Les modes de fonctionnement de la PAC air-eau inversable

Les différents modes de fonctionnement réalisables sont : le mode de chauffage, le mode de rafraîchissement, le mode de dégivrage et le mode d’équilibrage d’huile.



Fonctionnement en mode chauffage

Dans la configuration bi-étagée, le compresseur A est le compresseur basse pression. Il aspire le débit M_BP sortant de l’évaporateur au point f1. Les vapeurs refoulées par le compresseur A sont aspirées par le compresseur haute pression B qui aspire en même temps le débit M_inj provenant du sous-refroidisseur/économiseur, le mélange s’effectuant au point f5 (les vannes V1 et V2 sont fermées, V3 est ouverte).

Le compresseur haute pression refoule le débit total M_HP dans l’échangeur d'ECS. En cas d’une production combinée de chauffage et d’ECS, l’eau sera chauffée en utilisant essentiellement la désurchauffe du fluide frigorigène.

Lors du fonctionnement en mode chauffage, le mélange de fluides frigorigènes se condense dans l’échangeur du réseau de chauffage. En sortie de cet échangeur, le mélange passe dans une bouteille accumulatrice puis, au point f11, le débit se divise en deux. Le débit principal MBP va à l’évaporateur après avoir subi un sous-refroidissement et un débit dérivé M_inj, mesuré dans le deuxième débitmètre, est évaporé au sous-refroidisseur/économiseur. Ce débit M_inj une fois évaporé est mélangé avec M_BP formant ainsi M_HP aspiré par le compresseur HP (comme indiqué auparavant).

Pour un fonctionnement mono-étagé, seul le compresseur A ou le compresseur B fonctionne. En mono-étagé avec le compresseur A, les vannes V1 et V3 sont fermées, V2 est ouverte. En mono-étagé avec le compresseur B, les vannes V2 et V3 sont fermées, V1 est ouverte. A noter que le seul rôle de la vanne V3 est d’assurer une étanchéité sûre du détendeur à injection pour les configurations mono-étagées.

Fonctionnement en mode rafraîchissement

Pour le mode rafraîchissement, nous avons le choix entre le fonctionnement avec le compresseur A ou le compresseur B en configuration mono-étagée. Pour ce mode de fonctionnement, la configuration bi-étagée, qui est aussi réalisable, ne présente pas d’intérêt en raison d’une faible différence de températures entre la source froide et le puits chaud.

Lors de l’inversion du cycle par la vanne 4 voies, l’échangeur du réseau de chauffage fonctionne en évaporateur pour refroidir l’eau au point e1 (cf. figure 2.8). La vapeur surchauffée au point f8 ou f3 est comprimée jusqu’au point 6 (la vanne V3 est fermée). A ce niveau, l’échangeur du réseau d'ECS fonctionne en désurchauffe ou en condensation complète des gaz refoulés. Arrivant en sortie de l’échangeur tubes-ailettes, qui est maintenant un condenseur, le mélange est détendu dans le détendeur secondaire D2, puis évaporé dans l’échangeur du réseau de chauffage (évaporateur).

La production d’ECS est directement liée aux températures des gaz refoulés et aux besoins de rafraîchissement. Des températures de refoulement inférieures à 60 °C ne permettent pas la production d’ECS en désurchauffe des vapeurs en sortie du compresseur. De plus, la production d’ECS n’est possible qu’en mode combiné d’ECS et de rafraîchissement. Pour résoudre ces problèmes, deux cas sont à distinguer :

• Lors d'un besoin de rafraîchissement, l'ECS est produite en désurchauffe si la température de refoulement des gaz refoulés est élevée, et en condensation complète si la température de refoulement est faible. Dans ce dernier cas, le ventilateur de l’échangeur tubes-ailettes est arrêté (PAC eau/eau).
• Si le besoin de rafraîchissement est nul, le cycle est inversé en mode chauffage et l'ECS est produite en mode production d'ECS seule.

