Guide de la pompe à chaleur – aspects généraux

POMPES À CHALEUR – INTRODUCTION

Les ressources limitées en carburant et l'orientation mondiale vers la protection de l'environnement sont des aspects qui ont attiré l'attention sur la possibilité d'utiliser des sources d'énergie renouvelables. Aujourd'hui, ces pompes à chaleur représentent des équipements de chauffage sûrs, efficaces et innovants, avec un fonctionnement économique en termes de consommation d'électricité.

Les pompes à chaleur sont des équipements qui fournissent les prérequis techniques nécessaires pour utiliser efficacement l'énergie solaire accumulée dans les eaux souterraines, dans le sol ou dans l'air, sous forme de chaleur écologique, pour le chauffage ou le refroidissement des locaux et pour la préparation de l'eau chaude sanitaire.

La pompe à chaleur obtient environ les trois quarts de l'énergie requise du milieu environnant, et pour le reste, la pompe à chaleur utilise le courant électrique comme énergie d'entraînement.
Les pompes à chaleur modernes offrent des possibilités techniques efficaces pour réduire la consommation d'énergie et les émissions de CO2. Lors de la modernisation de bâtiments anciens, ainsi que de bâtiments neufs, la pompe à chaleur est une bonne alternative.

Cet article traite des principes de base de la technologie des pompes à chaleur, des principales variantes techniques et illustre les aspects les plus importants des applications qui intègrent ces équipements.

POURQUOI UNE POMPE A CHALEUR ?

1. Motivation économique

1.1 Coûts d'exploitation réduits

• selon le type de pompe à chaleur, jusqu'à 3/4 de l'énergie de chauffage peut être obtenue à partir de l'environnement (gratuitement)
• au moyen d'un compresseur (à entraînement électrique), la pompe à chaleur augmente la température de l'agent de chaleur prélevé dans l'environnement à la température requise dans le système de chauffage de la maison
• avec une pompe à chaleur, l'énergie solaire accumulée dans l'environnement peut être utilisée toute l'année !

1.2 Indépendance vis-à-vis des combustibles fossiles

Les sources d'énergie utilisées par la pompe à chaleur sont disponibles directement à notre porte, indépendamment de la disponibilité ou du prix des combustibles fossiles.

2. Le confort

Le système de chauffage avec pompes à chaleur offre le plus haut degré de confort et le fonctionnement le plus simple. Le système de distribution de chaleur normalement utilisé en combinaison avec des pompes à chaleur (chauffage au sol, chauffage mural, systèmes de chauffage à basse température) garantit un climat confortable et sain.

Des modèles de pompes à chaleur réversibles (eau-eau ou sol-eau) peuvent également assurer les besoins de rafraîchissement en été.

Les systèmes de pompes à chaleur sont généralement très silencieux, entièrement automatisés et ne nécessitent pas d'opérations de maintenance périodiques.

Il n'y a pas besoin d'un dépôt de carburant, pas d'élimination des cendres et pas de nettoyage de la cheminée.

3. Sécurité pour l'avenir

Le choix d'un système de chauffage est une décision de plusieurs années. Les pompes à chaleur sont la technologie de chauffage la plus moderne disponible aujourd'hui.

Aujourd'hui, les pompes à chaleur remplacent non seulement les systèmes de chauffage au bois, aux combustibles liquides ou au charbon, mais aussi de plus en plus les systèmes utilisant du gaz naturel.

De plus, il y a la question : serons-nous capables de payer les coûts du système de chauffage dans 20 ans ? A chaque augmentation du prix des énergies fossiles, le coût du chauffage par pompe à chaleur devient plus avantageux par rapport au chauffage au gaz, aux combustibles liquides ou aux granulés.

Indépendamment de l'augmentation du prix de l'électricité, avec une pompe à chaleur les 3/4 de l'énergie consommée est et reste gratuite.

4. Fonctionnement en toute sécurité

Les pompes à chaleur produisent de l'énergie thermique grâce à un cycle thermodynamique, sans brûler de carburant. Cet aspect réduit considérablement les risques d'accidents ! De plus, les pompes à chaleur fonctionnent avec des fluides frigorigènes ininflammables.

