L'accroissement des émissions de gaz à effet de serre a amené l'Union Européenne à établir des politiques de réduction des émissions de ces gaz. Pour ce qui concerne la climatisation automobile, l'Union Européenne a décidé d'arrêter l'utilisation des fluides frigorigènes dont le GWP supérieur à 150 pour les nouvelles plate-formes à partir de 2011, et progressivement pour l'ensemble des véhicules neufs à partir de 2017. Le CO2 est un fluide candidat pour remplacer les fluides à GWP élevé. Les propriétés thermodynamiques du CO2 impliquent un cycle frigorifique trans-critique à basses performances énergétiques pour une température de puits supérieure à 31°C. La haute pression peut être optimisée afin de maximiser le COP du système. L'analyse exergétique du cycle montre que les principales pertes de performances proviennent de la détente isenthalpique et de la compression. Le cycle de réfrigération à éjecteur diphasique (équivalent au cycle de réfrigération à deux étages de compression à injection totale avec détente isentropique) se présente comme une solution qui réduit ces pertes. Un modèle 1D a été élaboré pour caractériser le fonctionnement de l'éjecteur et dimensionner des éjecteurs afin de les tester sur un banc d'essais. Des essais comparatifs ont été menés sur des cycles de réfrigération à CO2 avec et sans éjecteur. Les principaux résultats des essais sont : - quatre stratégies de contrôle expérimentalement vérifiées pour réguler la haute pression et la température d'évaporation via le détendeur électronique et la vanne de contrôle externe du compresseur, - la validation du modèle de la tuyère convergente - la validation du modèle 1D en testant 18 éjecteurs différents. Le modèle 1D développé a montré que l'éjecteur améliore jusqu'à 12% les performances énergétiques du cycle au CO2. Les buses développées peuvent être couplées à une roue pour constituer une turbine à impulsion, organe de détente isentropique. Il serait intéressant d'utiliser l'éjecteur dans une boucle de climatisation à air pour évaluer ses performances. Dans le cadre de pompes à chaleur utilisées pour produire de l'eau chaude sanitaire à 60°C, l'éjecteur diphasique permet une amélioration des performances de l'ordre de 10 % comparativement au cycle classique au CO2.

La réduction de charge de fluides frigorigènes dans les systèmes de production de froid est un enjeu important s'inscrivant dans les politiques environnementales sur la contribution de ces fluides à l'effet de serre. Une des voies menant à la réduction de charge est l'augmentation de la compacité des échangeurs de chaleur, conduisant inévitablement à la conception d'évaporateurs plus complexes. Néanmoins, si de nombreuses études ont été publiées sur l'analyse thermo-hydraulique de l'ébullition convective de frigorigènes dans les tubes horizontaux, très peu ont été menées sur des écoulements diphasiques dans des géométries non conventionnelles. Cette thèse vise à étudier les caractéristiques des écoulements diphasiques avec changement de phase des frigorigènes de troisième (HFC) et de quatrième génération tels que le HFO-1234yf dans des singularités (coudes de retour, contractions). Ainsi, un banc d'essais expérimental a été spécifiquement conçu et construit pour mener des expériences sur l'ebullition convective. Ce banc d'essais a permis de visualiser les régimes d'écoulement et de mesurer les chutes de pression dans les singularités. Des visualisations de régimes d'écoulement ont été réalisées pour les frigorigènes HFO-1234yf, R-134a et R-410A dans des tubes droits et dans des singularités. Les résultats ont été confrontés avec diverses méthodes de prédiction de la litérature. Les perturbations sur l'écoulement causées par ces singularités et leurs effets sur le comportement hydrodynamique des fluides frigorigènes ont également été etudiés. Une serie d'éxperience a été menée pour déterminer le longueur de perturbation en amont et en aval des singularités. Finalement, les valeurs expérimentales des chutes de pression ont été confrontées à différentes corrélations de la littérature. Des nouvelles méthodes de prédiction de la chute de pression pour des écoulements diphasiques dans des singularités sont présentées. / The refrigerant charge reduction in HVAC\R systems is an important issue because it falls within environmental policies regarding refrigerants contributions to the greenhouse effect. A way to move toward charge reduction is to increase the compactness of heat exchangers, which means more complex designs of the evaporators. Nevertheless, while a large amount of studies have has been published on the thermal and hydraulic analysis of flow boiling of refrigerants in horizontal tubes, very little attention has been given to flow boiling in geometries different from straight tubes. This PhD thesis aims at studying the flow boiling characteristics of third generation (HFC) and fourth generation fluids such as HFO-1234yf in geometries which modify the fluid dynamics and two-phase flow with respect to horizontal straight tubes. To achieve this goal, an experimental test facility was specifically designed and built to conduct refrigerant evaporation experiments. This test facility allowed to perform flow regimes visualizations and pressure drop measurements in singularities (such as sudden contractions and return bends). First, two-phase flow regimes visualizations have been carried out using HFO-1234yf, R-134a and R-410A either in straight tubes or in singularities. A qualitative analysis of the flow behavior and also several comparisons to flow pattern prediction methods from the literature were conducted. The second objective of this work was to characterize the flow disturbances caused by singularities such as sudden contractions and return bends, and to study their effects on the hydrodynamic performance (e.g. pressure drop) of refrigerants.Lastly, pressure drop databases for third and fourth generation refrigerants are presented.

