Optimisation du cycle de fonctionnement d'un chauffe-eau thermodynamique résidentiel

Air Source Heat Pump Water Heaters, modeling, simulation and multi-criteria based optimization

• Auteur / Autrice : Kevin Ruben Deutz
• Direction : Philippe Haberschill
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique et énergétique
• Date : Soutenance le 26/01/2018
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon / CETHIL
• Jury : Président / Présidente : Vincent Lemort
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Haberschill, Vincent Lemort, Hasna Louahlia, Dominique Marchio, Odile Cauret, Romuald Rullière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hasna Louahlia, Dominique Marchio

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermodynamique

Chauffe-eau

Mots clés libres

Chauffe-Eau

Chauffe-Eau thermodynamique

Thermodynamique

Consommation énergétique

Performance énergétique

Ballon de stockage

Modélisation

Water heater

Thermodynamic water heater

Energy performance

Storage tank

Modelisation

Résumé

Le chauffe-eau thermodynamique (CET), dont le principe repose sur une pompe à chaleur (PAC), est l’une des principales solutions pour répondre à l’enjeu de réduction des consommations énergétiques des bâtiments liées à l’eau chaude sanitaire. Le CET le plus courant sur le marché français est composé d’une PAC sur air extérieur, au R134a, dont le condenseur est de type manteau, entourant le ballon de stockage. Bien que le système arrive à maturité, les performances annuelles semblent encore loin des performances théoriques. Cette thèse a donc pour objectif l’optimisation des performances énergétiques des CET, en partant du CET standard français, selon un principe de compromis technico-économique. Pour cela, un modèle détaillé du CET standard est élaboré. La PAC est modélisée sous Dymola à l’aide de la bibliothèque TIL. Le ballon de stockage est modélisé par une combinaison d’une approche zonale et d’un modèle 1D. Ce modèle détaillé est calibré et validé expérimentalement grâce à des essais d’un CET standard réalisé en enceintes climatiques. Ce modèle est ensuite utilisé pour identifier les principaux gisements d’économie d’énergie. Une première analyse permet d’identifier les paramètres les plus influents sur les performances du CET. Cette sélection conduit ensuite à l’élaboration d’un modèle simplifié, plus apte à étudier des périodes longues de fonctionnement en intégrant des critères de coût et de confort. Une étude spécifique, à l’aide d’un algorithme génétique, permet d’évaluer le potentiel d’optimisation lié au pilotage du CET. Une étude multi-paramétrique montre ensuite que le design des échangeurs joue également un rôle important. Les résultats de ces deux voies prometteuses d’optimisation du CET étant inter-dépendants, une dernière partie consiste en une étude multi-critère. Les résultats montrent qu’avec la nouvelle configuration proposée sont obtenus, un meilleur confort thermique sur une plus large gamme de scénario, une augmentation de COP moyenne annuelle de 37 % et une réduction moyenne de facture électrique de 30 %.

Heat Pump Water Heaters (HPWH) are efficient and fast-developing sanitary hot water production systems relying on a heat pump thermodynamic cycle for heat generation, consequently offering a considerable energy saving potential in the buildings sector. The most forthcoming HPWH on the French market are Air-Source Heat Pump Water Heaters (ASHPWH) composed of an exterior air source R134a heat pump and using a wrap-around type condenser, surrounding the thermal storage tank (TST). However, it is found that although these ASHPWH have reached an important level of maturity, it seems that there is still room for improvement of their energy performance. Consequently, the main objective of this PhD thesis is to search for optimization pathways, starting of from the reference ASHPWH on the French market, leading a better technical and economical compromise in terms of ASHPWH design. To reach this objective, a detailed model is first developed using Dymola (Modelica langage). This model comprises of a zonal model and a 1D model for the TST associated to an air source heat pump modeled with the TIL thermal component modeling library. After model calibration, the model is validated thanks to a large set of experimental tests carried out on a standard ASHPWH in climatic cells. The validated model is then used to identify optimization pathways by carrying out annual simulations and identifying energy performance improvement potentials. It is found out that both thermodynamic cycle performance and improved ASHPWH control logics are major contributors to the final energy performance. Both being highly interdependent and impacting energy performances, but also comfort and ASHPWH cost, the last part of the study consists of a multi-criteria optimization. Finally, a new ASHPWH design is proposed achieving better thermal comfort upon a large variety of user draw-off profiles, achieving a 37 % average annual energy saving and a 30 % reduction of the electrical bill.