5. Idéal aussi bien pour les constructions neuves que pour la réhabilitation de bâtiments existants

Les pompes à chaleur peuvent être utilisées pour le chauffage et le refroidissement de nouveaux bâtiments et constructions à faible consommation d'énergie (là où la plupart des systèmes conventionnels ne sont pas disponibles ou ne sont pas pratiques à mettre en œuvre techniquement ou économiquement en raison de faibles puissances thermiques). En outre, lorsqu'il existe déjà un système de chauffage moderne utilisant des combustibles fossiles et qu'une réduction des coûts est souhaitée, les pompes à chaleur peuvent être utilisées comme systèmes de chauffage supplémentaires (fonctionnement bivalent).

6. Fonctions multiples

Les pompes à chaleur peuvent fournir du chauffage tout au long de la saison froide, du refroidissement tout au long de la saison chaude (avec des modifications mineures) et de l'eau chaude sanitaire tout au long de l'année.

7. Écologique

La combustion de combustibles fossiles pour le chauffage des maisons et des bureaux représente aujourd'hui l'une des plus importantes sources de production de CO2. Les pompes à chaleur produisent de l'énergie thermique sans polluants en utilisant l'énergie de l'environnement.

COMMENT FONCTIONNE UNE POMPE A CHALEUR ?

Le fonctionnement d'une pompe à chaleur, un principe simple aux résultats exceptionnels !

Quel que soit leur type, ces pompes à chaleur peuvent être considérées comme des équipements qui augmentent la température d'un environnement de travail en utilisant une quantité d'énergie supplémentaire pour produire de l'énergie utile.

Le fonctionnement d'une pompe à chaleur est fondamentalement le même que celui d'un équipement que nous utilisons au quotidien : le réfrigérateur. La même technique, uniquement avec une utilisation inversée; dans le cas du réfrigérateur, l'agent de refroidissement prend la chaleur des aliments et la restitue à l'environnement. La pompe à chaleur prélève la chaleur de l'environnement (sol, eau ou air) et la transfère au système de chauffage sous forme d'énergie thermique.

1. Le vaporisateur - capter la chaleur de l'environnement (sol, eau, air)

Dans l'évaporateur se trouve un agent de travail liquide à basse pression (réfrigérant). C'est une substance qui a un point d'ébullition bas. La température de la source (sol, eau ou air) est supérieure à la température d'ébullition correspondant à la pression du fluide frigorigène. Cette différence de température entraîne la transmission de chaleur de l'environnement à l'agent de travail, qui bout et se vaporise. La chaleur nécessaire à sa vaporisation provient de la source de chaleur externe (sol, eau, air).

2. Le compresseur - augmentation de la température

Les vapeurs résultant de l'agent de travail sont continuellement aspirées du vaporisateur par le compresseur. Le fluide frigorigène est comprimé jusqu'à ce qu'il atteigne la température requise pour le chauffage et la préparation de l'eau chaude sanitaire.

Le processus de compression est essentiel pour l'efficacité d'une pompe à chaleur. Pour toute la gamme de pompes à chaleur, des compresseurs Compliant Scroll sont utilisés, ils sont constitués de deux spirales (une fixe et une mobile) qui compriment en continu l'agent de travail. Les compresseurs conformes sont complètement hermétiques, ont une durée de vie beaucoup plus longue et sont plus silencieux que le modèle à piston utilisé par le passé pour les pompes à chaleur.

3. Le condensateur – Transfert de chaleur vers l'installation de chauffage

Les vapeurs de l'agent de travail (réfrigérant) atteignent le condenseur de la pompe à chaleur, qui est entouré par l'agent de chaleur. La température de l'agent thermique est inférieure à la température de condensation de l'agent de travail, de sorte que les vapeurs se refroidissent et se condensent.

L'énergie (chaleur) absorbée par le vaporisateur plus la chaleur générée lors du processus de compression (dans le compresseur) est libérée dans le condenseur et transférée à l'agent thermique sous forme d'énergie utile pour le chauffage.

4. Détendeur – le circuit se ferme

L'agent de travail est ensuite renvoyé au vaporisateur, à travers une soupape de détente. Ainsi, l'agent de travail passe de la haute pression du condenseur à la basse pression de l'évaporateur. A l'entrée du vaporisateur, les valeurs initiales de pression et de température sont atteintes. Le circuit est donc fermé.

