Tout savoir sur la pompe à chaleur

La pompe à chaleur date du début du siècle. XX, avec l'invention du réfrigérateur.

Une série de phénomènes et de lois de la physique s'affrontent à la base du fonctionnement de la pompe à chaleur : Le XNUMXème principe de la thermodynamique : "La chaleur ne peut jamais passer d'elle-même d'un corps de température plus basse à un corps de température plus élevée" (Déclaration de Clausius), ainsi que la découverte du physicien Watt: un gaz comprimé libère de la chaleur et vice versa, un gaz détendu - absorbe de la chaleur.

Pourquoi s'intéresse-t-on à la pompe à chaleur ?

Dans la recherche constante des meilleures solutions de production d'énergie, nous analysons dans cet article la pompe à chaleur dans toutes ses variantes.

Tous les efforts des spécialistes pour trouver des ressources thermiques non polluantes ou du moins peu polluantes et le passage à leur usage de masse, pour le chauffage des habitations, ont attiré l'attention sur la mise en place du transfert de chaleur et l'émergence de la pompe à chaleur de plus en plus connue. La pompe à chaleur est, en raison de son efficacité et de l'utilisation de ressources moins polluantes que d'autres systèmes de chauffage ou de refroidissement, l'une des solutions préférées comme système d'installation alternatif pour les projets, les maisons ou les bâtiments à consommation quasi nulle, et en fonction de la situation de localisation est utilisé pour la maison active.

Qu'est-ce qu'une pompe à chaleur ?

En quelques mots on peut dire que la pompe à chaleur capte et transfère la chaleur d'une des sources pour laquelle elle est conçue (qu'il s'agisse du sol, de l'eau ou de l'air) et à l'aide d'un compresseur, exactement sur le principe du réfrigérateur, élève la température d'un fluide frigorigène à point d'ébullition très bas (autour de -2°C), transférant la température de l'agent thermique qui circule dans l'installation de chauffage quel que soit le système aux corps statiques utilisés (réchauffeurs, plancher, ventilation, etc.). La pompe à chaleur se caractérise très simplement par son mode de fonctionnement très proche de celui des réfrigérateurs à compresseur : un gaz comprimé dégage de la chaleur et en sens inverse, un gaz détendu absorbe de la chaleur.

Comment fonctionne la pompe à chaleur

La pompe à chaleur a besoin d'une source permanente d'électricité. Il est obligatoire de se raccorder à une source permanente, si possible au réseau public, sinon, de préférence, en raison de la faible consommation, à un système de panneaux solaires photovoltaïques ou, pourquoi pas, à des éoliennes, des systèmes alternatifs, etc. La source électrique va alimenter le compresseur qui comprime le liquide de refroidissement pour atteindre la température utilisée pour le chauffage et la préparation d'eau chaude sanitaire. Lorsque la vapeur de réfrigérant atteint le condenseur de la pompe à chaleur, elle est entourée de chaleur. La température de l'agent de chauffage est inférieure à la température de l'agent de refroidissement, à l'état de vapeur, de sorte que la vapeur se refroidit et se condense. A ce moment, la chaleur est reprise par le vaporiseur, y compris la chaleur générée lors du processus de compression, dont une quantité considérable est libérée dans le condenseur et transférée à l'agent thermique sous forme d'énergie utile pour le chauffage. L'agent de transfert est ensuite renvoyé vers le vaporisateur à l'aide d'une vanne de détente la plupart du temps. Le fluide frigorigène passe ainsi de la haute pression du condenseur à la basse pression de l'évaporateur. Avec l'entrée dans le vaporisateur, ici les valeurs trouvées au début du processus sont à nouveau atteintes, et le circuit se ferme.

