Le débit d’air influence le givrage et le dégivrage des pompes à chaleur pour véhicules électriques
Dans l’industrie automobile, alors que l’électrification des flottes progresse à un rythme sans précédent, les ingénieurs sont confrontés à un défi persistant : garantir un confort thermique optimal tout en préservant l’autonomie des véhicules électriques (VE) dans les climats froids. Contrairement aux moteurs thermiques qui produisent une chaleur résiduaire abondante, les VE doivent compter sur des systèmes de chauffage dédiés, dont l’efficacité énergétique est cruciale. Parmi les technologies émergentes, la pompe à chaleur s’impose comme une solution incontournable, offrant un rendement bien supérieur aux simples résistances électriques. Cependant, son point faible réside dans sa vulnérabilité au givrage de l’échangeur de chaleur extérieur, un phénomène qui peut gravement compromettre ses performances. Une étude approfondie menée par une équipe de chercheurs de l’Université de Technologie Zhongyuan, et publiée dans la revue Energy Conservation, apporte une lumière nouvelle et précise sur un paramètre souvent sous-estimé : l’impact du débit d’air du ventilateur intérieur sur la dynamique du givrage et du dégivrage.
Ce travail, piloté par Zhou Guanghui, Wang Rui, Li Haijun, Xu Qi, Cai Xia, Zhang Qingge, Yuan Tiesuo et Chu Xuejing, ne se contente pas d’observer un phénomène connu ; il quantifie avec rigueur les effets d’une variable de contrôle clé dans un système de pompe à chaleur avancé, spécifiquement conçu pour les VE. Leur dispositif expérimental repose sur une technologie de compression quasi-bistage avec injection de vapeur à pression intermédiaire, une architecture qui permet d’atteindre des rapports de compression élevés sans surchauffer excessivement le compresseur, une nécessité absolue pour un fonctionnement efficace à basse température. Pour renforcer l’aspect environnemental, le système utilise le réfrigérant R1234yf, dont le potentiel de réchauffement global est nettement inférieur à celui de son prédécesseur, le R134a.
L’objectif de l’étude était ambitieux : comprendre comment le simple ajustement du débit d’air soufflé dans l’habitacle – un paramètre que les conducteurs modifient quotidiennement sans en connaître les conséquences – influence à la fois la vitesse de formation de la couche de givre sur l’échangeur extérieur et l’efficacité du processus de dégivrage. Pour ce faire, les chercheurs ont mené leurs expériences dans un laboratoire de différence d’enthalpie, un environnement contrôlé où les variables telles que la température et l’humidité peuvent être maintenues avec une extrême précision. Les conditions de test ont été définies conformément à la norme chinoise GB/T 37123–2018, garantissant la reproductibilité et la pertinence des résultats pour l’industrie automobile. La configuration expérimentale a fixé la température extérieure à 1 °C, une humidité relative de 70 %, une vitesse du compresseur de 3 600 tr/min et une vitesse du ventilateur extérieur de 4,5 m/s. La variable principale, le débit d’air du ventilateur intérieur, a été testée à trois niveaux distincts : 60 %, 80 % et 100 % de sa capacité maximale.
Les résultats obtenus révèlent une relation complexe et dynamique entre le débit d’air intérieur et les performances du système. La première observation frappante concerne la température d’évaporation, un indicateur clé de la capacité du système à extraire de la chaleur de l’air extérieur. Lorsque le débit d’air intérieur est faible (60 %), la température d’évaporation chute de 1,05 °C à -21,03 °C au cours du cycle de givrage. En augmentant le débit à 80 %, la chute est encore plus prononcée, passant de 0,46 °C à -22,55 °C. Le scénario le plus extrême, avec un débit à 100 %, voit la température plonger de -0,26 °C à -23,55 °C. Cette tendance incontestable s’explique par les lois fondamentales de la thermodynamique. Un débit d’air plus élevé dans l’habitacle améliore considérablement le transfert de chaleur au niveau du condenseur (l’échangeur intérieur en mode chauffage). Pour maintenir l’équilibre énergétique, le système doit extraire plus de chaleur de l’environnement extérieur. Cela force l’évaporateur extérieur à fonctionner à des températures de surface de plus en plus basses, dépassant rapidement le point de congélation et accélérant ainsi la condensation de l’humidité atmosphérique en une couche de givre solide.
Cette amélioration initiale du transfert de chaleur a un prix : une dégradation plus rapide des performances dues au givrage. Les données montrent que la puissance calorifique du système diminue de 44,3 % lorsque le débit est à 60 %, passant de 2,30 kW à 1,28 kW. À 80 % de débit, la baisse est de 42,2 % (de 2,70 kW à 1,56 kW), et à 100 %, elle atteint 42,8 % (de 3,40 kW à 1,78 kW). De même, le coefficient de performance (COP), qui mesure l’efficacité énergétique globale, subit une chute significative. Il passe de 1,42 à 1,01 (-28,8 %) à 60 %, de 1,65 à 1,20 (-27,2 %) à 80 %, et de 2,01 à 1,45 (-27,8 %) à 100 %. Ces chiffres illustrent un dilemme pour les concepteurs : un débit d’air plus élevé procure un chauffage plus puissant au départ, mais il mène aussi à une saturation du système par le givre plus rapidement, réduisant la durée de fonctionnement efficace entre deux cycles de dégivrage.