POMPES À CHALEUR – COMPOSANTS PRINCIPAUX
OÙ OBTENONS-NOUS LA CHALEUR ?

Le sol, l'eau et l'air sont des éléments disponibles en quantités illimitées pour être utilisés comme source pour une pompe à chaleur.

Dans chaque cas individuel, la source d'énergie la plus avantageuse dépend des circonstances locales, de l'emplacement du bâtiment et de ses besoins en chaleur.

Pour leur utilisation pratique, les sources d'énergie doivent répondre à plusieurs conditions :

• disponibilité en quantité suffisante
• capacité de stockage maximale
• niveau de température aussi élevé que possible
• régénération suffisante
• capture économique

Le sol

Le sol a la propriété de pouvoir accumuler et maintenir l'énergie solaire sur une plus longue période, ce qui conduit à un niveau de température à peu près constant tout au long de l'année et donc au fonctionnement de pompes à chaleur à coefficient de performance élevé.

La température dans le sol est comprise entre 7 et 13°C tout au long de l'année (à 2 m de profondeur).
La chaleur prélevée dans le milieu ambiant est transmise au vaporisateur de la pompe à chaleur sol-eau par l'intermédiaire d'un mélange eau-antigel (eau salée) ; le point de congélation de cette solution est d'environ -15°C.
La chaleur accumulée dans le sol est prélevée par des échangeurs de chaleur montés horizontalement - également appelés capteurs de sol - ou par des échangeurs de chaleur montés verticalement - des sondes de sol.

Collecteurs placés dans le sol - collecteurs horizontaux

La chaleur du sol est prélevée au moyen de tubes en plastique - polyéthylène - montés dans le sol sur une grande surface.

Les tubes sont placés parallèlement, dans le sol, à une profondeur de 1,2 à 1,5 m et selon le diamètre du tube, à une distance d'env. 0,3 à 0,7 m, de sorte que sur chaque mètre carré de surface de capture env. 1,43 à 2m de tube.

La quantité de chaleur qui peut être utilisée et donc la taille de la surface requise dépend beaucoup de la qualité du sol. Concernant cet aspect, les grandeurs déterminantes sont : tout d'abord, la quantité d'eau dans le sol, les quantités de composants minéraux et la taille des pores remplis d'air. La capacité d'accumulation et la conductivité thermique sont d'autant plus élevées que le sol est humidifié avec de l'eau et plus la quantité de composants minéraux est élevée, et plus le nombre de pores est petit. Les valeurs de la puissance spécifique d'extraction pour le sol se situent entre 10 et 35 W/m2.

Lors de l'utilisation de collecteurs horizontaux, les plantes aux racines très profondes ne doivent pas être plantées autour des tubes. La régénération des sols s'effectue déjà à partir de la seconde moitié de la saison de chauffage grâce au rayonnement solaire et à des précipitations plus abondantes, il est donc nécessaire de pouvoir s'assurer que "l'accumulateur" du sol est à nouveau prêt à chauffer pour la saison suivante.

Sondes de sol

En raison des grandes surfaces de terrain nécessaires à l'installation de capteurs horizontaux, il est parfois difficile de réaliser le système pour des raisons d'espace.

Pour les petits terrains, les sondes de sol sont une alternative au capteur placé horizontalement dans le sol. Ils peuvent être insérés à des profondeurs de 50 à 150 m.

Les sondes sont généralement constituées de tubes en polyéthylène et quatre tubes parallèles sont généralement montés (sonde à double tube avec profil en U).

Le mélange eau-antigel s'écoule au niveau le plus bas par deux tuyaux et retourne à l'évaporateur de la pompe à chaleur par les deux autres. De cette façon, le cadre est prélevé du sol, sur toute la longueur des tubes. Les espaces entre les tubes et le sol doivent être remplis d'un matériau à bonne conductivité thermique (bentonite).

La puissance d'extraction est très variable, entre 20 et 100 W/m de longueur de sonde.

