Les pompes à chaleur thermoélectriques (PACTE) présentent différents avantages par rapport aux pompes à chaleur thermodynamiques classiques. Plus particulièrement, les performances des PACTE sont intéressantes lorsque les écarts de température entre sources sont modestes, ce qui est par exemple le cas du chauffage aéraulique des bâtiments basse consommation (BBC) à partir d'une Ventilation Mécanique Double Flux (VMC DF). L'objectif de l'étude est donc de développer un démonstrateur de pompe à chaleur thermoélectrique réversible capable d'assurer la puissance de chauffage/refroidissement nécessaire à un logement de type BBC. Ce travail repose sur différents modèles analytiques et numériques validés expérimentalement. Cette étude vise à concevoir un système de pompe à chaleur thermoélectrique performant, l'objectif étant l'amélioration du coefficient de performance (COP) de la PACTE. Les transferts de chaleur à la surface des éléments thermoélectriques sont intensifiés par la technique du jet impactant, et le dimensionnement du système est optimisé en fonction des conditions d'utilisation. Avec le démonstrateur de résultats précédents de la PACTE, le COP saisonnier a été déterminé. Après couplage au bâtiment, cela a permis de montrer une nette amélioration des performances du système. / As house heating tends to be more efficient, Thermoelectric Heat Pump (THP) is an interesting alternative to classic thermodynamic system (with mechanical vapor compression system). In particular, THP becomes favorable as soon as the sources temperature difference is small, which is the case in energy efficient buildings with an exhaust/supply mechanical ventilation system (ESMVS). The objective of the study is to develop a reversible THP prototype capable of supplying the heating / cooling power needed in an energy efficient building. This work is based on different analytical and numerical models validated experimentally. This study aims to develop an efficient thermoelectric heat pump system and to improve its coefficient of performance (COP) by increasing heat transfer on the surface of the thermoelectric elements with impinging jet, and optimizing the THP by dimensioning the system based on operating conditions. With the results obtained with the THP prototype, the seasonal COP is determined. After coupling the THP system to the building, we show an improvement in system performance.

Le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire (ECS) constituent plus de 80 % de la consommation énergétique du secteur résidentiel en France. Le parc de la réhabilitation présente un très grand potentiel. Le remplacement des chaudières anciennes par des pompes à chaleur air/eau constitue un des moyens les plus efficaces pour la réduction des émissions des gaz à effet de serre. Les contraintes limitant le fonctionnement des PAC usuelles ont été identifiées. Un nouveau concept de PAC air/eau versatile (mono-étagée / bi-étagée) a été développé. Les fonctions principales de ce nouveau concept sont : le chauffage et le rafraîchissement, le fonctionnement sans appoint électrique, la production d'ECS en été et en hiver et le contrôle de la puissance par modification de l'architecture de compression. Les principaux résultats obtenus sont : Comparé à une PAC usuelle, le nouveau concept a permis des économies d'énergie s'élevant à 34,5 % et une réduction des émissions de CO2 jusqu'à 24 % en fonction du climat extérieur et du type d'émetteur de chaleur installé. Avec la hausse des prix du gaz et du fioul, le nouveau concept peut concurrencer en coût total les solutions de chauffage traditionnelles avec des chaudières performantes. Les émissions de CO2 sont réduites d'au moins un facteur de 4 comparativement à une chaudière au fioul ou au gaz. Des voies d'améliorations concernant une meilleure optimisation des cycles de givrage et dégivrage et de la production d'ECS en mode combiné avec le chauffage ainsi que le remplacement des compresseurs par d'autres plus performants sont possibles afin d'augmenter encore le COP saisonnier.