Les nouveaux bâtiments sont sujets à un renforcement de l'isolation thermique, à une augmentation des surfaces vitrées et à un accroissement des apports internes dus à des appareils électriques de plus en plus nombreux (ordinateurs, électroménager...). Cette tendance conduit à une diminution des demandes de chauffage mais peut engendrer des demandes de rafraîchissement en mi-saison et en période estivale. Les besoins en chauffage et en rafraîchissement deviennent plus équilibrés sur une journée et sur l'année en général. De plus, l'eau chaude sanitaire (ECS) occupe une place de moins en moins négligeable dans les besoins énergétiques totaux, ce qui provoque une simultanéité partielle des besoins en chaud et en froid dès que des demandes de rafraîchissement apparaissent. Une thermofrigopompe (TFP), machine frigorifique produisant de l'énergie calorifique et frigorifique de manière simultanée, associée à un stockage tampon d'énergie devient alors une solution intéressante. La TFP de petite à moyenne puissance est un système de production d'eau chaude et d'eau froide utilisant l'air comme source gratuite, destiné au chauffage, au rafraîchissement et à la production d'ECS pour des bâtiments du secteur résidentiel et du petit tertiaire. Elle présente plusieurs spécificités techniques dans la conception du circuit frigorifique, dans la gestion des modes de fonctionnement et des séquences de dégivrage. L'ajustement des productions de chaud et de froid aux charges du bâtiment s'effectue grâce à l'utilisation d'un échangeur d'équilibrage sur air extérieur fonctionnant soit en condenseur, soit en évaporateur. En période de chauffage, cette TFP offre également la possibilité de stocker une certaine quantité d'énergie sur la boucle d'eau froide à l'aide d'un sousrefroidisseur. Cette énergie stockée est utilisée en temps différé à l'évaporateur à eau afin d'améliorer les performances par un relèvement de la température d'évaporation et éventuellement de dégivrer l'évaporateur à air sans arrêter la production de chaleur. L'énergie de dégivrage est apportée par un thermosiphon diphasique formé entre les deux évaporateurs à des températures différentes. La présence d'un sous-refroidisseur impose le contrôle de la haute pression pour assurer une condensation totale du réfrigérant dans le condenseur utile. Le système de contrôle de pression est constitué d'une bouteille contenant du réfrigérant à l'équilibre liquide / vapeur connectée en partie basse à la ligne liquide et en partie haute au refoulement du compresseur et à un point en basse pression du circuit. Une injection de gaz provenant du refoulement du compresseur entraîne une augmentation de la haute pression. Une chasse vers la basse pression provoque une diminution de la haute pression du système. Une étude expérimentale a été menée sur une machine prototype de TFP au R407C pour des conditions variables de fonctionnement en températures d'air et d'eau et pour les différents modes possibles (chauffage, rafraîchissement et production simultanée). Les performances obtenues expérimentalement sont en accord avec celles annoncées par le logiciel de sélection développé par le constructeur du compresseur. L'étude expérimentale a également permis d'observer le dégivrage par thermosiphon, de vérifier le bon fonctionnement du système de gestion de la pression de condensation et des séquences alternées en période hivernale (1 : mode chauffage avec stockage de chaleur sur la boucle d'eau froide par sous-refroidissement. 2 : mode équilibré utilisant une évaporation par l'énergie stockée sur la boucle d'eau froide, plus performant, avec dégivrage éventuel). Le fonctionnement de la TFP a été modélisé avec deux réfrigérants : le HFC R407C et le CO2. Dans le contexte actuel animé par d'éventuelles décisions politiques concernant l'impact des gaz à effet de serre sur le réchauffement climatique, le dioxyde de carbone est un fluide intéressant d'abord pour son faible impact environnemental (ODP nul et GWP100ans = 1) et pour les caractéristiques particulières du cycle thermodynamique utilisé (cycle transcritique). En effet, une grande quantité d'énergie est récupérable par sous-refroidissement du fluide frigorigène et de l'ECS à haute température peut être produite de manière performante. Dans des simulations annuelles, les TFP au R407C et au CO2 sont comparées à des pompes à chaleur réversibles sur les critères de performance, d'économie d'énergie et d'impact environnemental. Le concept de cette TFP offre clairement une amélioration des performances par rapport à une pompe à chaleur réversible classique et l'utilisation du dioxyde de carbone présente de bonnes perspectives de développement.