Le véritable intérêt de cette étude réside dans son analyse approfondie du processus de dégivrage, une phase critique où le système cesse de chauffer l’habitacle. Les chercheurs ont utilisé la méthode du cycle inversé, qui consiste à inverser le sens de circulation du réfrigérant à l’aide d’une vanne à quatre voies. Ainsi, l’échangeur extérieur, normalement un évaporateur, devient temporairement un condenseur. Le gaz chaud et comprimé provenant du compresseur est directement envoyé vers l’échangeur givré, fondant la couche de glace par son propre apport de chaleur. Cette méthode est préférable aux résistances électriques auxiliaires car elle utilise l’énergie déjà présente dans le système, minimisant la consommation d’énergie de la batterie.
Les résultats du test de dégivrage sont particulièrement révélateurs. Un débit d’air intérieur plus élevé réduit de manière significative la durée du cycle de dégivrage. À 60 % de débit, le processus prend 272 secondes. En passant à 80 %, ce temps est réduit à 248 secondes, soit un gain de 8,82 %. À 100 % de débit, la durée chute encore à 236 secondes, une réduction impressionnante de 13,24 % par rapport au débit minimal. Cette amélioration n’est pas due au hasard. Les mesures montrent que la température moyenne de condensation pendant le dégivrage augmente également avec le débit d’air : elle passe de 14,46 °C à 60 %, à 16,26 °C à 80 %, et atteint 17,36 °C à 100 %. Cette hausse de température est la clé du succès. Un débit d’air plus élevé dans l’habitacle permet une évaporation plus efficace du réfrigérant au niveau de l’échangeur intérieur (qui agit comme un évaporateur pendant le dégivrage). Cela conduit à un compresseur mieux alimenté et à une température de gaz de refoulement plus élevée. Ce gaz plus chaud, lorsqu’il est dirigé vers l’échangeur extérieur, fournit plus d’énergie thermique, accélérant considérablement la fonte du givre.
Un autre aspect fascinant de l’étude concerne la durée du cycle de givrage lui-même. Contrairement à une intuition naïve, un débit d’air plus élevé ne prolonge pas la durée avant le givrage ; il la raccourcit. Le temps nécessaire pour atteindre un givrage complet est de 103 minutes à 60 % de débit. Ce temps diminue à 98 minutes à 80 % (-4,85 %) et à seulement 95 minutes à 100 % (-7,77 %). Cela signifie que bien qu’un débit d’air élevé accélère la dégradation des performances, il déclenche aussi plus tôt la logique de contrôle du dégivrage. Pour les constructeurs automobiles, ceci ouvre la voie à des stratégies de gestion thermique plus intelligentes. Un algorithme de contrôle pourrait, par exemple, maintenir un débit modéré lors de conditions de froid doux pour maximiser la durée de chauffage continu, puis augmenter temporairement le débit pour un chauffage intense, en sachant que cela entraînera un cycle de dégivrage plus court et plus efficace.
Les implications de cette recherche sont vastes et directement applicables à l’ingénierie des véhicules modernes. Chaque kilowattheure économisé sur le chauffage de l’habitacle se traduit directement par des kilomètres supplémentaires d’autonomie. En comprenant finement les interactions entre le débit d’air, le givrage et le dégivrage, les équipes de développement peuvent affiner les algorithmes de gestion thermique. Ces optimisations, basées sur des données empiriques solides comme celles de cette étude, peuvent être implémentées via des mises à jour logicielles, offrant une voie de moindre coût pour améliorer la performance réelle des véhicules sur le terrain.
En outre, la combinaison de la technologie de compression quasi-bistage et du réfrigérant R1234yf démontre la viabilité des pompes à chaleur pour les marchés à climat rigoureux, tels que le nord de l’Europe, le Canada ou les régions montagneuses. Cela permet aux constructeurs d’offrir des véhicules électriques qui ne sont pas seulement performants dans des conditions tempérées, mais qui restent pratiques et confortables même dans les hivers les plus froids.
En conclusion, le travail de Zhou Guanghui, Wang Rui et de leurs collègues transcende le cadre d’une simple étude académique. Il fournit une analyse quantitative et nuancée d’un paramètre de contrôle quotidien, révélant un compromis entre performance de chauffage initiale et durée de fonctionnement stable. Il démontre que la gestion intelligente du débit d’air n’est pas une simple question de confort, mais un levier stratégique pour optimiser l’efficacité énergétique globale d’un véhicule électrique. Dans une course à l’autonomie féroce, où chaque pourcentage de rendement compte, ces connaissances sont inestimables. Elles guident l’industrie vers une gestion thermique plus sophistiquée, plus durable, et finalement, vers une expérience utilisateur plus satisfaisante, quel que soit le climat.
Zhou Guanghui, Wang Rui, Li Haijun, Xu Qi, Cai Xia, Zhang Qingge, Yuan Tiesuo, Chu Xuejing, Université de Technologie Zhongyuan, Energy Conservation, doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.008