Prédiction de la consommation des chauffe-eau électriques pour la commande prédictive des micro-grids

Doctorant : Ibrahim Ali KACHALLA

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Énergétique, Génie civil, Acoustique)

Cette thèse examine de manière critique et développe un nouvel algorithme de prédiction de la consommation d'énergie pour les chauffe-eau électriques domestiques habitations, en se concentrant sur les systèmes qui stockent l'énergie pendant les heures creuses et la fournissent pendant les heures pleines. Un modèle de prévision précis peut améliorer de manière significative la gestion des mini-réseaux d'énergie renouvelable et la programmation de la charge en fonction de la demande d'eau chaude, réduisant ainsi les coûts et les émissions globales de carbone liées à la dépendance du réseau national. Les recherches montrent que la consommation d'eau chaude dans les habitations résidentielles représente 12 % de la consommation totale d'énergie dans les bâtiments. L'intégration d'un modèle de prédiction robuste avec un système de contrôle prédictif de modèle (MPC) peut minimiser le gaspillage d'énergie et permettre une programmation à l'avance pour une gestion optimale du réseau. Cette étude passe d'abord en revue les modèles de prédiction les plus récents et effectue une analyse comparative de la régression statistique, de l'apprentissage automatique basé sur la régression et des techniques avancées d'apprentissage automatique afin d'évaluer leurs forces et leurs faiblesses pour les applications de chaudières électriques à eau chaude en utilisant des données provenant de trois bâtiments comme étude de cas. Trois nouveaux modèles hybrides ont été développés sur la base de cette analyse afin d'obtenir un modèle de prédiction plus robuste pour les chauffe-eau électriques. Le meilleur modèle a été sélectionné sur la base des mesures de performance de la précision et de l'efficacité de calcul. En outre, le modèle hybride a été évalué pour prédire la consommation d'eau chaude en utilisant des données exogènes, notamment l'heure de la journée, le jour de la semaine et l'historique de l'utilisation de l'eau chaude, afin d'évaluer leur impact sur la consommation d'énergie. L'étude met en évidence les points forts et les limites des modèles et suggère des domaines de recherche et d'application pour l'avenir.

Approches par apprentissage profond pour la simulation et l'optimisation du contrôle des réseaux de chaleur urbains

Doctorant : Taha BOUSSAID

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon

École doctorale : ED n°162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Les réseaux de chaleur urbains ont démontré une forte viabilité économique ainsi que des bénéfices environnementaux importants par rapport aux systèmes de chauffage individuels conventionnels. Ces avantages résultent de leur capacité à intégrer une diversité de sources de chaleur, dont renouvelables, et à exploiter le stockage d'énergie thermique. Toutefois, les interactions complexes entre ces composantes, associées à la variété des échelles de temps dynamiques et aux contraintes opérationnelles, rendent les simulations physiques coûteuses en temps de calcul, compliquant encore davantage l'optimisation du pilotage. L'objectif de ce travail est de développer un outil pour la simulation et l'optimisation du contrôle de ces systèmes. L'obstacle computationnel est levé par la conception d'un modèle de substitution efficace basé sur l'apprentissage profond. Plus précisément, un réseau de neurones convolutif spatio-temporel sur graphes, intégrant des contraintes physiques, est proposé pour approximer le comportement dynamique du réseau, et permet de réduire le temps de simulation jusqu'à trois ordres de grandeur. Afin d'améliorer les performances et la généralisation de ce modèle, une stratégie d'augmentation de séries temporelles combinant une mise à l'échelle gaussienne et un découpage temporel est introduite et évaluée sur des données réelles. De plus, un jumeau numérique physique est également développé pour évaluer la capacité du modèle de substitution à s'adapter à différentes topologies et configurations de réseaux. Le modèle de substitution est ensuite couplé avec différents algorithmes d'optimisation, notamment des algorithmes évolutionnaires et des agents d'apprentissage par renforcement, afin d'évaluer son impact sur l'accélération du pilotage. Les résultats montrent que, si l'optimisation basée sur la simulation physique permet d'obtenir les réductions de coûts opérationnels les plus importantes, l'optimisation basée sur le modèle de substitution offre un meilleur compromis entre précision et coût computationnel, réduisant le temps d'optimisation de plusieurs jours à quelques heures seulement. Enfin, cette thèse élargit l'optimisation du contrôle en intégrant des critères environnementaux via une analyse du cycle de vie. Une nouvelle méthode de pénalisation dynamique des émissions de particules fines est proposée et ajoutée à la fonction objectif pour tenir compte des épisodes de pollution d'air. Les résultats révèlent les principaux compromis entre la réduction des émissions CO2 et d'autres impacts environnementaux, tout en soulignant l'importance du stockage thermique pour assurer une performance durable et flexible des réseaux.

