L'enjeu de ce travail est la conception et l'expérimentation d'un procédé thermochimique de production de froid à -28 °C à partir de chaleur basse température (70 °C) issue de capteurs solaires plans. Une analyse exergétique du dipôle thermochimique et des cycles thermodynamiques idéaux a conduit à la définition d'un procédé solaire original. Ce procédé met en œuvre deux cycles en cascade fonctionnant en parallèle. Le cycle est discontinu et présente une phase de chauffage et de régénération diurne et une phase de production de froid nocturne. Une simulation dynamique a permis d'analyser son fonctionnement en fonction des conditions météorologiques et du dimensionnement du procédé. Un prototype permettant de couvrir les besoins de froid d'une chambre froide perdant 40 W en continu a été réalisé et expérimenté en conditions réelles sur le site de Perpignan. Il a démontré la faisabilité de ce concept innovant et permis de valider les hypothèses émises lors du développement du modèle. Une étude du fonctionnement du procédé en fonction des conditions climatiques et de la source chaude utilisée (solaire, géothermale ou rejet de chaleur industrielle) a également été menée par simulation. Elle a démontré les potentialités du concept.

Le travail présenté ici a pour objectifs d’étudier et d’optimiser les performances énergétiques d’un chauffe-eau thermodynamique couplé à un stockage par chaleur sensible. La ressource utilisée consiste en la récupération de chaleur sur l’air extrait d’un logement de type collectif. L’enjeu est de caractériser les conditions dans lesquelles le système est capable d’assurer les besoins avec des performances requises lorsque les conditions aux limites sont très fluctuantes. Sur le plan fonctionnel, le système doit être le plus simple possible du point de vue de sa configuration hydraulique et de sa stratégie de régulation.Pour cette étude, nous avons développé un modèle physico-corrélatif sur TRNSYS pour simuler et analyser les différents scenarios et les couplages thermohydrauliques entre les composants du système. En parallèle de cette démarche de modélisation, nous avons conçu et mis en œuvre un dispositif expérimental à l’échelle 1 à des fins de validation du modèle sur une large plage de conditions opératoires.L’analyse des résultats, notamment sur la nature des écoulements au sein du ballon de stockage, a mis en évidence l’influence majeure d’un certain nombre de paramètres sur les performances du système. En particulier, la robustesse des performances face à des fluctuations importantes des conditions aux limites peut être assurée grâce à une stratégie de régulation adaptée.Cette étude a finalement conduit à proposer un modèle réduit pour le dimensionnement du système qui prend en compte les paramètres le plus pertinents pour la stratégie de régulation. / The work presented here aims to study and optimize the energy efficiency of a heat pump water heater coupled with a sensible heat storage. The resource used consists of heat recovery from exhaust air of a collective type of housing. The challenge is to characterize the conditions in which the system is capable of ensuring the needs with performance required when the boundary conditions are very volatile. Functionally, the system should be as simple as possible from the viewpoint of its hydraulic configuration and its control strategy.For this study, we developed a TRNSYS numerical model to simulate and analyze different scenarios and thermal hydraulic couplings between the system components. In parallel with this modeling approach, we designed and implemented an experimental set up with realistic scale to validate the model over a wide range of operating conditions.The analysis of the results, including the nature of flows within the storage tank, highlighted the major influence on a number of parameters on the system performance. In particular, the robust performance in the face of significant fluctuations of the boundary conditions can be ensured through appropriate control strategy.This study eventually led to propose a model for the design of the system that takes into account the most relevant parameters for the control strategy.

Le Cycle Organique de Rankine (abrégé ORC de l’anglais Organic Rankine Cycle) est une technologie permettant la conversion de chaleur basse température en électricité. L’ORC transcritique a été identifié comme une solution prometteuse pour la valorisation de la chaleur fatale. Cependant, peu d’installations expérimentales ont permis de confirmer ces performances. Ce travail de thèse présente le fonctionnement et l’optimisation d’ORC sous-critique et transcritique pour la conversion de chaleur basse température en électricité à partir de différentes sources. Premièrement, les contextes thermodynamique et technologique de l’ORC sont présentés. Des critères de performance énergétiques et exergétiques sont définis et appliqués à une base de données d’installations expérimentales afin d’exposer l’état de l’art actuel des ORC. Deuxièmement, les outils numériques et expérimentaux, spécifiquement développés ou utilisé pour ces travaux, sont présentés. Trois installations expérimentales d’ORC transcritique complet ou incomplet fournissent les données expérimentales. Différents modèles numériques sont utilisés : sous l’environnement Matlab pour la modélisation en permanent, l’analyse des données expérimentales et l’analyse énergétique/exergétique ; L’environnement Modelica/Dymola pour l’analyse des transitoires et de la dynamique du système. Dans un troisième temps, ces différents outils sont utilisés pour étudier quatre différentes problématiques : - Le fonctionnement de la pompe de circulation est étudié, d’un point de vue énergétique et volumétrique. Des modèles semi-empiriques et des corrélations de performance sont présentés. - Les transferts thermiques en supercritique sont examinés, en local et en global. Les coefficients de transfert thermique sont comparés avec différentes corrélations de la littérature. - L’influence de la charge de réfrigérant sur les performances et le comportement de l’ORC est analysée. La charge optimale est estimée pour différentes conditions de fonctionnement et des mécanismes de régulation de la charge sont présentés. - Les performances énergétiques et exergétiques de l’ORC sont comparées avec la base de données. Une analyse exergétique du procédé a permis d’identifier des voies d’amélioration. / The Organic Rankine Cycle (ORC) is a technology used for low-grade thermal energy conversion into electricity. Transcritical ORC has been identified as a solution for efficient waste heat recovery. However, few experimental tests have been conducted to confirm the interest of transcritical ORC and investigate its operational behaviors. The work presented focuses on the operation and the optimization of subcritical and transcritical Organic Rankine Cycles for low-grade heat conversion into electricity from various heat sources (solar, industrial waste heat). First, the thermodynamic framework of ORC technology is presented. Energetic and exergetic performance criteria, appropriate to each type of input source, are introduced and selected. The criteria are later applied to a database of ORC prototypes, in order to objectively analyze the state-of-the-art. In a second step, the experimental and numerical tools, specifically developed or used in the present thesis, are presented. Three subcritical and transcritical ORC test benches (hosted by CEA and AUA) provided experimental data. Numerical models were developed under different environments: Matlab for steady-state modeling, data processing and energy/exergy analysis. The Modelica/Dymola environment for system dynamics and transient operations. Lastly, the different tools are exploited to investigate four different topics: - The ORC pump operation is investigated, both under an energetic and volumetric standpoint, while semi-empirical models and correlations are exposed. - Supercritical heat transfers are explored. Global and local heat transfer coefficients are estimated and analyzed under supercritical conditions, while literature correlations are introduced for comparison. - Working fluid charge influence over the ORC performance and behavior is investigated. Optimal fluid charge is estimated under various operating conditions and mechanisms for charge active regulation are exposed. - ORC system performances and behavior are discussed. Through both an energetic and exergetic standpoint, performances are compared with the state-of-the-art, while optimization opportunities are identified through an exergetic analysis.