Chauffage et climatisation

Systèmes thermodynamiques embarqués

Les travaux visent à développer de manière générique des systèmes de pompes à chaleur reversibles embarqués qui se substituent au chauffage par résistance électrique. Il faut pour cela concevoir et/ou adapter les composants qui permettent de réaliser des pompes à chaleur embarquées inversables (fonctionnement en rafraîchissement et en chauffage) fiables et adaptées aux véhicules électrifiés et aux trains, ce qui permet d’utiliser un compresseur électrique hermétique. Les verrous à lever sont :

  • l'utilisation d'un fluide frigorigène dont le GWP est inférieur à 150 et qui présente de bonnes performances énergétiques en chauffage pour une température extérieure de -30 °C mais aussi en rafraîchissement pour une température extérieure de + 40 °C ;
  • la conception des échangeurs entièrement en aluminium brasé et présentant des ailettes adaptées aux cycles de givrage et dégivrage ;
  • la conception des stratégies de dégivrage qui n’inversent pas le cycle et qui ne refroidissent donc pas l’habitacle ;
  • le développement, pour les véhicules routiers, des stratégies de pré-conditionnement incluant du stockage d’énergie ;
  • la conception des systèmes de diffusion de la chaleur et de la fraîcheur au plus près des passagers pour améliorer le ratio énergie utile / énergie produite.

Le premier véhicule doté d’un système de pompe à chaleur est le prototype de la Prius hybride rechargeable, réalisé à quelques centaines d’exemplaires dans le monde. Toyota le teste et le considère comme trop cher pour équiper la première génération commercialisée en 2012 de cette Prius hybride rechargeable. Les prototypes au CO2 présentés lors des symposiums du VDA n'ont pas été développés au-delà. On se doit de signaler que compte tenu de la difficulté du sujet, le développement s’est effectué sur un cycle dit « triangle » dont le COP était inférieur à 1 mais dont la puissance élevée permettait de se passer avantageusement de la résistance électrique RTD.

La figure ci dessous montre ci-dessous les besoin de chauffage et de rafraichissement dans un véhicule, cette puissasance est à comparer à la puissance de roulage qui est de l'ordre de 3 kW.

Besoin de chauffage et de climatisation dans un véhicule.

Les travaux développés par les équipes du CES portent à la fois sur les systèmes de climatisation mais également sur les pompes à chaleur embarqués. L'étude des pompes à chaleur comporte en particulier les stratégies de dégivrage et la compréhension de la formation du givre sur les évaporateurs. La figure ci dessous montre les travaux de modélisation sur des échangeurs de chaleurs tout en intégrant les cinétiques de croissance du givre.

Modélisation des évaporateur de pompes à chaleur sous Modelica.

Les travaux sont menés à la fois sur le plan expérimental et sur le plan de la modélisation, des disposifs d'essais sont disponibles au CES pour permettre l'étude locale de la croissance du givre et la caratérisation des performances des systèmes pour différents scénarios d'usage.

Centrale de traitement d'air (-40 °C) pour le test des pompes à chaleur inversables

Des efforts sont porté à l'observation de la formation du givre au niveau des ailettes des échangeurs de chaleur. Ces travaux permettent de comprendre la cinétique de formation du givre afin de permettre de le ralentir et d'accéler le dégivrage. Les études se focalisent sur la conception de générateur de tourbillons détachés des ailettes afin de faciliter le drainage tout en conservant des coefficient d'échange thermiques élevés.

Observation de la formation du givre sur les ailettes d'un échangeur de chaleur
Chauffage et climatisation - MINES ParisTech
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