Les PAC à puissance variable

L’efficacité énergétique des systèmes de chauffage par pompe à chaleur constitue un enjeu considérable. Les performances énergétiques saisonnières doivent être continûment améliorées. La variation de puissance est une des voies d’amélioration. Celle-ci permet d’adapter le fonctionnement de la machine au plus près des besoins thermiques des locaux à traiter et de réduire les consommations énergétiques.



L’intérêt des systèmes à puissance variable est fort :

• une augmentation du coefficient de performance saisonnier,
• une température intérieure plus stable permettant un confort de chauffage supérieur pour l'usager
• une réduction des pics d’intensité de courant de démarrage.

Le Copeland digital scroll, les systèmes bi-compresseurs, la variation de vitesse, le Bristol Twin Single, et la variation de la composition par distillation contrôlée sont les technologies, les plus connues, de variation de puissance. Ces cinq technologies sont comparées, analysées et testées dans une étude récente [Flach, 2004] sur les PAC air/eau pour le secteur résidentiel. Le tableau suivant résume les principaux résultats et conclusions obtenus en termes de disponibilité, de coûts d’installation et d'efficacité globale.

Technologie	Coûts de l’installation	Disponibilité	Efficacité globale	Adaptation au climat froid
1- Le Copeland digital scroll (Breveté par Copeland)	Moyens +	Moyenne +++	Moyenne ++	Non
2- Les systèmes bi-compresseurs (Répandus en Europe)	Moyens ++	Elevée ++++	Elevée +++	Oui
3- La variation de vitesse (Développée par les sociétés japonaises)	Elevés +++	Faible ++	Elevée ++++	Non
4- Le Bristol Twin Single (Développé par la société Bristol)	Faibles +	Moyenne +++	Faible +	Non
5- La variation de la composition (Développée par les sociétés japonaises)	Elevés ++++	Très faible +	Elevée ++++	Oui
Comparaison relative des différentes technologies de variation de puissance

Les résultats montrent des rendements effectifs supérieurs de la technologie de variation de vitesse par rapport à la technologie bi-compresseurs et la technologie digital scroll. D’autre part, le compresseur modulaire à pistons « Twin Single », simple et économiquement plus compétitif que les autres technologies, présente peu d’intérêt du point de vue énergétique.Enfin, la technologie de variation de la composition présente un manque de rapidité au niveau de la régulation, est peu commercialisée et son utilisation est limitée à quelques fabricants japonais.

Dans le cas de notre application pour les régions à climat froid, les contraintes liées à la température de refoulement et au taux de compression viennent limiter le choix à la technologie bi-compresseurs et la technologie de variation de composition. Les compresseurs à vitesse variable dotés d’une entrée d’injection intermédiaire sont actuellement inexistants. Le développement d’une telle technologie est loin d’être étudié, en raison des complexités géométriques liées à l’étanchéité et à la lubrification du compresseur à vitesse variable.

La technologie de la variation de vitesse présente aussi des coûts supplémentaires et n’est quasiment pas accessible pour les constructeurs européens de PAC à ce jour. Les solutions utilisant des cycles bi-étagés, avec deux compresseurs à vitesse variable, ou un compresseur à vitesse fixe et un autre à vitesse variable, sont peu attractives du point de vue économique et technique. Les performances de la technologie bi-compresseurs sont proches des performances de la technologie de variation de vitesse pour un coût plus faible. Cette solution est retenue pour la suite. Il est alors intéressant de concevoir un circuit et des aménagements de vannes pour passer d’un système bi-étagé à un système mono-étagé en fonction de la température extérieure. En considérant la possibilité de fonctionner à trois niveaux de puissances, ce type de PAC est adapté pour créer une gamme de modèles et pour l’application au marché de la rénovation.

Dans ce qui suit, nous décrivons un dispositif simple de modulation de puissance par variation de composition. Ce dispositif sera installé et testé au cours de cette thèse.

Contrôle de puissance par variation de la composition circulante

Les pompes à chaleur air/eau résidentielles sont généralement équipées d’un réservoir anticoup liquide qui sert à protéger le compresseur.

Un dispositif simple et facile à mettre en oeuvre pour le contrôle de puissance consiste à utiliser la bouteille anti-coup liquide comme un réservoir de stockage ou de séparation. Les principaux composants utilisés sont présentés figure ci-contre.

La régulation de la puissance s'effectue en tirant parti du caractère zéotrope des mélanges pour contrôler la composition du frigorigène en circulation dans le système.

Pour modifier la composition circulante (et donc varier la puissance fournie), la vanne 4 voies est positionnée de telle manière que le débit sortant de l’évaporateur passe selon 1-2, puis selon 4-3. Dans le même temps, le détendeur de l’évaporateur est réglé de telle manière que le débit de frigorigène sorte de l’évaporateur en état diphasique. Une phase liquide est donc piégée dans le réservoir séparateur. Cette phase liquide est plus riche en composants dont la température normale d’ébullition est plus élevée (R-134a dans le cas du mélange R-407C (R-32/125/134a, 23/25/52 % en masse).

Une fois que le réservoir est rempli d’une quantité définie de liquide, le réglage devient identique au réglage de base, à savoir la vanne 4 voies en position 1-3 et le détendeur contrôlant l’évaporation sans qu’il y ait le débit diphasique à la sortie de l’évaporateur. Le résultat est que toutes choses égales par ailleurs, la composition circulante est enrichie en composants plus volatils (R-125 et R-32 dans le cas du mélange R-407C). Compte tenu des propriétés thermodynamiques du frigorigène, ceci amène à une variation de la puissance du système (accroissement de la puissance dans le cas du mélange R-407C).

Pour retrouver la composition circulante initiale, la vanne 4 voies est ouverte et les fluides moins volatils du réservoir re-circulent dans le système. Durant cette phase, la vanne de détente assure la surchauffe à la sortie de l’évaporateur.

Ce système assure la séparation des composants du mélange. L’intensité de séparation dépend du volume du réservoir, du volume des éléments du circuit de la PAC, de la charge et de la composition initiales du mélange, du contrôle du titre à la sortie de l’évaporateur et des conditions thermodynamiques (niveaux de température et de pression).