La logistique urbaine, et celle du dernier kilomètre notamment, est un sujet de préoccupation majeure pour les villes d’aujourd’hui. Pour répondre à cette préoccupation, nous avons établi dans le chapitre introductif un historique de la problématique de la logistique urbaine pour mieux comprendre son développement au fil des années, permettant ainsi de déduire qu’il est fondamental d’étudier la globalité de la chaîne de distribution dans ce travail de thèse pour mieux résoudre la problématique de la logistique urbaine. En revanche, nous étions confrontés à un sujet redoutable par sa complexité et l’absence de données complètes et fiables. De plus, nous assistons dans les dernières années, à une multiplication des schémas logistiques que ce soit pour la livraison des magasins à partir des entrepôts des fournisseurs ou pour l’approvisionnement des clients à partir des surfaces de vente.De ce fait, nous avons fixé comme objectif d’identifier toutes les organisations logistiques existantes et émergentes en France et ailleurs (deux séjours d’un an en Angleterre et en Suisse). Pour ce faire, nous avons déterminé dans le deuxième chapitre les paramètres de différenciation des modes d’organisation en amont (de l’entrepôt du fournisseur à la surface de vente) et en aval de la chaîne (de la surface de vente au domicile du client). Or il n’existe pas aujourd’hui de bilan économique et environnemental complet permettant d’arbitrer entre différentes formes de distribution classiques et à distance en tenant compte des particularités des familles des produits (non alimentaires, secs, frais, surgelés) et de la diversité de leurs modes de livraison.Face à ces contraintes de taille, nous avons eu recours aux enquêtes de terrain dans ce travail de recherche, qui ont été l’occasion de nouer de très nombreux contacts avec les acteurs de la grande distribution, permettant ainsi de recueillir des données techniques et économiques de première main et inédites jusqu’ici. En plus de la résolution du verrou empirique dans le troisième chapitre, ce travail de thèse a permis également de lever des verrous méthodologiques relatifs à la reconstitution et à l’évaluation des coûts et des émissions logistiques (pour les entrepôts de stockage et les plateformes de transit en amont ; et pour les surfaces de vente et les plateforme de mutualisation en aval) et des coûts et des émissions des véhicules de transport (des articulés et des porteurs en amont ; et des VUL, voitures particulières, transports publics, deux roues, et marche à pied en aval). Enfin, ce travail de thèse a permis d’aboutir à la construction d’une base de données et la mise au point d’un outil d’aide à la décision permettant ainsi de déduire, dans le quatrième chapitre, les bilans économique et environnemental de la globalité de la chaîne depuis l’entrepôt du fournisseur jusqu’au domicile du ménage. Cet outil devrait se révéler très utile pour les politiques publiques, les stratégies futures des grands distributeurs et leurs prestataires logistiques afin de privilégier les modes d’organisation économes et durables, et même pour le client final afin d’estimer les coûts et les émissions de ses actes d’achat dans les différentes alternatives de vente classique et à distance. / Urban logistics and the last mile in particular, is a major concern for cities today. To address this concern, we have established in the introductory chapter a history of the problem of urban logistics. This allows a better understanding of its development over the years, and deducing that it’s essential to study the supply chain in its entirety to better solve the problem of urban logistics. However, we were faced with a daunting task: the lack of comprehensive and reliable data. In addition, there has been a multiplication of distribution channels in recent years. This includes the delivery from warehouses to stores and further to households from the retail space.Therefore, we intended to identify all existing and emerging logistics organizations in France and beyond (one year exchange stay in England and Switzerland for research purposes). To do this, we established in the second chapter certain parameters that differentiate the logistics modes of various organizations upstream (from manufacturers to retail stores) and downstream (from retail stores to households). Unfortunately, there does not exist any economic and environmental assessment to settle between different forms of traditional and modern electronic distribution, by taking into account the various characteristics of different products families (non-food, dry, fresh, frozen) and the diversity of their delivery modes.Faced with constraints of such size, we conducted surveys with different actors of distribution channels, which provided the opportunity to make contacts, thus collect firsthand and so far unpublished technical and economic data. In addition to the resolution of empirical inadequacy in the third chapter, this research also helped to develop a methodological approach related to the reconstruction and evaluation of logistics costs and emissions (in warehouses, transit platforms, retail stores and shared platforms) and also the costs and emissions of vehicles (trucks, delivery van, cars, public transport, bikes, motorbikes and walking).Finally, this research has lead to the construction of a database and the development of a decision support tool to infer, in the fourth chapter, the economic and environmental appraisal of the entire supply chain from the supplier's warehouse to the final customer. This tool can be useful for public policy, future strategies of retailers and Third-Party Logistics providers to focus on efficient and sustainable modes of organization, and even it will benefit the customer to estimate the costs and emissions of its acts of purchase in classic and e-grocery shopping.