Articles

Annonces Professionnelles :

image-eolienne

Cette page a pour but de rassembler des articles pertinents et didactiques incluants des calculs d'efficacité sur les nombreux sujets liés à l'énergie.

Le Point Énergie a la mission d'éclairer ces sujets d'une manière objective, indépendante et participative.
Le lecteur est donc invité à apporter des commentaires constructifs pour, si besoin, améliorer ce contenu.


Articles Articles à venir
Les pompes à chaleur aérothermiques et le dégivrage

Diagnostic énergétique en ligne

Que produirait une éolienne sur mon terrain ?
→ Une éolienne pour le particulier ?

→ Micro-centrales hydrauliques
→ La cogénération bois ou biomasse


Les pompes à chaleur aérothermiques et le dégivrage

Diagramme PAC aérothermique Pourquoi dégivrer ?

Une pompe à chaleur arothermique (PAC air/eau) puise de l'énergie dans l'air extérieur pour la transférer à l'eau du circuit de chauffage. Certaines PAC peuvent fonctionner jusqu'à -15°C de température extérieure mais ce cas de figure est rarement conseillé puisque puissance et performance diminuent avec la température.

Au delà du problème de performance, l'échangeur extérieur (appelé batterie) refroidit l'air plus ou moins humide qui le traverse, ce qui a pour effet direct de faire apparaître des gouttelettes d'eau dues à la condensation. Ces gouttelettes sont refroidies à une température proche de celle des tubes où circule le fluide frigorigène. Cette température est environ 7°C en dessous de la température extérieure quant celle-ci vaut entre 0 et 10°C.
L'eau de condensation givre donc pour des températures extérieures inférieures à environ +7°C.

À terme le givre peut s'accumuler jusqu'à obstruer le passage de l'air à travers les ailettes de l'échangeur extérieur, ce qui rendrait le système totalement inefficace. C'est pour éviter cela que les PAC aérothermiques sont contraintes d'intégrer un système de dégivrage.
La machine perd nécessairement de l'efficacité avec le dégivrage, mais cette baisse peut être limitée avec une bonne gestion. Il peut y avoir de fortes disparités entre les différentes marques à ce sujet et le coefficient de performance annoncé dans les conditions réglementaires n'indique rien par rapport à la performance du dégivrage. Une machine avec un bon COP peut être à l'année moins rentable qu'une autre ayant un COP moindre si le dégivrage de la première est moins bien géré que celui de la seconde.

Le principe de dégivrage le plus utilisé : l'inversion de cycle

Il consiste a inverser momentanément les fonctions des deux échangeurs :

au lieu de prélever la chaleur de l'air extérieur pour chauffer l'eau circulant dans les radiateurs, on refroidit cette eau pour brusquement chauffer l'échangeur extérieur et faire fondre le givre. Cette phase est généralement suivie d'un arrêt du compresseur pour permettre au ventilateur de sécher l'eau issue de cette fonte.

Le dégivrage par inversion de cycle est rapide, efficace et demande peu de composants. Ce système étant par nature contre performant pour le chauffage, le temps et la fréquence de dégivrage doivent être minimisés, sans toutefois compromettre le bon fonctionnement. Or la vitesse avec laquelle l'échangeur accumule le givre est fortement liée à la température et à l'humidité présente dans l'air, ce qui oblige le système à s'auto-adaptater, sauf si l'on choisit volontairement de dégivrer à intervalles réguliers rapprochés au détriment de la performance.

Il y a donc de multiples façons de gérer le cycle de fonctionnement, et cette contrainte peut faire baisser sensiblement l'efficacité globale de la PAC.

Les signes d'une fonction dégivrage défaillante ou non-optimisée :

- l'échangeur extérieur se couvre de givre au point de réduire de façon significative l'espace entre les ailettes (fines plaques métalliques alignées parallèlement). Problème : la fréquence de dégivrage est sous-estimée.
- l'échangeur extérieur ressemble à un bloc de glace compacte. Problème : la dégivrage ne s'enclenche pas.
- On entend le cycle de dégivrage s'enclencher (modification du régime compresseur autrement stable) sans voir le moindre givre sur l'échangeur. Problème : la fréquence de dégivrage est trop importante, elle n'est peut être pas adaptative. L'efficacité de la PAC (COP) est affecté.

Autres signes :

- L'échangeur fume fortement durant le dégivrage: c'est normal. De l'air humide est réchauffé par l'échangeur, ce qui crée naturellement de la fumée dans un air froid.
- Le compresseur semble plus bruyant pendant le dégivrage: c'est normal. Le compresseur va progressivement adopter un fonctionnement brassant plus de fluide qu'en mode chauffage.