Les constructeurs se préoccupent de plus en plus du bruit généré par leurs produits, que ce soit dans le domaine de l’automobile, de l’aéronautique ou récemment de l’électroménager, à cause des réglementations beaucoup plus strictes en termes de niveau sonore. Mais au-delà du bruit, la demande des utilisateurs ou de la population, concerne encore davantage la qualité sonore.Dans l’équipement électroménager, la chaudière hybride innovante développée par e.l.m. leblanc est un produit très intéressant sur le plan énergétique, puisqu’à la chaudière à gaz à condensation est associée une pompe à chaleur dans un encombrement réduit. Cette dernière a un coefficient de performance de 3,7 (3,7 kW/h fourni pour une consommation d’1kW/h électrique), elle permet ainsi une grande économie sur la facture de l’utilisateur.Cependant, son niveau sonore élevé empêche son installation dans des pièces de vie, comme la cuisine, limitant ainsi la conquête d’un plus vaste marché. Il faudrait que son bruit soit environ 40 fois moins fort pour répondre au niveau réglementaire. La conception d’une nouvelle génération de chaudière hybride a été l’occasion de lancer cette étude visant non seulement à réduire le niveau sonore, mais également à sculpter le son, afin de le rendre moins gênant.Une nouvelle approche, appelée Acoustique Prévisionnelle des SYstèmes Dynamiques (APSYD), a été utilisée et a servi de fil conducteur à notre étude. Elle permet de prendre en compte les critères acoustiques, vibratoires et également ceux de la qualité sonore, très en amont dans la conception d’un produit, ce qui évite de coûteuses modifications, ou même le rejet du produit fini, s’il est jugé trop bruyant.Dans ce travail de thèse, des mesures acoustiques et vibratoires sur les chaudières hybrides existantes ont été réalisées et analysées pour identifier les modifications optimales susceptibles de diminuer le bruit. Des solutions ont été proposées et leurs effets ont été évalués par des mesures. Le niveau sonore réglementaire a été atteint avec les dispositions que nous avons proposées.Pour intégrer la composante qualité sonore dans la conception, des tests d’écoute ont été réalisés pour identifier la cible sonore de la nouvelle chaudière hybride. Des analyses statistiques (ACP, AFC, ANOVA) ont permis de faire ressortir les paramètres qui interviennent, parfois de manière très fine, sur le ressenti sonore. Nous avons également testé l’effet de l’insertion d’une sonorité musicale et nous avons trouvé une corrélation entre l’agrément du bruit de l’appareil et ce paramètre.Ce constat a orienté la thèse vers le développement d’une méthode originale permettant de définir les paramètres physiques d’un ventilateur pour qu’il génère une sonorité musicale donnée. Pour cela, nous avons proposé une nouvelle démarche semi-expérimentale permettant de prédire le spectre de raies d’une roue, et employé un algorithme d’optimisation, afin de rechercher les paramètres géométriques optimaux de la roue. Elle a été validée sur deux bancs d’expérimentation. Cette nouvelle méthode permet de sculpter le son tonal d’un ventilateur, d’une turbomachine, ou plus largement d’une machine tournante. / Manufacturers increasingly care about noise made by their products, whether it is in car, in aeronautics, or recently in home appliances industry, because of much more restricting regulations regarding noise level. But beyond noise, users and population’s demand concerns more about sound quality.Among domestic equipment, the innovate hybrid boiler developed by e.l.m. leblanc is an interesting product energetically speaking as the condensing gas boiler is combined with a heat pump in a limited space. The performance coefficient of the heat pump is 3.7 (3.7 kW/h provided for an electric consumption of 1 kW/h), resulting in large savings on users’ bills.However, its high noise level prevents its installation in living spaces, such as kitchen, restricting the conquest of a larger market. His noise should be 40 times lower to meet regulatory level. The design of a new generation of hybrid boiler has been the opportunity to start this study aiming not only to reduce noise level, but also to carve sound in order to make it less annoying.A new approach, called Projected Acoustics of Dynamic Systems (PADS), has been used and has acted as a thread for our study. It takes into account acoustic, vibrating criteria and also those from sound quality well upstream from product design stage, thus avoiding expensive modifications or even rejection of the finished product if the latter is considered noisy.Acoustic and vibration measurements have been carried out on existing hybrid boilers and they have been analyzed in order to identify optimal modifications that may reduce noise. Solutions have been suggested and their effects have been evaluated by measurements. The regulatory noise level is reached with suggested measures.To integrate sound quality component into design, listening tests have been carried out to identify the sound target of the new hybrid boiler. Statistical analysis (PCA, FCA, Variance Analysis) brought out parameters impacting on noise perception, sometimes very subtly. We have tested the effect of the integration of musical tone and a correlation between noise pleasantness and this parameter was observed.This observation has concentrated this thesis on the development of an original method that can define the physical parameters of a fan so it makes a given musical tone. To do so, we have suggested a new semi-experimental approach that can predict line spectrum of a fan and we have used an optimization algorithm in order to find the optimum geometrical parameters. This new method has been validated with two test benches. It can be used to curve tonal noise of a fan, a turbomachine, or more generally a rotating machine.