Mise en place de références métrologiques pour la mesure de conductivité thermique par microscopie thermique à balayage

Doctorante : Sarah DOURI

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon

École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

La demande croissante de la gestion thermique dans diverses industries (énergie, micro et nanoélectronique...) a fait naître le besoin de techniques de caractérisation thermique fiables à l'échelle micro et nanométrique. La microscopie thermique à balayage (SThM pour « Scanning Thermal Microscopy » en anglais) est un outil intéressant pour la caractérisation des propriétés thermiques et l'étude des mécanismes de transfert de chaleur à ces échelles. Cependant, certains aspects métrologiques restent un défi pour la mesure quantitative et traçable de la conductivité thermique avec la technique SThM. L'objectif de ce travail est d'améliorer la métrologie associée à la mesure de la conductivité thermique avec le SThM pour obtenir des mesures quantitatives, traçables et fiables. L'une des principales contributions de ce travail est l'établissement d'un nouveau modèle 3D par la méthode en éléments finis (MEF) pour la deuxième génération de la sonde Palladium afin de décrire plus précisément la dissipation de la chaleur en son sein ainsi que les différents mécanismes de transfert de chaleur qui se produisent entre la pointe et l'échantillon. Les résultats de simulation révèlent l'influence de la résistance thermique d'interface sur la réponse thermique et la sensibilité de la technique à ce paramètre tant dans l'air que dans le vide. Le transfert de chaleur par conduction en régime balistique (au contact), qui est généralement négligé dans les modèles existants dans la littérature, a été intégré dans le modèle 3D. L'étude met en évidence la nécessité de prendre en compte ce transfert de chaleur lorsque les mesures sont effectuées dans le vide. Une étude comparative entre le modèle 3D MEF et le modèle analytique généralement utilisé expérimentalement pour étalonner les sondes résistives évalue l'applicabilité de l'approche analytique pour les mesures de conductivité thermique et met en évidence ses limites et les améliorations possibles. La partie expérimentale de ce travail se concentre sur l'amélioration de l'installation expérimentale du Laboratoire de mesure et d'essais et des protocoles de mesure pour une mesure plus précise et répétable (reproductible). En outre, une courbe d'étalonnage expérimentale est établie et l'incertitude associée est évaluée à l'aide d'une nouvelle approche. Les résultats montrent que les améliorations apportées à l'installation et aux protocoles de mesure réduisent l'incertitude associée au mesurande, diminuant ainsi l'incertitude associée à l'estimation de la conductivité thermique. L'analyse expérimentale met en évidence que des mesures quantitatives et traçables de la conductivité thermique (pour des échantillons où le transfert de chaleur est principalement diffusif) avec la technique SThM sont possibles pour les matériaux à faible conductivité thermique (actuellement limitée à la plage de 0,187 W.m-1.K-1 jusqu'à 10 W.m-1.K-1) avec une incertitude associée <20 % (k=2).
 

Vers une qualification interdisciplinaire de la vulnérabilité sanitaire individuelle et des vécus face aux fortes chaleurs : croisement et mise à l'épreuve de la modélisation du stress et des astreintes thermiques avec le terrain ethnographique

