Optimisation des performances d'une pompe à chaleur à CO2 à entraînement thermique pour le chauffage domestique, basée sur la modélisation et le contrôle

Le gaz naturel demeure la principale source de chauffage dans le monde, couvrant environ 40,% de la demande en 2022 selon l’AIE. Les chaudières à gaz conventionnelles restent dominantes malgré leur impact environnemental. Une alternative prometteuse est la pompe à chaleur à compresseur thermique (TCHP), qui utilise également le gaz naturel mais pour entraîner un compresseur thermique (TC) capable de récupérer de la chaleur externe, offrant ainsi une efficacité énergétique supérieure. La TCHP est un cycle à trois étages utilisant du CO2 supercritique. Sa complexité, liée aux multiples composants, aux fortes non-linéarités et à la sensibilité du TC, rend son contrôle difficile et nécessite des stratégies avancées. L’objectif de cette thèse est de développer une stratégie de contrôle innovante afin d’améliorer les performances globales de la TCHP, à travers simulations et validations expérimentales. La première partie porte sur le TC, avec une étude bibliographique, une campagne expérimentale et le développement de modèles empiriques et physiques (volumes finis) permettant d’analyser ses performances et ses pertes exergétiques. La deuxième partie s’intéresse au système TCHP complet. Après une revue des cycles transcritiques au CO2, un modèle dynamique en volumes finis est proposé et validé expérimentalement. Des modèles réduits de type réseaux de neurones récurrents (RNN) sont ensuite identifiés et intégrés dans une nouvelle stratégie de contrôle prédictif par modèle (MPC) pour une commande optimale du cycle. En résumé, cette thèse propose des outils de modélisation multi-échelles validés expérimentalement et une stratégie MPC innovante pour la TCHP, ouvrant la voie à son développement comme alternative durable aux chaudières à gaz.