L’innovation technologique dans les filières énergétiques est une manière pertinente de réaliser des économies d’énergie et de répondre aux préoccupations environnementales. Le chauffage représente la principale consommation d’énergie dans le secteur de l’habitat en France et contribue fortement aux rejets de gaz à effet de serre. Un nouveau conceptde compresseur thermique a été développé par la société boostHEAT. Il est destiné à remplacer le compresseur mécanique conventionnel d’un système de pompe à chaleur au CO2 pour former un système “tritherme”. Ce compresseur thermique est constitué d’un cylindre muni d’un piston déplaceur, d’un échangeur réchauffeur, d’un régénérateur etd’un échangeur refroidisseur. Le réchauffeur est connecté à la partie chaude du cylindre d’une part, et au régénérateur, d’autre part. Le refroidisseur est connecté au régénérateur d’une part, et à la partie froide du cylindre d’autre part. Cette dernière est connectée à la branche basse pression (évaporateur) de la pompe à chaleur par un clapet d’admission, età la branche haute pression de la pompe à chaleur (échangeur haute pression) par l’intermédiaire d’un clapet de refoulement. Après avoir exposé le principe de fonctionnement du compresseur thermique, la conception de ses principaux composants et le banc d’essai expérimental, nous présentons un modèle détaillé permettant de décrire le fonctionnementdu compresseur thermique et d’étudier l’influence de différents paramètres sur ses performances énergétiques. Le modèle développé est validé par comparaison avec les résultats de l’expérience. Enfin, le cycle de pompe à chaleur au CO2 supercritique, muni de deux étages du compresseur thermique, est étudié et optimisé. / Technological innovation in energy systems is a good way to improve energy efficiencies and respond to environmental preoccupations. Heating accounts for the primary energy consumption in the housing sector and contributes significantly to emissions of greenhouse gas. A new concept of thermal compressor was developed by the boostHEAT company. It is intended to replace the conventional mechanical compressor of a CO2 heat pump system to form a "trithermal" system.This compressor is made up of a cylinder with a displacer piston, a heater, a regenerator and a cooler. The heater is connected to the hot part of the cylinder on the one hand and to the regenerator on the other hand. The cooler is connected to the regenerator on the one hand and to the cold part of the cylinder on the other hand. The cold part of the cylinder is connected to the low pressure branch of the heat pump (evaporator) through an automatic inlet valve, and to the high pressure branch of the heat pump (gas cooler) through an automatic exhaust valve. After explaining the operating principle of the thermal compressor, the design of its main components and the experimental test bench, we present a detailed model for describing the operation of the thermal compressor. This model allows the study of the influence of several parameters on the energy performance of the thermal compressor. The model is then validated by comparison with experimental results. Finally, the supercritical CO2 heat pump cycle with two stages of thermal compressor is studied and optimized.

