéressantes en tant que sources froide d'une PAC air-air. La gestion des interactions entre le modèle d'enveloppe et le modèle de PAC lié à la problématique de couplage est présentée. Ce modèle de couplage est essentiel pour prendre en compte l'influence du couplage de la source froide de la PAC et des sources d'air tempérées sur les débits de renouvellement d'air. Le modèle simplifié d'humidité de l'air ajouté au modèle de bâtiment est également présenté. Pour chacun des modèles de sources d'air tempérées des études de sensibilité font apparaître les paramètres influençant leur comportement dynamique. Ainsi la température des zones dépendent principalement : (a) du débit de renouvellement d'air ; (b) des caractéristiques constructives ; (c) de la région climatique, et de l'orientation du bâtiment.
Le quatrième chapitre présente l'utilisation du modèle global constitué du modèle d'enveloppe et du modèle de PAC, pour étudier le comportement et les performances de ces systèmes couplés à une source froide d'air idéale. On entend par idéale, une source dont la température est augmentée d'un écart constant par rapport à la température extérieure. Ce chapitre aborde également l'influence du dimensionnement des PAC sur leur performance saisonnière. Plusieurs paramètres influençant le comportement saisonnier des PAC ont pu être mis en avant : (a) la technologie et le type de régulation ; (b) le dimensionnement ; (c) la région climatique qui influence à la fois la température de la source froide et les besoins de chauffage, et donc la puissance délivrée par la PAC.
Le dernier chapitre propose une série d'applications de couplages directs et indirects en configuration mono-source et multi-sources, permettant d'établir une série d'observations quant à l'intérêt de la récupération de chaleur par voie thermodynamique dans les maisons individuelles.
Table des matières
Chapitre 1 – Cadre de la thèse
Chapitre 2 – Modélisation des pompes à chaleur air-air
Chapitre 3 - Modèles de sources d'air tempérées intégrées au bâtiment
Chapitre 4 – Potentiel énergétique d'une source froide alimentant une pompe à chaleur
Chapitre 5 - Applications et étude des différentes possibilités de couplage
Conclusions générales et perspectives
Bibliographie