Doctorante : Célia Sondaz

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon

École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

L'exposition aux vagues de chaleur, de plus en plus fréquentes, longues et intenses, altère la santé et le bien-être des habitants, notamment en milieu urbain. Les interactions entre les individus et leur environnement physique et social à l'origine de cette altération sont complexes, multifactorielles et multidimensionnelles. C'est pourquoi cette thèse propose et expérimente une approche interdisciplinaire de qualification des conséquences des surchauffes urbaines sur la santé individuelle et de la vulnérabilité associée. Deux méthodes sont ainsi croisées : (i) la modélisation et la simulation numérique des ambiances thermiques intérieures et des réactions thermo-physiologiques associées, (ii) le recueil et l'analyse des réactions à la chaleur, des stratégies d'adaptation, des percepts et des représentations individuelles et sociales, via une enquête qualitative de terrain. Cette approche a été expérimentée sur une population épidémiologiquement vulnérable aux fortes chaleurs, les femmes âgées, et en se consacrant principalement à l'exposition à l'intérieur des logements. Dans cette thèse, la modélisation a pour objectif d'étudier l'exposition thermique dans le logement ainsi que les réactions physiologiques induites. Pour cela, le modèle thermo-physiologique multisegments et multi-nœuds JOS-3 a été adapté pour simuler les astreintes thermiques, hydriques et cardiovasculaires. Ainsi, le nouveau modèle développé, aJOS-3, inclut un bilan hydrique complet, le calcul de la fréquence cardiaque et les limites de thermorégulation dues aux astreintes hydriques et cardiovasculaires. Des études de sensibilité de aJOS-3 à ses paramètres d'entrée, au pas de temps et aux asymétries en entrée ont montré la pertinence, en première approximation, de réaliser des simulations en série avec le modèle de STD de bâtiment EnergyPlus avec un pas de temps de 15 minutes. En parallèle de la modélisation, l'enquête de terrain réalisée auprès de 7 femmes de plus de 70 ans vivant seule dans trois modes d'habiter différents durant les étés 2022 et 2023 a reposé sur: (i) des mesures thermiques en continu dans les logements, (ii) des entretiens semi­ directifs, et (iii) un suivi quotidien à l'aide de carnets de bord et d'entretiens téléphoniques. Les résultats montrent notamment que les réactions psychologiques, sociales et comportementales sont au moins aussi problématiques que les symptômes physiques pour les participantes. Les percepts thermiques sont influencés par de multiples facteurs, et les représentations de la chaleur et de la vulnérabilité jouent un rôle clé dans l'adoption de stratégies d'adaptation ainsi que dans la tolérance à la chaleur et à ses conséquences. Au travers de deux études de cas, la chaîne de modèles EnergyPlus - aJOS-3 a été mise à l'épreuve du terrain afin d'évaluer son apport pour la compréhension des réactions à la chaleur. La comparaison des astreintes physiologiques simulées avec les vécus estivaux rapportés suggère que ce croisement des approches constitue un outil pertinent pour personnaliser les stratégies d'adaptation à conseiller. De plus, la modélisation des astreintes avec aJOS-3 semble plus représentative de la répartition temporelle des réactions physiques que l'estimation d'indices de stress thermique classiques tels que la PET. Le développement méthodologique, l'analyse du terrain et les études de cas montrent comment le croisement de la modélisation du stress et des astreintes thermiques avec le terrain permet d'appréhender les vécus et réactions en périodes de forte chaleur, par exemple par l'identification des réactions les plus marquantes, par celles des facteurs affectant l'exposition, les percepts ou la tolérance aux réactions, etc. L'approche interdisciplinaire permet également d'identifier les besoins, atouts, limites et perspectives propres aux différentes méthodes ainsi que les enjeux liés à leur croisement interdisciplinaire.

Preuve de concept d'une pompe à chaleur élastocalorique pour la réfrigération à température proche de la pièce utilisant du caoutchouc naturel