La variation de puissance pour les systèmes de chauffage par pompe à chaleur pour le secteur résidentiel constituent un des moyens d'amélioration des performances énergétiques saisonnières par rapport aux moyens de chauffage existants. La technologie bi compresseurs a été identifiée comme étant à la fois énergétiquement efficace, et disponible pour les ensembliers européens. Les quatre résultats majeurs obtenus sont : - La mis en évidence par une série d'essais à charge partielle, des pertes en cyclage en mode chauffage et rafraîchissement des systèmes air/eau mono compresseur existant. La consommation de veille de la PAC constitue le seul élément qui contribue efficacement aux pertes énergétiques à charge partielle. - La quantification des gains énergétiques par l'adaptation de la technologie bi compresseurs sur une machine de référence, a été réalisée sur une PAC prototype qui a été développée au cours de ces travaux. - Un modèle dynamique de calcul de COP saisonnier a été développé. - L'optimisation d'une part du fonctionnement des compresseurs et d'autre part du dégivrage a permis un accroissement du COP saisonnier de 14,7% à 18,6% en fonction du climat extérieur Pour cette étude, des travaux de conception, d'expérimentation puis de modélisation ont été réalisés. La conception d'une PAC équipée de deux compresseurs a nécessité le développement d'un nouveau moyen d'essai à charge partielle. Les nombreux essais exploratoires et normalisés ont permis de caractériser une PAC existante ainsi, qu'une PAC bi compresseurs quelque soit le mode de fonctionnement et le climat extérieur. Le modèle dynamique développé, a permis l'optimisation énergétique du système grâce à une meilleure gestion du dégivrage, et à une régulation adéquate des compresseurs. Des voies d'amélioration concernant le dimensionnement des compresseurs ainsi que la gestion des débits au niveau des échangeurs sont possibles afin d'augmenter encore les COP saisonniers.

Les travaux présentés dans cette thèse concernent un nouveau procédé de stockage d'électricité à échelle industrielle, sous forme de stockage de chaleur sensible. La chaleur est stockée dans deux échangeurs gaz-solide de grande taille appelés régénérateurs qui sont reliés à une paire de turbomachines (compresseur et turbine) formant ainsi un cycle thermodynamique. Selon le sens d'écoulement du fluide caloporteur, ce cycle est de type " pompe à chaleur " en stockage ou " moteur thermique " en déstockage. La modélisation complète du procédé a permis de caractériser son comportement dans un cas industriel, et de mettre en évidence les tendances principales du système. Les performances prévues se rapprochent de celles des installations existantes les plus adaptées au stockage massif d'électricité, telles que le stockage hydraulique gravitaire. Une étude CFD a permis l'optimisation d'une géométrie de canal à obstacles destinée à intensifier l'échange thermique dans les régénérateurs et qui sera testée expérimentalement à la suite de cette thèse. Les préparatifs de cette expérience sont abordés et ses objectifs sont explicités.

Le déploiement des pompes à chaleur géothermiques sur le territoire national représente un important potentiel de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Afin de le favoriser il est nécessaire de comparer précisément les performances annuelles des pompes à chaleur géothermiques aux autres systèmes de chauffage et ce en fonction des caractéristiques du bâtiment, du climat et du sol rencontrés. Dans ce contexte, cette thèse vise à élaborer un modèle précis et fonctionnel de calcul des performances énergétiques annuelles de pompes à chaleur à échangeurs géothermiques horizontaux ou verticaux.<br/>Après un état de l'art des différents modèles d'échangeurs géothermiques horizontaux et verticaux existants, des modèles de sondes verticales utilisables pour des simulations dynamiques sont identifiés et leurs domaines de validité sont précisés. Un modèle d'échangeur horizontal semi-analytique décliné en deux versions adaptées respectivement à des courtes et longues durées de sollicitations thermiques est ensuite développé. Un dispositif expérimental est alors mis au point bénéficiant d'une technique novatrice de mesure répartie de température du sol par fibre optique. Un essai de validation du modèle d'échangeur horizontal est ainsi réalisé et permet de confirmer la pertinence de ce dernier. Enfin une méthode de calcul du coefficient de performance annuel est développée pour une pompe à chaleur à échangeur horizontal ou vertical. L'application de cette méthode à un bâtiment type dans un climat orléanais permet d'éprouver la méthode avec de premiers résultats prometteurs.