Les réfrigérateurs, ainsi que les climatiseurs, sont des exemples classiques de pompes à chaleur déjà existantes dans les ménages et fonctionnant uniquement en mode refroidissement. Un réfrigérateur n'est en fait qu'une boîte bien isolée avec un système de pompe à chaleur qui y est connecté. Le serpentin du vaporisateur est situé à l'intérieur et se trouve généralement dans le compartiment utilisé pour la congélation. La chaleur est absorbée par le congélateur et envoyée à l'extérieur, généralement derrière ou sous l'unité où se trouve le serpentin du condenseur. Un climatiseur qui transfère la chaleur de l'intérieur d'une maison vers l'extérieur fonctionne de manière presque similaire. Nous avons donc le système de pompe à chaleur dans nos maisons depuis un certain temps, mais il n'a pas été utilisé dans les deux sens.

La pompe à chaleur peut être utilisée sans l'existence ou le soutien d'autres sources de chaleur.

Selon le critère de fonctionnement, on rencontre des pompes à chaleur à régime

• Monovalent : la pompe à chaleur est la seule source de chauffage – elle utilise l'électricité du réseau public ou d'autres sources pour faire fonctionner le compresseur
• Bivalent - parallèle : il peut être monté et utilisé en parallèle avec la pompe à chaleur et une autre source de chaleur ; lorsque la source de chaleur parallèle est l'électricité, le système est dit bivalent - parallèle monoénergétique
• Bivalent - alternatif : la pompe à chaleur fonctionne alternativement avec une autre source de chaleur ;
• Bivalent – ​​partiel – parallèle : la pompe à chaleur fonctionne en parallèle ou en alternance avec une autre source de chaleur.

La pompe à chaleur a un cycle entièrement réversible et peut assurer le contrôle de l'environnement intérieur pour le chauffage en hiver et le refroidissement ou la déshumidification, si nécessaire, en été. Puisque le sol ou l'air extérieur contient toujours de la chaleur, pourquoi ne pas utiliser une thermopompe pour chauffer et climatiser la maison? L'un des principes utilisés dans la pompe à chaleur est que l'air à une température de -18°C contient environ 85% de l'énergie qu'il contient à 21°C.

Quels sont les types de pompes à chaleur ?

Il existe deux principaux types de pompe à chaleur, nommés selon le système utilisé

• Pompe à chaleur à compression, qui fonctionne toujours en utilisant l'énergie mécanique grâce à l'énergie électrique
• Pompe à chaleur à absorption pouvant également fonctionner à la chaleur comme source d'énergie (via l'électricité ou les carburants).

Un certain nombre de sources ont été utilisées comme sources de chaleur pour le chauffage.

Pompe à chaleur aérothermique (extrait la chaleur de l'air extérieur)

• pompe à chaleur air-air (transfère l'énergie thermique de l'air intérieur)
• pompe à chaleur air/eau (transfère l'énergie thermique à un réservoir d'eau)

Pompe à chaleur géothermique (extrait la chaleur du sol ou de sources similaires)

• pompe à chaleur géothermique-air (transfère l'énergie thermique à l'air intérieur)
• pompe à chaleur sol-air (le sol est la source de chaleur)
• pompe à chaleur roche-air (la roche est une source de chaleur)
• pompe à chaleur eau-air (eau comme source de chaleur)

Pompe à chaleur géothermique-eau (transfère la chaleur à un réservoir d'eau)

• pompe à chaleur sur nappe phréatique (le sol est la source de chaleur)
• pompe à chaleur roche-eau (la roche est la source de chaleur)
• pompe à chaleur eau/eau (plan d'eau comme source de chaleur)

Pompes à chaleur Sol-Eau

La solution antigel appelée glycol circule dans le circuit de canalisations enterrées dans le sol de la source de chaleur et prélève la chaleur de la terre au moyen d'un échangeur de chaleur horizontal ou vertical. Cette chaleur est transférée au système de chauffage de la maison, à l'aide d'un compresseur et transportée vers le condenseur. Dans le condenseur, l'eau du système de transfert de chaleur incorpore la chaleur absorbée dans l'évaporateur et est fournie en énergie au compresseur.

