Méthodes de détection du givre et de dégivrage : dernières avancées

Les pompes à chaleur aérothermiques sont des appareils économes en énergie largement utilisés pour assurer le confort thermique des espaces intérieurs. Cependant, lorsque la température de la surface de l'échangeur de chaleur extérieur est inférieure à la fois au point de rosée de l'air et au point de congélation de l'eau, du givre se forme sur la surface de l'échangeur de chaleur extérieur.

 

Selon des chercheurs chinois ⁽¹⁾, la puissance de chauffage et le coefficient de performance (COP) d'une pompe à chaleur aérothermique peuvent diminuer de 30 à 60 % en cas de givrage ^{(1, 2)}. Le givrage augmente la résistance au transfert de chaleur et réduit l'efficacité thermique du serpentin, nécessitant des processus de dégivrage coûteux en énergie. La fréquence et l'impact de ces processus de dégivrage peuvent être réduits grâce au retardement du givrage ainsi qu'à l'optimisation du processus de dégivrage et de son initiation. 

 

Dans un article de synthèse présenté lors de la dernière conférence internationale sur le froid et le conditionnement d’air co-patronnée par l'IIF à Purdue⁽²⁾, des chercheurs américains présentent l'état de l'art concernant les méthodes pour retarder l'apparition du givrage, les méthodes de détection du givre et les stratégies de dégivrage, y compris le moment de l'initiation du dégivrage. 

 

Pour réduire l'impact énergétique, la formation de givre peut être retardée, par exemple en changeant le type d'ailettes, en modifiant les espaces entre les ailettes et en modifiant la mouillabilité de la surface. 

 

La première étape du dégivrage consiste à détecter l’apparition du givre et la quantité correspondante de givre qui s'est formée sur la surface de l'échangeur de chaleur. Les méthodes de détection du givre se répartissent en méthodes directes, indirectes et basées sur la prédiction. 

 

La procédure de dégivrage doit être lancée pour éliminer le givre du serpentin extérieur dès lors que l'effet du givre sur ce serpentin dépasse un certain seuil, ce qui détériore considérablement le COP de la pompe à chaleur.

 

Plusieurs méthodes de dégivrage ont été inventées, mais le dégivrage à cycle inversé et les méthodes de dégivrage par dérivation des gaz chauds sont les plus courantes. Elles ont une efficacité de dégivrage correcte et une durée courte. 

 

Certaines stratégies ont été développées pour éviter de gaspiller de l'énergie en identifiant le moment optimal pour le début du dégivrage car un démarrage précoce ou tardif réduirait l'efficacité énergétique. 

 

La méthode la plus élémentaire de régulation du dégivrage est la méthode temps-température. Cette méthode se fonde sur un programme prédéfini pour le début et la fin du dégivrage. Le processus de dégivrage démarre ou s'arrête lorsque la température de surface atteint une seuil prédéfini ou lorsque l'heure de début de dégivrage prédéfinie est atteinte. Le principal problème de cette méthode est que le processus de dégivrage peut commencer sans aucune présence de givre sur la surface de l'évaporateur. Son principal avantage est son faible coût initial et sa robustesse. 

 

Des méthodes avancées reposant sur des capteurs optiques et l'intelligence artificielle (IA) sont également explorées pour réguler le processus de givrage et de dégivrage. Dans les méthodes basées sur l'IA, les capteurs acquièrent des données opérationnelles de la pompe à chaleur qui sont ensuite utilisées par le système de régulation pour exécuter la logique apprise. La méthode du réseau neuronal convolutif peut également être utilisée pour prédire le moment optimal pour l'initiation du dégivrage en fonction des paramètres opérationnels internes. 

 

Sources :

⁽¹⁾ Liang S. M. et al, A field study on frosting suppression for air source heat pumps by adjusting operation strategies of multi-parallel compressors, Proceedings of the 25th IIR International Congress of Refrigeration, 2019  https://iifiir.org/en/fridoc/a-field-study-on-frosting-suppression-for-air-source-heat-pumps-by-35107  

⁽²⁾ Mashhadian A. et al, Review of the Effects and Mitigation of Frost with Focus on Air-source Heat Pump Applications, 2022 Purdue conference  https://iifiir.org/en/fridoc/a-review-of-the-effects-and-mitigation-of-frost-with-focus-on-146255