Les pompes à chaleur disposant d'une source froide sur l'air extérieur sont moins performantes les jours de grand froid, là où les besoins de chauffage sont les plus élevés. Le déclenchement d'une énergie d'appoint d'origine électrique est souvent nécessaire pour couvrir l'ensemble des besoins de chauffage, ce qui réduit les performances globales de l'installation. De plus, des cycles de dégivrage sont nécessaires sur certaines plages de températures afin d'éliminer la formation de givre sur l'échangeur extérieur, contribuant à réduire les performances du système. Ces comportements ont des conséquences sur la gestion de l'électricité, où les pics de demande coïncident généralement avec les températures extérieures les plus froides. Ces constats sont le point de départ d'une réflexion visant à améliorer les performances des pompes à chaleur et à contribuer à la limitation des pointes de demande en électricité, en couplant la source froide de la pompe à chaleur avec des sources d'air tempérées intégrées au bâtiment. Certains dispositifs intégrés aux maisons individuelles peuvent contribuer à augmenter la température de la source froide des pompes à chaleur, comme par exemple un comble perdu ou une véranda, ou encore un vide sanitaire ou un échangeur air-sol. D'autres sources peuvent également être envisagées comme l'air vicié d'un système de ventilation, ou des capteurs solaires hybrides à air. L'utilisation de ces sources peut permettre à la pompe à chaleur de fonctionner à des températures plus favorables, permettant de réduire sa consommation, d'améliorer ses performances saisonnières, et de fournir une chaleur à plus haute température mieux adaptée aux besoins plus élevés des bâtiments existants. Une approche globale par modélisation est utilisée dans le cadre de cette thèse afin d'apporter des éléments de réponse aux possibilités de récupération de chaleur par voie thermodynamique. Ce rapport présente en détail l'ensemble des modèles utilisés, concernant les sources utilisables et les pompes à chaleur. Différentes configurations de couplage sont ensuite étudiées sur une maison type, et pour différents climats.

Les pompes à chaleur thermoélectriques (PACTE) présentent différents avantages par rapport aux pompes à chaleur thermodynamiques classiques. Plus particulièrement, les performances des PACTE sont intéressantes lorsque les écarts de température entre sources sont modestes, ce qui est par exemple le cas du chauffage aéraulique des bâtiments basse consommation (BBC) à partir d'une Ventilation Mécanique Double Flux (VMC DF). L'objectif de l'étude est donc de développer un démonstrateur de pompe à chaleur thermoélectrique réversible capable d'assurer la puissance de chauffage/refroidissement nécessaire à un logement de type BBC. Ce travail repose sur différents modèles analytiques et numériques validés expérimentalement. Cette étude vise à concevoir un système de pompe à chaleur thermoélectrique performant, l'objectif étant l'amélioration du coefficient de performance (COP) de la PACTE. Les transferts de chaleur à la surface des éléments thermoélectriques sont intensifiés par la technique du jet impactant, et le dimensionnement du système est optimisé en fonction des conditions d'utilisation. Avec le démonstrateur de résultats précédents de la PACTE, le COP saisonnier a été déterminé. Après couplage au bâtiment, cela a permis de montrer une nette amélioration des performances du système.

Les contextes énergétique et environnemental actuels rendent nécessaire la réduction de la consommation en énergie primaire des secteurs énergivores tels que le secteur du bâtiment. Pour y parvenir, plusieurs études se sont penchées sur la réduction des besoins de chauffage et de climatisation. Mais un autre potentiel d'amélioration réside dans l'étude de la qualité de l'énergie employée pour répondre à ces besoins. En effet, le contenu exergétique des besoins du bâtiment étant faible, il est possible de réduire le contenu exergétique de l'énergie consommée par les systèmes assurant ces besoins. Cette réduction permet de baisser la consommation en énergie primaire.Dans cette optique, une étude des interactions thermiques possibles entre un capteur PV et une pompe à chaleur a été menée. Elle vise la valorisation de l'énergie thermique à faible contenu exergétique dissipée par les panneaux photovoltaïques. Des modèles aérothermique coté PV et semi-physique du système thermodynamique de la pompe à chaleur on été développés. Cette modélisation a permis la conception d'un système global composé d'un capteur PV-T hybride, d'une pompe à chaleur et d'un ballon de stockage. Son interaction est gérée en dynamique avec un modèle de bâtiment basse consommation via un outil de simulation thermique du bâtiment. Une étude énergétique et exergétique a permis d'évaluer le potentiel de ce système en le comparant avec des systèmes classiques. Un banc d'essai dédié à la validation du modèle de la pompe à chaleur a été réalisé. Une maison basse consommation a été construite. Le système conçu y a été installé et instrumentalisé. Les données recueillies ont permis une validation expérimentale du modèle global.