Optimisation du cycle de fonctionnement d’un Chauffe-Eau Thermodynamique résidentiel

Résumé :

Le chauffe-eau thermodynamique (CET), dont le principe repose sur une pompe à chaleur (PAC), est l’une des principales solutions pour répondre à l’enjeu de réduction des consommations énergétiques des bâtiments liées à l’eau chaude sanitaire. Le CET le plus courant sur le marché français est composé d’une PAC sur air extérieur, au R134a, dont le condenseur est de type manteau, entourant le ballon de stockage. Bien que le système arrive à maturité, les performances annuelles semblent encore loin des performances théoriques. Cette thèse a donc pour objectif l’optimisation des performances énergétiques des CET, en partant du CET standard français, selon un principe de compromis technico-économique. Pour cela, un modèle détaillé du CET standard est élaboré. La PAC est modélisée sous Dymola à l’aide de la bibliothèque TIL. Le ballon de stockage est modélisé par une combinaison d’une approche zonale et d’un modèle 1D. Ce modèle détaillé est calibré et validé expérimentalement grâce à des essais d’un CET standard réalisé en enceintes climatiques. Ce modèle est ensuite utilisé pour identifier les principaux gisements d’économie d’énergie. Une première analyse permet d’identifier les paramètres les plus influents sur les performances du CET. Cette sélection conduit ensuite à l’élaboration d’un modèle simplifié, plus apte à étudier des périodes longues de fonctionnement en intégrant des critères de coût et de confort. Une étude spécifique, à l’aide d’un algorithme génétique, permet d’évaluer le potentiel d’optimisation lié au pilotage du CET. Une étude multi-paramétrique montre ensuite que le design des échangeurs joue également un rôle important. Les résultats de ces deux voies prometteuses d’optimisation du CET étant inter-dépendants, une dernière partie consiste en une étude multicritère. Les résultats montrent qu’avec la nouvelle configuration proposée sont obtenus, un meilleur confort thermique sur une plus large gamme de scénario, une augmentation de COP moyenne annuelle de 37 % et une réduction moyenne de facture électrique de 30 %.