Selon la manière dont les capteurs sont placés, on distingue plusieurs types de pompes à chaleur avec capteurs :

• plats : ils ont le système de collecteurs de différentes formes (U ou spirales) enterrés à une profondeur moyenne de 1-2m. C'est un système économique d'une grande efficacité, mais il ne peut être enfoui dans aucun sol et nécessite une extension presque double de la surface habitable.
• de profondeur : ils sont constitués de sondes montées à une profondeur de 50-100 m et ont un rendement très élevé. Les coûts d'installation sont importants en raison des forages qui ont des prix variables entre 100-300 lei / mètre. Ils ne sont utilisables que si le sol le permet.
• à vaporisation directe : ils ont un circuit de capture spécial en plus des plats et pour cette raison ils sont plus efficaces ou peuvent occuper des espaces plus petits.

Pompes à chaleur Eau-Eau

La chaleur de l'eau souterraine ou de l'eau de surface pompée est utilisée dans le transfert de chaleur, transportée à travers le compresseur vers le condenseur. Une fois sur place, le système de pompe Sol-Eau est utilisé. Ce sont les plus efficaces utilisant la chaleur des sources géothermiques avec des températures supérieures à 8 degrés Celsius, mais aussi les plus difficiles à utiliser à la fois en raison de la disponibilité de la ressource et en raison des réglementations légales pour son exploitation. La pompe à chaleur eau/eau a un rôle particulièrement important dans l'industrie ou dans l'exploitation maximale des sources géothermiques. Eaux usées ou eau géothermique avec temp. des maximums de 28-30ºC peuvent être exploités avec succès. Dans le cas des eaux géothermiques, la source peut être démultipliée en utilisant plusieurs PDC en cascade. Evidemment, la qualité de l'eau sera prise en compte, cet inconvénient peut être évité en utilisant des échangeurs thermiques adaptés (anti-corrosion).

La pompe à chaleur eau-eau peut également être utilisée en exploitant l'eau des lacs, des rivières, des eaux des tunnels, des barrages (qui ont des températures >8ºC). Le système eau-eau est également appelé système de captage en boucle ouverte. La vitesse d'écoulement de l'eau à travers le vaporisateur ne doit pas dépasser 0,8 m/s. Ce type de pompe à chaleur peut atteindre le COP le plus élevé de tous les types auxquels nous nous référons. Un tel système eau-eau peut facilement atteindre un COP=5 et même le dépasser s'il est bien réalisé et correctement dimensionné. Il peut également fournir des puissances impressionnantes atteignant des milliers de kW, sur une seule unité ou en connectant plusieurs unités de puissance plus petites. Cependant, jusqu'à présent, du moins en Europe, ce n'est pas la pompe à chaleur la plus répandue. Il y a plusieurs raisons : la qualité de l'eau doit pratiquement correspondre à la qualité de l'eau potable ; l'eau extraite des nappes phréatiques doit être réinjectée dans le sol (le puits d'injection doit être situé à au moins 15m en aval du sens d'écoulement de l'eau dans la nappe phréatique) pour chaque kW thermique installé, un volume d'eau minimum de 160 litres/ heure est requise, soit 0,16 mc/heure (à min. 8ºC), le débit devant être assuré en permanence par le puits d'extraction ; dans l'UE, il existe des réglementations très strictes concernant ce type de forage.

Pompes à chaleur Air-Eau

La chaleur de l'air extérieur, alimentée par un ventilateur ou l'air du système de ventilation, est transportée à travers l'évaporateur vers le fluide caloporteur, puis à travers le compresseur vers le condenseur. Ce système de transfert de chaleur est constitué d'un circuit liquide, utilisé pour le chauffage de l'habitation et/ou pour la production d'eau chaude sanitaire. Ces systèmes ne sont pas très efficaces, dans leur version actuelle les pompes à chaleur eau/eau ont le taux d'efficacité le plus faible, donc le coût est également plus faible. Ces pompes ne peuvent pas fonctionner de manière monovalente à des températures inférieures à 15 degrés Celsius.

