L'optimisation des performances non nominales des pompes à chaleur réversibles contribue à la réduction des consommations énergétiques du secteur tertiaire. Une modélisation thermodynamique détaillée d'une pompe à chaleur destinée au secteur tertiaire (compresseur, condenseur, détendeur, évaporateur) en régime non nominal est réalisée. Le modèle de pompe à chaleur validé par expérimentation en laboratoire et in-situ est couplé à un modèle de calcul des besoins thermiques de bâtiment afin d'évaluer les performances saisonnières de la PAC et d'améliorer la conception en fonction de ce critère. Des voies d'optimisation des performances saisonnières sont évaluées suivant deux axes principaux : -Optimum du point de vue local : optimisation par rapport à une courbe de besoins donnée ; interviennent la régulation de puissance, la conception orientée mode chaud ou orientée mode froid. Ces simulations sont réalisées sur un bâtiment tertiaire de type neuf ou existant. Une étude de sensibilité des résultats au climat du lieu d'installation est également réalisée. -Optimum du point de vue industriel : par l'intégration de composants innovants à fort enjeu concurrentiel pour un bon positionnement vis-à-vis de l'étiquetage européen des systèmes de climatisation. Les améliorations de performance sont complétées par une étude technico-économique, basée sur la décomposition des coûts de la PAC selon ses principaux composants. On détermine finalement le temps de retour de la machine optimisée en fonction du type de bâtiment et du climat.

Actuellement, la flexibilité et le stockage de l'énergie sont parmi les principaux défis de l'industrie de l'énergie. Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP), en utilisant des turbines-pompes réversibles, comptent parmi les solutions les plus rentables pour répondre à ces besoins. Pour assurer un réglage rapide du réseau électrique, les turbines-pompes sont sujettes à de rapides changements entre modes pompage et turbinage. Elles sont souvent exposées à un fonctionnement prolongé dans des conditions hors nominal. Pour assurer la stabilité du réseau, la zone d'exploitation continue de turbines-pompes réversibles doit être libre de toute instabilité hydraulique. Deux sources principales d'instabilités en mode pompage peuvent limiter la plage de fonctionnement continu. Il s'agit de la présence de cavitation et de décollement tournant, tous deux survenant à charge partielle. La cavitation peut conduire à des vibrations, des pertes de performance et parfois même à l'érosion de la turbine-pompe. En outre, en raison de décollements tournants (apparition et décomposition périodique de zones de recirculation dans les régions du distributeur), la machine peut être exposée à un changement incontrôlable entre les points de fonctionnement, avec une modification de charge et une baisse significative des performances. Les deux phénomènes sont très complexes, tri-dimensionnels et délicats à étudier. Surtout le phénomène de décollement tournant dans les turbines-pompes est peu abordé dans la littérature. Le premier objectif de l'étude du doctorat présenté a été d'utiliser un code numérique, testé au laboratoire, et de développer une méthodologie de calcul pour permettre la prévision des phénomènes à charge partielle. L'étude a été faite sur une géométrie à échelle réduite d'une turbine-pompe de haute chute. Des calculs numériques ont été effectués en utilisant le code FINE/Turbo avec le modèle de cavitation barotrope qui a été développé au laboratoire. L'analyse des écoulements cavitants a été faite pour des débits et de niveaux de cavitation différents. Les principales analyses portent sur des valeurs naissantes de cavitation, des courbes de chute et sur le prédiction des formes de cavitation pour différents débits et valeurs de NPSH. Une attention particulière a été portée sur l'interaction entre les formes de cavitation à l'entrée de la roue et la baisse de performance (zone de feston), causée par le décollement tournant qui apparaît dans la région du distributeur. Les résultats numériques ont montré un bon accord avec les données expérimentales disponibles. La deuxième partie de la thèse a concerné la prédiction et l'analyse de décollements tournants. Des simulations ont été utilisées pour prédire les régions d'exploitation stables et instables de la machine. La méthodologie mentionnée pourrait fournir des résultats globaux précis pour différents points de fonctionnement avec un faible coût de calcul. Afin d'obtenir des informations détaillées sur les écoulements instables, des simulations instationnaires plus précises ont été réalisées. L'analyse locale des écoulements a permis la description des mécanismes gouvernant le phénomène de décollement tournant. Les analyses permettent l'étude du nombre, de l'intensité et des fréquences de rotation des cellules tournants. En outre, les calculs instationnaires donnent une très bonne prédiction de la performance de la turbine-pompe. L'approche proposée est fiable, robuste et précise. La méthodologie de calcul proposée peut être utilisée sur plusieurs géométries de turbine-pompe (ou pompe centrifuge), pour une large gamme de débits et de géométries de directrices. Les simulations proposées peuvent être utilisées à l'échelle industrielle pour étudier les effets de géométrie, d'angles d'ouverture de directrices ou de l'influence du jeu entre la roue et le distributeur afin de réduire ou même éliminer les effets négatifs des décollements tournants. / Flexibility and energy storage seem to be the main challenges of the energy industry at the present time. Pumped Storage Power Plants (PSP), using reversible pump-turbines, are among the most cost-efficient solutions to answer these needs. To provide a rapid adjustment to the electrical grid, pump-turbines are subjects of quick switching between pumping and generating modes and to extended operation under off-design conditions. To maintain the stability of the grid, the continuous operating area of reversible pump-turbines must be free of hydraulic instabilities. Two main sources of pumping mode instabilities are the presence of the cavitation and the rotating stall, both