Analyse du COP et des puissances de chauffage de la pompe à chaleur

Performances en configurations mono-étagée et bi-étagée

La figure ci-après montre le COP du cycle bi-étagé en fonction de la température d’entrée d’air, de la part injecté et de la valeur C₀ (P_moy =C₀ × (P_cond × P_evap) ^½ pour une consigne suivant la loi d’eau MT. Le COP en configuration mono-étagée avec la même loi est aussi présenté en fonction de la température extérieure pour faciliter la comparaison (segment gradué).



Note : C₀ est un coefficient qui peut être différent de 1 pour l'optimisation de la pression intermédiaire en fonction des écarts de températures source/puits.



Pour des températures d’entrée d’air à l’évaporateur inférieures à 0 °C, la valeur maximale du COP est observée pour C₀ proche de 1 (c'est-à-dire pour des taux de compression égaux des compresseurs BP et HP). Par contre, cette même valeur correspond à un minimum de COP pour des températures extérieures élevées. Pour des températures extérieures proches de 5°C, là où la demande de chauffage est maximale, l’effet de variation de la pression moyenne sur le COP est faible.

Les calculs montrent que la configuration mono-étagée est plus performante que la configuration bi-étagée à partir d’une température d’air extérieur de 5 °C (droite (MN), cf. figure précédente). Si on considère le gain apporté par une meilleure adaptation besoin/puissance de chauffage, cette configuration peut devenir plus performante que la configuration bi-étagée à partir d’une valeur plus faible de température d’air de l’ordre de 2 °C.

En configuration bi-étagée, le débit injecté optimisé est proche de 30 % à - 15 °C, 25 % à 0 °C, 20 % à 5 °C et 10 % à 15 °C. Ces débits injectés permettent des compressions sèches avec des faibles surchauffes ou légèrement humides avec un titre vapeur supérieur à 0,95 au niveau du compresseur haute pression (cf. figure suivante).

Pour optimiser le COP, il faut donc essayer de régler la surchauffe à des valeurs très faibles, voir un état d’entrée ‘vapeur saturée’ à l’aspiration du compresseur HP.

Choix des compresseurs

Les compresseurs BP et HP sont choisis en fonction des conditions de fonctionnement et des performances observées. Le fonctionnement en configuration bi-étagée au pic des besoins pour une température extérieure de –15 °C doit fournir une puissance de chauffage minimale de 12 kW. Le compresseur HP seul en configuration mono-étagée doit aussi fournir le besoin de chauffage au point de passage bi-étagé/mono-étagé pour une température extérieure proche de 2 °C. De plus, le couple choisi doit présenter des performances acceptables et des intensités de démarrage faibles sur toute la plage de fonctionnement afin d’optimiser le COP saisonnier.

Les figures ci-après montrent le rapport des volumes balayés des compresseur en série et la puissance calorifique volumétrique exprimée en kW pour un débit unitaire balayé du compresseur basse pression. De même, la puissance calorifique volumétrique en configuration mono-étagée est aussi présentée (segment gradué).

Le tableau 2.4 montre les volumes balayés des compresseurs ainsi que les rapports balayés correspondants aux couples choisis. Les puissances fournies en configuration biétagée à –15 °C et en configuration mono-étagée avec le petit compresseur HP seul à 2 °C sont aussi calculées.

Note : à chaque couple de compresseur choisi correspond un rapport de volumes balayés BP/HP. Pour une température extérieure et un débit injecté fixes, ce rapport, rapporté sur la figure 2.22, permet de trouver la valeur de C0 correspondante. Cette valeur ramenée à son tour sur les figures 2.20 et 2.23 permet d’évaluer le COP et la puissance calorifique du couple choisi.