Contrôle d`une chambre climatique par pompe à chaleur

1 News aus der Wärmepumpenforschung
17. Wärmepumpentagung vom 29. Juni 2011
BFE-Forschungsprogramm «Wärmepumpen, Wärme-Kraft-Kopplung, Kälte»
M. Jérémy Dupuy
Ingénieur thermicien
Bernard Matthey Ingénieurs-Conseils SA
La Grande-Fin 19
CH-2037 Montezillon
[email protected]
www.masai-conseils.com
Contrôle d'une chambre climatique par
pompe à chaleur
Zusammenfassung deutsch (maximal 1200 Zeichen inkl. Leerzeichen)
Der Vortrag präsentiert die Funktion, die Leistung und die Kosten einer
Klimakammer, die mit einer Wärmepumpe ausgerüstet ist. Es wird gezeigt, dass
eine Wärmepumpe kostengünstig die für den Betrieb der Klimakammer benötigte
Wärme und Kälte bereitstellen kann und dass die Energieeinsparung beachtlich ist.
Die Klimakammer wurde zum Testen des elektrischen Widerstandes von
hochpräzisen elektronischen Bauteilen erbaut und muss auch schnelle
Klimaschocks mit einem vorbestimmten Temperaturprofil bewirken können. Die
erreichbare Temperaturspanne der Wärmepumpe ist beschränkt. Das beschriebene
Modell arbeitet auf einen Wärmespeicher mit mehr als 60 °C und gleichzeitig auf
einen Kältespeicher mit – 8°C und kann so Kammertemperaturen zwischen 5 und
50 °C erreichen.
Die präsentierte Wärmepumpe ist ein Prototyp, der noch verbessert werden könnte,
die reale Energiebilanz muss noch präzisiert werden.

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Résumé
On présente ici le principe de fonctionnement, les performances énergétiques et les
coûts d’une chambre climatique alimentée par une pompe à chaleur. On démontre
qu’il est possible de mettre en œuvre, pour un coût raisonnable, une pompe à
chaleur pour ce type d’application et que le bénéfice énergétique est remarquable.
La fonction de la chambre climatique développée est de tester la résistance de
matériel électronique destiné à l’industrie de haute précision à des chocs thermiques
rapides dont les cycles sont définis. La pompe à chaleur est bien évidemment
limitée en terme de température ce qui en restreint le champ d’application. Le
modèle décrit permet de chauffer un accumulateur d’eau à plus de 60 °C et de
refroidir simultanément à - 8°C un second accumulateur et ainsi de réaliser des
ambiances de +5 °C à + 50°C
Le projet présenté est un prototype qui pourra être amélioré et dont le bilan
énergétique réel reste à préciser.
Introduction
Les chambres climatiques conventionnelles que l’on trouve sur le marché sont
généralement chauffées par des corps de chauffe électriques et refroidies par un
groupe frigorifique, sans aucun système récupération d’énergie. La chaleur en direct
et le froid produits sont ainsi simplement évacués dans la nature. De plus les chocs
thermiques demandent d’importantes puissances électriques pour assurer les
variations rapides de température. Les modèles les plus courants de chambre
climatiques ont d’autres part des volumes utiles assez faibles, ce qui limite
fortement la capacité de test de l’installation.
Considérant les conditions cadres de test imposées par le client (passer de +5 à +50
°C en 15 minutes puis à nouveau de +50 à +5°C, cette opération pouvant être
réalisée plusieurs dizaines de fois), il a été proposé de réaliser une production de
chaleur et froid par une pompe à chaleur, via des accumulateurs alimentés par le
condenseur et l’évaporateur de la machine. Les accumulateurs permettent de stocker
de la chaleur lorsque la machine produit du froid et inversement fournissant une
réserve de puissance. De fait, lorsque la pompe à chaleur fonctionne pour produire
du froid elle stocke de la chaleur pour le cycle suivant, réduisant ainsi de manière
significative la puissance de la machine et permettant de réaliser le choc thermique
avec un coût énergétique réduit. La chaleur et le froid en excès sont affectés au
chauffage et à la climatisation du bâtiment.

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Données techniques de l’installation
Puissances et COP :
Puissance à l’évaporateur 15.0 kW - Intensité : 18.3 A
Puissance au condenseur 18.6 kW - Tension : 420 V
Puissance électrique 7.2 kW - Fusible : 45 A
COP (à 55°C/-6°C): 2.5 - Poids net : 500 kg
La machine frigorifique:
- Echangeur de condensation côté accu. chaud 55°C / 60°C
côté R134a 65°C / 130 °C
Puissance 18.6 kW
Débit condenseur 3’250 l/h
- Echangeur de sous-refroidissement été, côté eau nappe 18°C / 30°C
été, côté R134a 65 °C / 19°C
Puissance 6 kW
Débit eau refroid. 430 L/h
- Echangeur intermédiaire côté compresseur - 12°C / 14°C
côté détendeur 19°C / 5°C
Puissance 1.6 kW
- Détendeur 5°C / - 16°C
- Echangeur d’évaporation côté R134a - 16°C / 12°C
côté accu. froid - 9°C / - 6°C
Puissance 15 kW
Débit eau évapo. 5’090 l/h
- Compresseur à vitesse variable 5°C / 70°C
Accumulateurs de chaleur et froid Capacité : 950 litres / pièce
Dimensions de l’enceinte climatique
- Hauteur (ext.) 3.30 m
- Largeur (ext.) 3.90 m
- Profondeur (ext.) 4.15 m
- Volume utile 32 m
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Figure 1 : Schéma de principe interne de la pompe à chaleur avec températures de fonctionnement
La pompe à chaleur est équipée d’un sous-refroidisseur
qui augmente considérablement la puissance de
refroidissement de la machine. Le sous-refroidissement
est intégralement pris en charge par le système de
refroidissement en freecooling du bâtiment grâce à 5
puits dans la nappe phréatique.
La pompe à chaleur a été développée et fabriquée sur
mesure par l’entreprise BMS Energietechnik AG –
CH- 3812 Wilderswill.
Dans ces conditions de fonctionnement le COP moyen
est proche de 2.5.
A droite : Photo de la pompe à chaleur

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Figure 2 : Schéma de principe de l’installation
© B. Matthey SA