Fonctionnement en mode dégivrage

L’étude de la distribution des températures d’air pour différents climats français montre que le dégivrage est un point clé à considérer. Plus de 50 % de la consommation saisonnière est comprise entre 0 °C et 6 °C pour Nancy et 2 °C et 7 °C pour Trappes, d’où l’importance de concevoir une unité performante sur ce point. Dans cet intervalle de températures, le dégivrage des batteries d’évaporateur tubes-ailettes influence d’une façon significative les performances de la machine.

Le dégivrage par inversion de cycle (l'énergie est en partie extraite du circuit de chauffage, le condenseur fonctionne en évaporateur) et le dégivrage par gaz chaud (le condenseur est bi-passé, le compresseur fournit toute la chaleur de dégivrage de l’évaporateur) sont les deux techniques de dégivrage les plus courantes des PAC air/eau.





Pour les cycles bi-étagés, les performances obtenues dans [Zehnder, 2004] montrent une meilleure adaptation du mode à inversion de cycle par comparaison au mode gaz chaud. En effet le mode de dégivrage par gaz chaud fournit une faible puissance et nécessite un temps de fonctionnement plus long que celui du mode à inversion de cycle. Avec le mode gaz chaud, la réduction moyenne de l’énergie fournie et du COP peut atteindre 20 à 25 % comparativement au fonctionnement en régime stationnaire. Cette réduction est estimée à une valeur inférieure à 10 % pour le mode à inversion.

La méthode du dégivrage par inversion de cycle exploite la possibilité intrinsèque d'un système thermodynamique de permuter les rôles de l’évaporateur et du condenseur. Les générateurs thermodynamiques inversables sont prévus pour chauffer l’habitation l’hiver et la rafraîchir l’été. L’inversion de cycle est donc la méthode privilégiée.

Une étude récente [Argaud, 2001] sur l’amélioration des cycles de dégivrage par inversion de cycle a montré la possibilité de bi-passer le détendeur secondaire (D2) lors de la phase de dégivrage (en reliant directement les circuits haute et basse pressions, la puissance disponible sur l’échangeur condenseur est suffisante pour garantir l’absence de liquide à l’aspiration du compresseur). Cette solution amène à réduire le temps de dégivrage et à améliorer le COP. En effet, lors de dégivrage par inversion du cycle, l’écart entre les pressions de condensation et d’évaporation étant diminué, le détendeur s’ouvre et atteint son maximum. Ceci se traduit par une dégradation des performances et un rallongement de la durée de dégivrage (diminution du débit frigorigène et de la pression d’aspiration, augmentation de la surchauffe, de la désurchauffe et du sous-refroidissement).

Le mode à inversion de cycle est retenu pour la PAC air/eau à haute efficacité énergétique et économique. Cette PAC étant inversable, le dégivrage par inversion de cycle ne nécessite aucun coût supplémentaire pour son introduction (coût lié à deux vannes d’arrêt ou à une vanne 3 voies pour la configuration du circuit en mode dégivrage par gaz chaud).

Gestion du retour d’huile aux compresseurs

Les concepts de systèmes bi-étagés montrent un grand potentiel d’amélioration de performances tout en laissant une grande liberté de réglage de la puissance de chauffage. Cependant, la maîtrise de la lubrification des compresseurs doit être convenablement conçue. En effet, la lubrification des compresseurs ne peut pas être assurée pour une longue durée en fonctionnement stationnaire [Zehnder, 2004]. L’observation du niveau d’huile dans les deux compresseurs montre une forte migration du compresseur haute pression vers le compresseur basse pression.



Les coûts additionnels d’introduction d’une pompe de circulation d’huile ou d’un séparateur d’huile (cf. figures 1 et 2) amènent à ne pas choisir de telles solutions pour les PAC air-eau à faible et à moyenne puissances. La solution la plus simple et la plus économe reste d’utiliser une ligne d’égalisation d’huile reliant les carters des deux compresseurs (cf. figure 3). Cette solution a été réalisée et testée sur un système de PAC à deux compresseurs fonctionnant en parallèle et donne de bons résultats [Flach, 2004]. Dans ce cas, le compresseur haute pression doit être équipé d’un commutateur de niveau d’huile pour arrêter les compresseurs en marche et ouvrir la vanne d’équilibrage d’huile Vh1.