Les PAC pour le marché de rénovation et pour les régions à climat froid

Le cycle bi-étagé avec un refroidisseur intermédiaire

Dans le cycle bi-étagé avec un refroidisseur intermédiaire (figure 2), la vapeur refoulée par le compresseur basse pression est refroidie dans un échangeur intermédiaire. Ce refroidissement, limité par la température de retour d’eau de chauffage, est généralement insuffisant et n’amène pas à une réduction forte de la température de refoulement en sortie du compresseur haute pression.

Comparativement aux autres cycles bi-étagés, les avantages du cycle avec un refroidisseur intermédiaire sont la simplicité du circuit frigorifique et la possibilité de moduler la puissance chaude par la configuration des compresseurs. Dans ce dernier cas, des vannes supplémentaires sont nécessaires.

Les cycles à économiseur

L’injection vapeur ou liquide entre les deux compresseurs peut aussi servir pour le refroidissement des vapeurs au niveau de la pression intermédiaire. Les cycles à économiseur qui en résultent, varient en fonction des applications et des contraintes techniques [Duminil, 1996]. Les principales modifications d’un cycle à un autre (cf. figures 3 à 6) sont liées aux problèmes de l’échauffement excessif au cours de la compression, de l’alimentation risquée par un mélange liquide-vapeur du détendeur basse pression et surtout de l’accumulation d’huile en raison des faibles vitesses des vapeurs dans les bouteilles avec les frigorigènes miscibles à l’huile. L’utilisation de la bouteille contribue aussi à augmenter la charge en fluide frigorigène du système, avec les inconvénients suivants :

• augmentation du TEWI direct (émissions liées à la fuite du fluide frigorigène),
• variation de la composition circulante des mélanges zéotropes du fait de la différence de volatilité des corps purs mélangés (cas des mélanges utilisés).

Le tableau suivant dresse une comparaison simple et relative entre ces types de cycles.

Cycles à économiseur	Possibilité d’une mauvaise alimentation du détendeur	Accumulation d’huile	Efficacité globale	Coûts	Température de refoulement
1- Cycle simple	Oui	Oui	+	+	Elevée
2- Cycle à injection totale	Oui	Oui	+++	++	Faible
3- Cycle à injection partielle	Non	Oui	++	+++	Faible
4- Cycle à injection partielle modifiée	Non	Non	++	+++	Faible
Comparaison relative des différents cycles à économiseur

Le cycle à économiseur à injection partielle modifiée s’avère être le plus compatible pour notre application. Les problèmes liés à l’accumulation d’huile et à la mauvaise alimentation du détendeur sont résolus en remplaçant la bouteille par un échangeur intermédiaire (cf. figure 6). Ceci permet aussi une forte réduction de la charge en fluide frigorigène du système. Nous retiendrons ce cycle pour la suite de l’analyse.

Le cycle en cascade

Lorsque la différence de température entre la source froide et le puits chaud dépasse un certain seuil, le cycle en cascade (cf. figure 7) peut devenir plus performant que les autres cycles bi-étagés. Mais, le cycle en cascade présente les inconvénients suivants : il est non inversable ou difficile à inverser et non modulable en terme de puissance calorifique fournie.

Le cycle bi-étagé à injection intermédiaire avec un seul compresseur

Le cycle bi-étagé à injection intermédiaire avec un seul compresseur (cf. figure 8) et le cycle bi-étagé à économiseur à injection partielle modifiée (cf. figure 2.1-f) sont étudiés et comparés dans une étude récente sur les cycles de PAC air/eau [Zehnder, 2004]. Les résultats obtenus montrent une légère amélioration du COP du cycle à deux compresseurs par rapport au cycle à injection intermédiaire avec un seul compresseur.

Le cycle bi-étagé avec un sous-refroidisseur en cascade

Le cycle bi-étagé avec un sous-refroidisseur en cascade (cf. figure 9) résulte d’une combinaison entre le cycle à cascade et le cycle avec un refroidisseur intermédiaire. La puissance et l’efficacité de ce cycle sont directement liées à la température de retour d’eau de chauffage. Dans ce dernier, la puissance peut être fournie en deux niveaux, soit par le fonctionnement en série, soit par le fonctionnement avec le compresseur basse pression.

Le tableau suivant montre une comparaison simple et relative entre ces types de cycles. Il résume les différentes observations mentionnées précédemment. Le degré de comparaison est présenté par le nombre des signes (+).

Cycles de PAC	Nb. de niveaux de contrôle de puissance	Réversibilité	Efficacité globale	Puissance fournie	Température de refoulement
1- Mono-étagé	1	Simple	+	+	Elevée
2- Mono-étagé avec un refroidisseur d’huile	1	Compliqué	+	+	Acceptable
3- Bi-étagé avec un refroidisseur intermédiaire	3	Compliqué	+++	++++	Acceptable
4- Bi-étagé à économiseur à injection partielle modifiée	3	Simple	+++	++++	Faible
5- En cascade	1	Compliqué	++++	++++	Faible
6- Bi-étagé à injection intermédiaire avec un seul compresseur	1	Simple	++	++	Elevée
7- Bi-étagé avec un sous refroidisseur en cascade	2	Compliqué	++	+++	Elevée
Comparaison relative des différents cycles de PAC pour les régions froides

Le cycle bi-étagé à économiseur à injection partielle modifiée, présentant le meilleur compromis, est retenu pour la suite de cette étude. Le cycle suivi par le frigorigène est représenté ci-après :





Les étapes du cycle sont :

• 1-2 : compression de MBP en phase vapeur de Pevap à P_moy
• 2-3 : désurchauffe grâce au mélange des débits M_BP en état 2 et M_inj en état 10 pour constituer M_HP l’état 3.
• 3-4 : compression des vapeurs M_HP de P_moy à P_cond
• 4-5 : désurchauffe, condensation à P_cond et sous-refroidissement de M_HP.
• 5-6 : détente isenthalpique de M_inj de P_cond à P_moy
• 6-10 : évaporation de ce même débit pour le sous-refroidissement du débit masse M_BP
• 5-7 : sous-refroidissement du débit masse M_BP dans l’échangeur intermédiaire
• 7-8 : détente du débit M_BP de P_cond à P_evap
• 8-9 : évaporation
• 9-1 : surchauffe

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⇒ Les 14 cibles HQE