Doctorante : Marianne SION

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon

École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

De nos jours, la plupart des systèmes de réfrigération se basent sur la compression de gaz. L'utilisation de ces gaz compressés a révélé des problèmes, notamment une dégradation de la couche d'ozone et un potentiel de réchauffement climatique élevé. Plusieurs générations de gaz réfrigérant se sont succédées et ont été finalement bannies à cause de leur toxicité, de problèmes de sécurité ou de leur impact négatif sur l'environnement. Une alternative est l'utilisation de matériaux caloriques qui peuvent être utilisés pour faire de la réfrigération liquide-solide avec des systèmes régénératifs ou de la réfrigération solide-solide en utilisant des systèmes de réfrigération à étage unique. Les matériaux caloriques sont connus pour être sujets à des variations de températures lorsqu'ils sont soumis à un chargement externe. Ces matériaux sont divisés en quatre catégories : magnétocalorique, électrocalorique, barocalorique et élastocalorique, suivant le type de chargement, champ magnétique, champ électrique, pression ou contrainte uniaxiale, respectivement. Les matériaux élastocaloriques sont divisés en deux catégories, les alliages à mémoire de forme, tels que les alliages de Nickel Titane (Ni-Ti) et les polymères, tels que le caoutchouc naturel. Les polymères n'ont pas été beaucoup étudiés pour la conception de système de réfrigération élastocalorique. Cependant, le caoutchouc naturel est un matériau intéressant pour la réfrigération solide car il est peu coûteux et a un faible impact environnemental. L'utilisation du caoutchouc naturel, qui peut être considéré comme un matériau isolant thermiquement, représente un défi. Le but de ce travail est de mieux comprendre comment le caoutchouc naturel peut être un bon candidat pour la réfrigération solide pour un système de réfrigération à étage unique. Il est nécessaire de comprendre quels sont les paramètres clés les plus importants pour obtenir les meilleures différences de température et puissance de refroidissement. Les principales questions scientifiques se posant sont sur la possibilité d'obtenir une meilleure compréhension des mécanismes de transfert et de déterminer si une mise à l'échelle du système de réfrigération peut permettre d'obtenir de plus larges différences de température et de plus hautes puissances de refroidissement. Afin de répondre à ces questions, cette thèse se concentre sur le développement et l'évaluation des performances d'un système de réfrigération élastocalorique utilisant du caoutchouc naturel. Le Chapitre 1 de ce travail présentera le contexte et l'état de l'art sur les différents effets caloriques et certains systèmes de réfrigération utilisant ces effets. Dans le Chapitre 2, un système de réfrigération à étage unique à 4 temps est présenté et testé, afin de mieux comprendre les mécanismes de transfert de chaleur. Dans le Chapitre 3, une comparaison de neuf échantillons de caoutchouc naturel est présentée, afin d'étudier l'impact de l'épaisseur et de la composition des matériaux sur les performances du système. Dans le Chapitre 4, un deuxième système expérimental est étudié. C'est un système de réfrigération à 2,5 temps, qui a pour spécificité de mettre le caoutchouc en contact avec l'échangeur chaud lorsqu'il est toujours en cours de chargement. Dans le Chapitre 5, un modèle analytique est développé et utilisé afin d'étudier le transfert de chaleur entre le caoutchouc naturel et les échangeurs de chaleur. Finalement, une conclusion générale pour rappeler les principaux résultats de la thèse et les perspectives d'amélioration du système de réfrigération élastocalorique.

Rôle et avantages de l'intelligence artificielle dans la modélisation du transfert radiatif dans les atmosphères gazeuses et son application à l'analyse des données satellitaires.

Doctorante : Cindy DELAGE

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Énergétique, Génie civil, Acoustique)

L'étude de l'atmosphère terrestre nécessite le traitement de données massives issues d'instruments de télédétection. Ce traitement permet d'estimer des variables thermophysiques telles que la température et les concentrations de différentes espèces. Pour obtenir ces informations, plusieurs étapes de traitement sont indispensables. L'une de ces étapes concerne le calcul de la transmissivité dans le but de résoudre !'Équation de Transfert Radiatif. En théorie, un calcul exact est possible en utilisant le modèle dit raie par raie (Line-by-Line, LBL). Cependant, ce modèle requiert un temps de calcul extrêmement élevé, ce qui le rend prohibitif pour les applications atmosphériques, où le nombre de raies à prendre en compte peut atteindre des millions. Pour cette raison, la méthodologie LBL est principalement utilisée comme référence pour valider des modèles visant à estimer la transmissivité avec la plus grande précision possible par rapport aux calculs LBL, et dans le moindre temps de calcul (CPU) possible. Ainsi, un nouveau modèle a été proposé ces dernières années, appelé 1-distributions. L'objectif principal de ce manuscrit est de proposer un résumé de l'état de l'art de ce modèle, puis des perspectives de recherche afin d'en améliorer la précision. En complément, de premières validations dans des cas d'application concrets utilisant les instruments Metlmage (EUMETSAT, ESA) et TROPOMI (ESA) seront proposées en annexe du manuscrit. La perspective de recherche consiste principalement à combiner des outils de physique et de statistiques, ou d'apprentissage automatique, pour optimiser les poids impliqués dans le modèle 1-distributions. Dans les cas d'application préliminaires, cette étape d'optimisation conduit à une erreur relative maximale inférieure à 0,5 % par rapport au calcul LBL, avec un temps de calcul de 10 ms pour un calcul atmosphérique complet (1200 valeurs, une tous les 0,5 km). Ces résultats devront être validés et généralisés dans de futures recherches, pour que ces perspectives de recherches deviennent des méthodologies validées.