occurring at the part load. Presence of cavitation can lead into vibrations, loss of performance and sometimes erosion. Moreover, due to rotating stall that can be observed as periodic occurrence and decay of recirculation zones in the distributor regions, the machine can be exposed to uncontrollable shift between the operating points with the significant discharge modification and the drop of the efficiency. Both phenomena are very complex, three-dimensional and demanding for the investigation. Especially rotating stall in the pump-turbines is poorly addressed in the literature. First objective of the presented PhD study has been to develop the cost-efficient numerical methodology in order to enable the accurate prediction and analysis of the off-design part load phenomena. The investigations have been made on the reduce-scaled high head pump-turbine design (nq = 27rpm) provided by Alstom Hydro. Steady and unsteady numerical calculations have been performed using code FINE/Turbo with barotropic cavitation model implemented and developed before in the laboratory. Some of the numerical results have been compared to the experimental data. Cavitating flow analysis has been made for various flow rates and wide range of cavitation levels. Flow investigation has been focused on the cavitation influence on the flow behavior and on the performance of the machine. Main analyses include incipient cavitation values, head drop curves and cavitation forms prediction for wide ranges of flow rates and NPSH values. Special attention has been put on the interaction between cavitation forms and the performance drop (hump zone) caused by the rotating stall. Cavitation results showed good agreement with the provided experimental data. Second part of the thesis has been focused on the prediction and analysis of the rotating stall flow patterns. Computationally fast steady simulations has been presented and used to predict stable and unstable operating regions. The analyses have been done on 4 different guide vanes openings and 2 guide vanes geometries. In order to get detailed information about the unsteady flow patterns related to the rotating stall, more exact unsteady simulations have been performed. Local flow study has been done to describe in details the governing mechanisms of the rotating stall. The analyses enable the investigations of the rotating stall frequencies, number of stalled cells and the intensity of the rotating stall. Moreover, the unsteady calculations give very good prediction of the pump-turbine performance for both, stable and unstable operating regions. Numerical results give very good qualitative and quantitative agreement with the available experimental data. The approach appears to be very reliable, robust and precise. Even though the numerical results (rotating stall frequencies, number of cells...) on the actual geometry should be confirmed experimentally, author believes that the methodology could be used on any other pump-turbine (or centrifugal pump) geometry. Moreover, the simulations can be used industrially to study the effects of the guide vanes geometries, guide vanes opening angles and influence of the gap between the impeller and the distributor in order to reduce or even eliminate the negative effects of the rotating stall.

La réduction des besoins dans les bâtiments à basse consommation d'énergie (BBC) nécessite un réexamen de l'approche de modélisation des systèmes énergétiques dans les outils de simulation. L'approche proposée repose sur une modélisation plus fine des phénomènes physiques incluant la régulation en boucle fermée du système énergétique couplé au bâtiment. A partir de l'identification des phénomènes propres au comportement énergétique des BBC, des recommandations, ou règles de modélisation, sont établies pour le développement des modèles de leurs systèmes énergétiques. Ces recommandations sont mises en application dans deux études. Tout d'abord, une simulation dynamique d'un bâtiment et de son système conduit à un dimensionnement plus adapté comparé aux méthodes classiques dans le cas de BBC avec des répercussions sur les appels de puissance et la consommation d'énergie. Ensuite, une analyse de sensibilité par la méthode de Morris sur une représentation générique du système énergétique a permis d'identifier les paramètres nécessitant d'être connus avec précision. La différence entre l'approche développée et la simulation horaire avec régulation idéale n'est que de quelques pourcents en besoins énergétiques pour un bâtiment existant mais elle passe à plus de 20% dans un bâtiment BBC. Un écart du même ordre de grandeur peut être identifié pour la détermination de la performance énergétique globale du système par une prise en compte plus détaillée des phénomènes de cyclage, de charge partielle ou de consommation des auxiliaires. / The decrease of heat demands in low energy buildings requires to examine again modeling approaches in building energy simulation tools. The developed approach is based on a more accurate modeling of physical phenomena including the closed loop control between the HVAC system and the building. From the identification of the phenomena that specifically impact the energy behavior of the low energy buildings, some recommendation, or modeling rule, are established for the development of their HVAC systems. Those recommendations are applied in two case studies. Firstly, a dynamic simulation of a building and its system offers a better evaluation of the design power for a low energy building, affecting power demands and energy consumption. Then, a sensitivity analysis from Morris method on a generic representation of the HVAC system identifies the parameters to be accurately known. The difference between the developed approach and an hourly simulation with an ideal control is low for the evaluation of the heat load in an existing building but it is more than 20% in a low energy buildings. A difference of the same order of magnitude can be identified in the determination of the overall energy performance of the system by a more detailed consideration of the phenomena of cycling, the part load or the consumption of auxiliaries.