Pompes à chaleur air-air

La chaleur de l'air extérieur alimenté par un ventilateur ou de l'air du système de ventilation est acheminée via l'évaporateur vers le fluide caloporteur et transportée via le compresseur vers le condenseur. Le système de transfert de chaleur est composé d'un système de conduits d'air ou d'appareils spécifiques utilisés pour chauffer le bâtiment. Ils sont utilisés dans de rares cas, dans les systèmes de chauffage, en raison du faible rendement de l'agent de chauffage air (les systèmes appelés génériquement "climatisation" sont en fait des pompes à chaleur air-air, et leur COP est inférieur à 3).

Pompes à chaleur avec échangeurs Ultraflex

Le système Ultraflex ne possède plus d'échangeur intermédiaire comme on en trouve dans la plupart des pompes à chaleur du marché, c'est pourquoi le système a un COP très élevé par rapport au reste des pompes à chaleur, une fiabilité fortement accrue et des durées de fonctionnement et de garantie prolongées très longues, et leur prix d'achat est très attractif. Cependant, il a une variation de puissance extrêmement large (de tels systèmes ne sont actuellement pas limités en termes de puissance et offrent des performances inégalées).

• la taille de l'objet à chauffer (la surface habitable et chauffée, la hauteur moyenne des pièces). L'espace disponible (non construit) autour de l'objectif ;
• la zone géographique dans laquelle se situe l'objectif ;
• les possibilités d'installer d'autres systèmes de chauffage (gaz, fioul liquide, gaz liquéfié, etc.) ;
• les possibilités sur site de capitaliser sur la « source froide » (eau, air, sol) ;
• l'existence d'autres sources de chauffage (pour établir le mode de fonctionnement de la pompe à chaleur) ;
• conditions d'alimentation électrique (réseau mono ou triphasé, puissance électrique maximale autorisée sur le raccordement électrique).

Combien coûte la pompe à chaleur ?

Sans aucun doute, le coût d'utilisation d'un système de chauffage par pompe à chaleur est nettement inférieur à celui d'un système de chauffage classique. La différence vient d'une consommation de 1kw de puissance électrique à la pompe à chaleur qui est transformée ou peut produire 3 à 5 kw de puissance thermique. Un très bon rapport par rapport aux autres solutions classiques. La performance énergétique observée au niveau de la pompe à chaleur est donnée par le COP et se définit comme le rapport entre la quantité de chaleur évacuée au niveau du condenseur et l'énergie électrique consommée par le compresseur. Du point de vue de la protection de l'environnement, par rapport à la pompe à chaleur mais aussi compte tenu du confort d'utilisation, on peut dire que les résidus laissés lors du chauffage aux combustibles solides ne sont pas du tout négligeables, ni dans la perspective de leur augmentation de prix constante et prévisible de gaz naturel, de carburants liquides ou d'électricité.

Dans divers programmes d'incitation à la consommation responsable comme "Casa Verde", les propriétaires qui équipaient leur logement d'un système basé sur la pompe à chaleur ont pu bénéficier d'un financement de l'Etat, la dernière fois il était de 8000 lei. Les dépenses liées à l'installation ou à la mise en service du système, ainsi que la taxe sur la valeur ajoutée, la TVA de ces dépenses, étaient également éligibles au décompte.

Le prix de la pompe à chaleur de type Sol-Air varie entre 2400 7,5 euros pour une puissance d'environ 12.000 Kw et peut atteindre 50 280 euros pour celles d'environ XNUMX Kw. Un prix d'environ XNUMX euros/Kw peut être envisagé en fonction du besoin et de la surface que l'on souhaite chauffer.

Le prix de la pompe à chaleur Eau-Eau est moyen par rapport aux autres pompes à chaleur et se situe entre 1900 euros pour les petites 6 Kw et peut atteindre 15.000 50 euros pour les 260 Kw. Un prix d'environ XNUMX euros/Kw peut être envisagé en fonction du besoin et de la surface que l'on souhaite chauffer.

Le prix de la pompe à chaleur air-eau est le plus bas par rapport aux autres systèmes de pompe à chaleur et varie entre 2100 euros / 6 Kw et peut atteindre 9000 euros pour 35 Kw. Un prix d'environ 240 euros/Kw peut être envisagé en fonction du besoin et de la surface à chauffer.