Multi-criteria decision making for sustainable engineering systems

Doctorant : Majid BASEER

Laboratoire INSA : CETHIL UMR5008

École doctorale : ED162 MEGA

The trend towards sustainability in the building sector is gaining momentum, driven by environmental regulations and societal will. Although new building projects adhere to established standards, they replace only 1-3% of existing buildings annually. Renovation projects often present challenges such as the presence of uncertain data, varied stakeholder’s interests, and complex sustainability factors. To address these limitations, this thesis aims to integrate uncertainty into the decision-making process. The thesis develops a multi-criteria decision-making (MCDM) framework based on sustainability factors encompassing economic, environmental, social, and technical aspects for energy renovation of existing buildings. In contrast to existing deterministic MCDM methods, this framework incorporates uncertain data, yielding more realistic outcomes. A review of established MCDM methods was conducted, followed by a SWOT analysis to select a suitable method for the research problem. The application of MCDM methods in building energy renovations was examined to understand sustainability factors comprehensively. To address uncertainty, probability distribution and Monte Carlo simulation are integrated with MCDM methods. These tools represent uncertainty, simulate decision-making, and handle ambiguity. The novel MCDM framework, probabilistic ELECTRE Tri, has been developed based on the ELECTRE Tri method, probability distribution, revised Simos method, and Monte Carlo simulation. This framework was specifically developed for the classification of scenarios for building energy renovation. It was validated through a case study of a social housing project in Lyon, France. The results from the probabilistic ELECTRE Tri method were compared with those from ELECTRE Tri, underscoring the significance of incorporating uncertainty in decision-making. The developed framework enhances transparency, adaptability, flexibility, and user understanding, benefiting stakeholders. It is generic and can improve the objectivity and consistency of decision- making. Additionally, it advances sustainable building renovation and aligns with global environmental and energy efficiency goals. Keywords: multi-criteria decision making, ELECTRE Tri, uncertainty, probability distribution, energy renovation, sustainability.

Interactions rayonnement-atmosphère en milieu urbain : modélisation avancée et analyse de leurs effets sur le rafraîchissement

Doctorant : Félix SCHMITT

Laboratoire INSA : CETHIL

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Energétique, Génie civil, Acoustique)

Avec l'urbanisation mondiale croissante et des vagues de chaleur de plus en plus intenses et fréquentes, la surchauffe urbaine a des conséquences délétères sur le confort et la santé des citadins. Prédire les conditions microclimatiques urbaines est dès lors crucial pour comprendre et atténuer cette surchauffe. Ce travail de thèse propose un modèle micro-météorologique avancé, capable de simuler les interactions entre rayonnement infrarouge thermique (IRT) et atmosphère urbaine à micro-échelle. Il s’agit du couplage entre un solveur CFD basé sur la méthode de Boltzmann sur réseau et la simulation des grandes échelles, et un solveur IRT en milieu participant. Le solveur IRT est d’abord appliqué dans une rue canyon dont les parois sont plus chaudes que l'air. Les résultats montrent que le flux IRT moyen absorbé aux parois est surestimé de 4 à 12 W/m2 en considérant l'air comme transparent, pour un rapport d'aspect compris entre 0,75 et 2,4. Des simulations de convection mixte sont ensuite réalisées dans une rue canyon à échelle réduite, dont les parois sont chauffées, démontrant la capacité du solveur à reproduire les caractéristiques moyennes et turbulentes de l'écoulement mixte et des transferts de chaleur, par comparaison des solutions à des mesures en soufflerie. Enfin, des simulations micro-météorologiques couplées IRT- CFD dans une rue canyon à échelle réelle, sous des conditions météorologiques réalistes, sont effectuées afin d’évaluer l’impact des interactions IRT/air sur l’écoulement et le rafraîchissement de la rue après le coucher du soleil. Les résultats indiquent que l'écoulement mixte n’est pas affecté par les interactions. Le refroidissement moyen de surface est 4 à 8 % plus rapide avec les interactions. L'ensemble de ce travail conforte la pertinence d'un niveau de modélisation élevé dans une configuration de rue pour l'étude dynamique des microclimats urbains sous l'influence des interactions IRT/atmosphère.