L'efficacité énergétique des groupes de production d'eau glacée est caractérisée en Europe par un point de fonctionnement nominal, non représentatif du comportement saisonnier. Afin d'élaborer un index des performances saisonnières, il faut déterminer les performances des groupes de production d'eau glacée à charge partielle, ainsi qu'une représentation des conditions de fonctionnement rencontrées au cours d'une saison. Les performances de plusieurs groupes à puissance étagée sont étudiées en régime stationnaire. Les résultats de deux campagnes expérimentales montrent que l'absence de caractérisation des différents régimes de puissance conduit à des erreurs de conception des équipements qui dégradent leur efficacité énergétique à puissance réduite. Un modèle de comportement des performances des groupes à taux de charge et température d'entrée d'air au d'eau variable est réalisé. Une boucle d'essais permettant la caractérisation des performances dans des conditions de fonctionnement dynamique a été mise au point. Cette boucle permet d'étudier la dégradation des performances en cyclage (fonctionnement du type tout ou rien), essentiellement liée à la puissance électrique de veille de l‘alimentation électrique des équipements. De plus, des essais réalisés sur des groupes à puissance étagée montrent l'existence de défauts de régulation qui dégradent l'efficacité énergétique des équipements. Le couplage du modèle de groupe et des courbes de besoins thermiques simulées pour un bâtiment de bureau permet de calculer les performances saisonnières des groupes pour différents climats et systèmes. Il est mis en évidence que l'efficacité nominale ne permet pas de caractériser l'efficacité énergétique moyenne d'un équipement. Une méthode de réduction des besoins thermiques horaires est mise au point. Elle permet de définir un index de calcul des performances saisonnières des groupes de production d'eau glacée européens.

L’intégration des énergies renouvelables sur le réseau électrique entraîne de nouveaux besoins chez les exploitants de centrales hydroélectriques. Ainsi, les fabricants de turbines hydrauliques doivent garantir des plages de fonctionnement de plus en plus étendues, afin d’assurer une plus grande flexibilité d’utilisation des machines. Pour les turbines Francis, un fonctionnement en-dehors des conditions nominales implique potentiellement une augmentation des sollicitations mécaniques, notamment à faible débit (charge partielle). Cette hausse est due à l’apparition de phénomènes hydrauliques dans l’écoulement, dont notamment les vortex inter-aubes. Pour garantir des plages de fonctionnement étendues à leurs clients, les fabricants se doivent de maîtriser l’impact de telles conditions d’opération sur la durée de vie de leurs machines. Il est donc nécessaire de mieux comprendre l’écoulement complexe dans la turbine et son impact mécanique à charge partielle. Dans ce contexte, cette thèse a une double approche expérimentale et numérique. L’analyse se base sur des mesures et des observations réalisées lors d’essais sur modèles réduits. Elles ont permis de corréler les phénomènes hydrauliques observés et l’évolution des fluctuations de pression et des déformations dynamiques mesurées, pour différents points de fonctionnement. Ces résultats ont notamment été utilisés pour estimer le phénomène de fatigue lors du fonctionnement continu d’une turbine à très faible charge. La simulation numérique des fluides (CFD) a également été utilisée pour mieux comprendre les mécanismes impliqués dans la formation des vortex inter-aubes, et pour prédire le chargement dynamique qui s’exerce sur la roue à charge partielle. La validation des résultats numériques est basée sur la comparaison avec les données expérimentales issues des précédents essais sur modèles réduits. / The integration of renewable energies into the electricity grid brings new needs for hydro power plant operators in terms of how they are operated. Consequently, hydraulic turbine manufacturers are required to extend their machine’s operating range in order to increase their flexibility. In the case of Francis turbines, dynamic stresses could increase in off-design conditions due to several hydraulic phenomena that appear in the flow, especially at partial load. One of them is the development of inter-blade vortices in the runner. In order to guarantee an extended operating range manufacturers have to control the impact of such operating conditions on their turbines lifetime. Therefore, a better understanding of complex partial load flows and their mechanical impact on the turbines is needed. In this context, this thesis uses both experimental and numerical approaches. Reduced scale model turbines were tested in order to correlate hydraulic phenomena observed in the flow and the evolution of pressure and strain fluctuations for different operating points. The results were then used to estimate the turbine fatigue in partial load conditions. Computational Fluid Dynamics was also used to better understand the formation of inter-blade vortices and to predict the dynamic loading on the runner at partial load. These numerical results were validated by comparison with the experimental data from the previous test rig measurements and observation campaigns.