Course Name：Engineering fluid dynamics and heat transfer

Titre anglais : In situ measurement methods of residential air-to-air heat pump annual performances

Directeur de thèse : Dominique MARCHIO

Mots clés en français : pompe à chaleur air-air,performance saisonnière,mesure in situ,débitmètre Coriolis,capteur à fil chaud,expérimentation

Mots clés en anglais : air-to-air heat pump,seasonal performance,in situ measurement,Coriolis flow meter,hot-wire sensor,experimentation

Résumé de la thèse en français

Aujourd'hui, la pompe à chaleur (PAC) est largement utilisée pour les applications de chauffage du bâtiment en raison de ses bonnes performances énergétiques. Elle est même considérée comme une source d'énergie renouvelable et, selon la Directive Européenne 2009/28/CE, la part «renouvelable» de l'énergie produite doit être calculée à partir de la performance annuelle. Il est donc important d'être à même de mesurer cette dernière. Or, il n'existe pas, pour les PAC air/air, de méthode fiable et simple permettant de mesurer la performance chez le client pendant une saison. Dans ce contexte, la thèse propose deux méthodes in situ qui répondent à ce besoin. La première est basée sur des mesures non-intrusives des propriétés du fluide frigorigène. Elle utilise le bilan énergétique du compresseur pour déterminer le débit du fluide. La deuxième, fondée sur les mesures côté air, utilise un ensemble de capteurs à fil chaud afin de mesurer le débit et les températures d'air. La thèse développe également une méthode de mesure intrusive du fluide frigorigène, qui n'est pas adaptée aux conditions in situ mais sert de référence pour valider les deux méthodes in situ. Les résultats expérimentaux montrent que la méthode de référence est précise non seulement en conditions stabilisées mais également en fonctionnement dynamique (y compris lors des dégivrages). La validation des deux méthodes in situ a été réalisée par une campagne d'essais spécifique en laboratoire. Une suite intéressante de la thèse consistera à intégrer la méthode non intrusive côté frigorigène directement dans l'équipement de mesure et d'affichage de la PAC.

Résumé de la thèse en anglais

Today, heat pumps (HP) are widely used as heating systems in building thanks to their high energy efficiency. They are even considered as a source of renewable energy and, according to the EU Directive 2009/28/EC, the amount of renewable energy has to be calculated from the annual performance. Therefore, it is important to be able to measure the annual performance. However, concerning the air-to-air HP there is no reliable and simple method which allows measuring the performance in situ during at least a season. In this context, the thesis proposes two in situ methods that could fill this gap. The first one is based on non-intrusive measurements on refrigerant side. It uses a compressor energy balance to determine the flow rate. The second one, based on air measurements, uses a distribution of hot-wire sensors to determine the air flow rate and temperatures. The thesis also develops an intrusive refrigerant method, which is not necessarily adapted for in situ conditions but can be used as a reference to validate the in situ methods. The experimental results show that the reference method is accurate both in stationary conditions and in dynamic operations (including during defrosting period). The validation of the in situ methods was performed by a specific test campaign in laboratory. As a perspective, the thesis makes it possible to develop on-board measurement methods using non-intrusive refrigerant sensors, providing an opportunity for manufacturers to display the in situ performance in real time.