Eau souterraine

L'eau souterraine est également un bon accumulateur d'énergie solaire. Même pendant les jours d'hiver les plus froids, il a une température comprise entre 7 et 12°C. Cependant, les eaux souterraines ne sont pas disponibles en quantités suffisantes et à une qualité convenable dans toutes les régions.

Pour utiliser la chaleur, il faut réaliser deux puits : un aspirant et un absorbant (vidange) ; une distance d'au moins 5 mètres doit être prévue entre eux, et l'emplacement doit être choisi de manière à ce que le sens d'écoulement de l'eau soit du puits d'aspiration vers celui absorbant.

L'eau des lacs et des rivières peut également être utilisée comme source de chaleur, car elle agit également comme accumulateur de chaleur.

L'air

L'air est l'option la moins chère lorsqu'il est utilisé comme source pour une pompe à chaleur.

Les pompes à chaleur air/eau utilisent l'air extérieur comme source de chaleur, qui est dirigée à travers des conduits d'air, par un ventilateur intégré à l'appareil, vers l'évaporateur, qui extrait la chaleur de l'air.

Chaleur perdue

Parmi les sources pouvant être utilisées avec une pompe à chaleur, la chaleur résiduelle est la plus efficace, garantissant les paramètres de performance les plus élevés. Cependant, il présente l'inconvénient d'une disponibilité très limitée.

Le nom d'une pompe à chaleur est donné par le fluide de travail sur le circuit primaire et secondaire. Par circuit primaire on entend ici la source de chaleur (air, sol, eau), et le circuit secondaire est l'installation de chauffage.

*Les pompes à chaleur sol-eau peuvent également être trouvées sous le nom de "pompes à chaleur eau salée-eau". Ce nom vient du fluide utilisé sur le circuit primaire (source) pour le transfert de chaleur ; pour cela, on utilise un mélange d'eau et d'antigel (tyfocor), appelé « saumure » en anglais ou « sole » en allemand. Le mode de fonctionnement des pompes à chaleur s'adapte au système de chauffage existant dans le bâtiment, dans le cas de bâtiments plus anciens, pour lesquels des modernisations sont effectuées. Dans ce cas, il faut tenir compte de la température maximale que les pompes à chaleur peuvent atteindre par cycle (entre 55 et 65°C).

Pour les systèmes déjà dimensionnés au-dessus de ce niveau de température, les pompes à chaleur ne peuvent fonctionner qu'avec un autre générateur de chaleur. Dans les nouveaux bâtiments, vous pouvez choisir le système de distribution de chaleur. Dans ce cas, compte tenu des paramètres de température extérieure annuelle les plus élevés, un système de chauffage avec une température maximale par tournée de 35°C sera choisi (chauffage au sol, murs, etc.).

D'un point de vue technique, on distingue les régimes de fonctionnement suivants :

• Le mode de fonctionnement monovalent – ​​la pompe à chaleur doit assurer l'ensemble des besoins de chauffage du bâtiment en tant que seul générateur de chaleur
• Mode de fonctionnement mono-énergie – la pompe à chaleur est utilisée en combinaison avec un autre système de chauffage fonctionnant à l'électricité
• Mode de fonctionnement bivalent – ​​la pompe à chaleur est utilisée en combinaison avec une autre source de chaleur qui fonctionne avec un combustible solide, liquide ou gazeux.

Pour l'évaluation d'une pompe à chaleur ou d'un système complet de pompe à chaleur, les facteurs les plus importants sont le coefficient de performance et le facteur de performance annuel.

Coefficient de performance et facteur de performance annuel

Le rapport entre l'énergie thermique utilisable et l'énergie électrique d'entraînement reprise par le compresseur est appelé "indice de puissance momentanée" ou "coefficient de performance".

Coefficient de performance (COP) = spécifié par le fabricant, valeur de laboratoire

Facteur de performance annuel (FPA) = le rapport entre la chaleur extraite au cours d'une année et l'énergie totale consommée au cours d'une année

En général, le coefficient de performance augmente lorsque la différence de température entre la source et le système de chauffage diminue.

Formule empirique:

• Une augmentation d'un degré de la température dans le circuit de chauffage entraîne une diminution du COP de 2,5 %
• L'augmentation d'un degré de la température de la source entraîne une augmentation du COP de 2,7 %.