Modélisation CFD du Transfert de Chaleur et de Masses dans une Remorque de Camion Réfrigérée équipée de Plaques Eutectiques

Doctorant : Jihyuk JEONG 

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale : ED162 : MEGA

Le système de refroidissement par plaques eutectiques (matériau à changement de phase, MCP) est une possible alternative aux systèmes conventionnels de réfrigération alimentés par des combustibles fossiles pour le transport de produits alimentaires surgelés ou réfrigérés dans des remorques de camions. Des modèles numériques ont été développés pour évaluer sa faisabilité et ont été validés avec succès par rapport à des résultats numériques et expérimentaux issus de la littérature.

Initialement, un modèle d'infiltration d’air dans la remorque a été développé utilisant un modèle de turbulence k-ω SST pour prédire le comportement thermoaéraulique de l'air pendant les périodes d'ouverture des portes. Différentes configurations des plaques eutectiques et des ventilateurs ont été analysées. Sans cargaison, les plaques disposées en série le long du plafond de la remorque ont montré un temps de renouvellement plus élevé que celles disposées en parallèle à l'arrière, en raison des zones de recirculation. Cependant, une fois la cargaison introduite, les deux configurations offrent des performances similaires car les zones de recirculation n'ont pas pu se former.

Par ailleurs, un modèle multiphasique granulaire eulérien-eulérien a été développé pour prédire la formation et la croissance du givre sur les plaques eutectiques. Le modèle de turbulence k-ω SST a été intégré pour étendre l'applicabilité du modèle de givre à une gamme plus large de vitesses d’air. Un modèle de solidification et de fusion a également été implémenté et couplé aux modèles précédents. Avec ce modèle combiné, les performances d'un système eutectique ont été étudiées pour des conditions estivales typiques à Montréal, Canada. Environ 2.3 % du MCP change effectivement de phase au cours des 120 premières secondes. Globalement, le système eutectique offre une alternative viable au système conventionnel, bénéficiant des mécanismes de prévention des infiltrations ou de dégivrage.

Contribution to the study of ejector expansion heat pump cycle: modelling and experimental approach

Doctorant : Cong YOU

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

This research addresses environmental concerns in the Heating, Ventilation, Air Conditioning, and Refrigeration (HVAC&R) industry by exploring carbon dioxide (CO2) as an eco-friendly alternative. The challenges of CO2, including its low critical temperature and high critical pressure, lead to its predominant use in transcritical mode, resulting in significant irreversibility during expansion. To overcome this, the study proposes the substitution of conventional expansion valves with ejectors in the transcritical CO2 heat pump cycle.

The ejector accelerates high-pressure CO2 through a nozzle, facilitating the mixing of low-pressure vapor from the evaporator and improving pressure recovery. Scientific validation confirms a reduction in compression work, establishing the ejector-based configuration as a more efficient alternative. Despite potential advantages, ejectors introduce complexities related to two-phase flow and sonic shock waves, necessitating simulation and experimental studies for enhanced performance.

The thesis conducts a comprehensive investigation, beginning with a review of refrigerant trends and a comparison of ejector technology with alternatives. Thermodynamic models are introduced, addressing key aspects such as isentropic efficiency, with novel data post-processing techniques proposed. The research introduces a 1-D homogeneous equilibrium model for the ejector region, validated and applied for parametric analysis and geometry design. This model is compared with 0- D thermodynamic models. Additionally, an experimental test facility provides insights into ejector performance across varying evaporation pressures.

In summary, this research significantly contributes to understanding transcritical CO2 heat pump cycles, specifically focusing on ejector technology. The integration of theoretical models and experimental studies offers essential insights for optimizing ejector design and operational parameters, meeting the evolving needs of the HVAC&R industry and promoting sustainable refrigeration applications.