Calcul : Influence du dégivrage sur l'efficacité de la PAC, dans des conditions de température et d'humidité données

Principe du calcul :

En partant des données constructeur de la PAC telles que la puissance et le COP à +7°C et -7°C, on déduit la performance à 0°C de la machine concernée. On s'appuie pour cela également sur les performances théoriques données par le constructeur du compresseur.
On détermine ensuite la surface de l'échangeur extérieur où le givre se dépose, en fonction des dimensions type de la PAC pour le niveau de puissance considéré.
La puissance frigorifique sur l'échangeur extérieur permet de déterminer les débits d'air, températures, degrés d'humidité ainsi que le débit de condensation.
On en déduit l'évolution de la quantité de givre, donc le temps nécessaire pour atteindre une épaisseur donnée.
Pour la phase de dégivrage, on estime la puissance de chauffe du compresseur en cycle inversé, ce qui permet de déduire le temps nécessaire pour développer une énergie suffisante à faire fondre le givre accumulé.
La dernière phase consiste à sécher l'échangeur. L'énergie électrique dépensée et l'énergie de chauffage sont totalisées. Le rapport donne le COP réel (moyen sur un cycle).
L'énergie totale de chauffage divisée par la durée du cycle donne la puissance moyenne réelle.

Pompe à chaleur choisie :

Performance dans les conditions normatives à +7°C d'air extérieur, 92% d'humidité.
Puissance : 8.11kW
COP : 3.6
Compresseur Copeland Scroll série ZP
Réfrigérant R410a
Performances (par interpolation) à 0°C / 92%, dans les conditions favorables au givrage:
Puissance : 6.44kW
COP : 2.83

Hypothèses :

- échangeur extérieur: dimensions 1000*600*50, pas d'ailettes 2mm
- humidité relative sortante égale à l'humidité entrante
- compresseur Copeland Scroll, réfrigérant R410a
- paramètres compresseur : température d'évaporation chutant de 3°C pendant la phase chauffage, courbe parabolique.
Pendant le dégivrage, température d'évaporation à 12°C, température de condensation de 26 à 34°C, courbe parabolique. - puissance du ventilateur : 90W
- épaisseur de givre maximale sur les ailettes : 0.1mm
- temps de séchage de 2 minutes.

Résultats :

La phase de chauffage dure 1h17, le dégivrage 67s
Performances à 0°C / 92% d'humidité :
Puissance : 5,79kW (-10%)
COP : 2,58 (-9.1%)
Si le système détection de fin de dégivrage est approximatif, on peut facilement allonger d'une minute cette phase, ce qui conduit à un coefficient de performance de 2.48 (-12.4%), d'où l'importance d'une bonne gestion de cette fonction. Il en est de même si la détection du givre trop sensible.

Graphique d'un cycle complet chauffe - dégivrage - séchage :

graphique givrage

Notes de calcul :

Les hypothèses formulées sont principalement issues de l'observation expérimentale du comportement des PAC sur banc d'essai. Elles pourront être affinées ou corrigées à partir d'éléments de calculs plus précis relatifs aux composants en présence, ou de données expérimentales issues d'essais constructeur par exemple.

Extrapolation pour calculer l'efficacité de la PAC à l'année :

Ce calcul peut se faire dans des conditions type de chauffage et en fonction de paramètres météorologiques locaux. Plus précisément, il s'agit des dégré-heure et des courbes de température et d'humidité.

Formules utilisées :

D'après l'équation des gaz parfaits pour l'air et la vapeur d'eau
x=d/(Pair/Pv-1) : humidité absolue en kg d'eau /kgas
Pv=Pair/(d/x+1) : pression partielle de la vapeur d'eau en Pa
Pv=Pvsat pour l'air saturé
en fonction de la température entre -20 et +40°C : Pvsat = 0,000467*T^4 + 0,024784*T^3 + 1,346370*T^2 + 45,934292*T + 606,401960
Pair=pression atmosphérique
d=Mv/Mas : rapport des masses molaires eau/air sec
Mv=18g/mol
Mas=29g/mol
HR=x/xsat : humidité relative en %
donc x=HR*xsat
xsat=(Mv/Mas)*1/(Pair/Pvsat-1) : humudité absolue de l'air saturé
Vms m3/kg air sec = RT/Pair*(x/Mv+1/Mas)
DeltaH=Cpas*T+x(Cpv*T+Lv) : enthalpie en J/kg
Cpas=1006 J/kg.K ou =1.9327e-10*T^4-7.9999e-7*T^3+1.1407e-3*T^2-0.4489*T+1057.5
Cpv=1826 J/kg.K ou =1.2e-3*T^2-0.478*T+1899.55
Chaleur latente d'évaporation : Lv=2500000 J/kg à 0°C ou =-0.0614342T3+1.58927T2-2364.18T+2500790
Puissance sur l'air P = Qair(kg/s)*DeltaH [+Qcond*Cpeau*(Tsortie-0)+Qcond*Ls(J/kg)]
Qcond=Qair(kg/s)*Delta(x) : débit condensat en kg/s
Vgivre=Qcond/917(vol glace/m3) : volume de givre en m3/s
givrage=1000*Vgivre/S(échange) : vitesse de givrage sur les ailettes en mm/s
Epaisseur givre = ∑givrage*t ou = ∑Pcalo*t/(Lliq*Vol(glace)*S(échange))
Ecalo=∑Pcalo*t ; Eélec=∑Pélec*t
COP global = Ecalo/Eélec
Pcalo globale = Ecalo/∑t

Points de fonctionnement de la PAC et du compresseur :

Données compresseur

JW. - 22 Avril 2010.

Retour liste Articles

© Le point Energie - - Réalisation du site : Le piment & la toile