Autres remarques importantes

Selon les normes européennes, le calcul de la charge thermique nécessaire est rapporté au mètre carré de surface, [W/m²], en tenant compte de la hauteur maximale de la pièce H=3m (hauteur typique de la plupart des pièces – dans des cas atypiques la les corrections nécessaires seront apportées).

Par exemple, si un bâtiment a un besoin thermique de 50W/m² et une surface habitable à chauffer de 350m² (H=3m), la puissance thermique de la centrale thermique (quel que soit son type) sera de 250mpx50W/m² = 12500W=12.5kW . (La hauteur n'est précisée que dans les cas atypiques).

Le bon dimensionnement d'une pompe est essentiel pour sa durée de vie. Une pompe à chaleur surdimensionnée, en plus d'être plus chère, a un régime de fonctionnement incorrect avec des démarrages et des arrêts plus fréquents. Une pompe à chaleur sous-dimensionnée, fonctionne plus longtemps et avec de petites pauses. Cependant, il est préférable, s'il n'y a pas d'alternative, de sous-dimensionner la pompe (dans certaines limites) que de la surdimensionner.

Pour une maison de 200 mètres carrés de surface utilisable, où une pompe à chaleur sol-air de 8-10 Kw est suffisante, le coût total est d'environ 60.000 XNUMX lei et diffère selon la marque choisie.

En raison du prix relativement élevé des pompes à chaleur, il n'est pas économique de chauffer des espaces mal isolés qui nécessitent des puissances thermiques élevées. Il est préférable d'isoler le bâtiment plutôt que d'augmenter la puissance de la source de chauffage. Lors de la détermination de la puissance d'une pompe à chaleur réversible, la puissance frigorifique (EER) est prise en compte. La puissance de refroidissement est toujours supérieure à la puissance de chauffage.

Par exemple, les normes DIN 4701 concernant les conditions auxquelles doivent répondre les bâtiments chauffés en Allemagne sont, dans leur évolution :

• 45-60 W/m2002 constructions neuves (réglementation XNUMX)
• 50-60 W/m1995 constructions neuves (réglementation XNUMX)
• 70-90 W/m1995 constructions réalisées avant XNUMX
• 120 W/mXNUMX bâtiments anciens construits sans aucune réglementation

Dans le cas d'un bâtiment avec une très mauvaise isolation thermique, l'investissement dans une pompe à chaleur n'est pas rentable.

Chaudières à pompe à chaleur

En plus de ce qui a été dit précédemment dans cet article, nous pensons qu'il est important de traiter séparément les chaudières à pompe à chaleur en raison du large potentiel de couverture qu'elles offrent. Elles fonctionnent sur le principe des pompes à chaleur air-air, l'eau chauffée étant stockée dans une chaudière qui forme un corps commun avec la pompe à chaleur. La pompe à chaleur air-air a des performances maximales lorsque la température ambiante est supérieure à 15 degrés Celsius, mais elle peut également fonctionner à des températures de -5 degrés Celsius. Si le lieu d'installation de la chaudière avec la pompe à chaleur est choisi correctement, dans une pièce où se trouvent également une centrale thermique ou d'autres équipements générant de la chaleur, du réfrigérateur aux serveurs, etc., le fonctionnement optimal de ces chaudières peut être assuré avec des pompes à chaleur, tout au long de l'hiver, avec de faibles coûts. Les chaudières sont également équipées de résistances électriques pour les situations où un chauffage rapide de l'eau est nécessaire. Une autre option utile est que le flux d'air extrait peut être utilisé pour réduire l'humidité de l'air ou pour refroidir de quelques degrés la pièce dans laquelle la chaudière à pompe à chaleur est installée.

Sources utilisées pour cet article

Remus Radulet et al. Lexique technique roumain, Bucarest: Maison d'édition technique, 1957-1966.
Le volume Systems and Equipment du manuel ASHRAE, ASHRAE, Inc., Atlanta, GA, 2004
Fondamentaux de la thermodynamique de l'ingénierie, par Howell et Buckius, McGraw-Hill, New York
Pompe à chaleur – tous les détails

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