Pompe à chaleur pour le chauffage domestique – principe de fonctionnement, types et installation

Une pompe à chaleur est un appareil permettant de transférer l'énergie thermique d'une source à un consommateur.

La chaleur se transfère spontanément d'un corps chaud vers un corps froid. La pompe transfère la chaleur dans le sens inverse.

Le système comprend un compresseur, un détendeur thermostatique, un évaporateur et un condenseur. Un climatiseur est un exemple typique de pompe à chaleur.

Pour choisir la pompe la mieux adaptée à un usage domestique, il est conseillé d'étudier les caractéristiques et le principe de fonctionnement de chaque modèle. Chaque type présente également des limitations qu'il est important de connaître.

Principe de fonctionnement des pompes à chaleur

Les pompes à chaleur commencent tout juste à se généraliser dans les habitations privées. L'un des principaux avantages de ce mode de chauffage est faible consommation d'énergie, mais forte génération de chaleurLa classification est basée sur la source de chaleur.

Un appareil de chauffage domestique fonctionne selon le principe qu'une substance (le fluide frigorigène) peut libérer ou absorber de l'énergie thermique lors d'un changement d'état. Ce principe est à la base du fonctionnement d'un réfrigérateur (c'est pourquoi l'arrière de l'appareil est chaud).

La pompe à chaleur de chauffage fonctionne comme suit :

1. L'agent entrant est refroidi de 5 degrés dans la section d'évaporation en fonction de l'énergie provenant du fluide caloporteur.
2. Le fluide refroidi pénètre dans le compresseur, qui le comprime et le réchauffe lors de son fonctionnement.
3. Le gaz déjà chaud pénètre dans le compartiment d'échange thermique, où il cède sa propre chaleur au système de chauffage.
4. Le fluide frigorigène condensé retourne au début du cycle.

Certains modèles fonctionnent en mode réversible. Ils peuvent ainsi être utilisés même en été pour rafraîchir le bâtiment. La chaleur est stockée puis utilisée pour le chauffage durant les mois plus froids.

Appareil

Une pompe à chaleur pour chauffer une maison se compose de plusieurs éléments de circuit de base :

• un circuit avec un fluide caloporteur qui évacue l'énergie de la source de chaleur ;
• un circuit contenant du fréon, qui s'évapore périodiquement en prélevant de l'énergie thermique du premier circuit, puis se condense à nouveau en transférant de la chaleur au troisième ;
• un circuit dans lequel circule un liquide qui sert de fluide caloporteur pour le chauffage.

dispositif de pompe à chaleur

Chauffer une maison avec une pompe à chaleur est économique. En effet, cet appareil consomme peu d'énergie (et donc pas plus d'électricité qu'un appareil électroménager classique), tout en produisant quatre fois plus de chaleur que d'électricité consommée.

Il n'est pas nécessaire non plus de créer une ligne de câblage séparée pour raccorder la pompe.

Avantages et inconvénients

Avant de décider d'utiliser ou non une pompe à chaleur, il convient de se familiariser avec les avantages et les inconvénients de son fonctionnement. Examinons de plus près les avantages et les inconvénients de l'utilisation d'une pompe à chaleur..

Utilisation des centrales thermiques dans le monde

L'utilisation de tels appareils de chauffage a été pratiquée dans le monde entier. depuis plus de 50 ansLes principaux facteurs à l'origine de ce phénomène étaient la hausse du coût des ressources énergétiques traditionnelles et le soutien généralisé des gouvernements de nombreux pays à l'utilisation de sources d'énergie alternatives.

Par conséquent, le nombre de pompes à chaleur augmente constamment à un rythme élevé. jusqu'à 10 à 30 % par anMalgré les coûts d'installation élevés, on compte actuellement plus de 270 appareils de ce type.

Les systèmes thermiques sont surtout utilisés aux États-Unis et au Canada, représentant jusqu'à la moitié des installations utilisées dans le monde.

Malgré des conditions favorables à l'utilisation des pompes à chaleur, la Russie accuse un retard par rapport aux tendances mondiales en la matière. Cela s'explique probablement par notre conviction de disposer de ressources naturelles inépuisables.

Cependant, toutes les zones habitées du pays ne sont pas desservies par des gazoducs. L'expérience mondiale en matière de pompes à chaleur indique des tendances positives quant à leur utilisation.

calcul de pompe à chaleur

Comme nous l'avons mentionné plus haut, les sources de chaleur à faible potentiel pour ces pompes sont le plus souvent les fluides suivants :

1. Air extérieur avec une température moyenne de -15 à +25 degrés.
2. L'air provient d'une pièce chauffée, sa température est de +15 à +25 degrés.
3. L'air provenant de la sonde du sous-sol est chauffé à plus 4 - 10 degrés.
4. L'air provenant de formations géothermiques, dont la température peut atteindre 10 degrés ou plus.
5. Air prélevé par des sondes de fond dans des plans d'eau non gelants à une température de 0 à 10 degrés, y compris celui prélevé dans des sondes installées dans les canaux d'eaux usées industrielles des entreprises.

Méthode de calcul

Tout calcul thermique est un processus complexe qui ne peut être réalisé que par des spécialistes qualifiés. Cependant, une méthodologie simplifiée peut être proposée ; elle suffit à obtenir un résultat permettant de choisir un modèle d’unité particulier.

Le calcul se résume à effectuer un certain nombre d'étapes :

1. Déterminer la quantité de perte de chaleur à travers les éléments d'enveloppe d'un bâtiment – murs, plafonds, combles, fenêtres, portes, etc. Ceci peut être réalisé grâce à la relation suivante :

Qок = S x (tвн – t нар) x (1 + ?b) xn : Rт, Où

S – surface totale de tous les éléments d'enveloppe du bâtiment, m²²;

t bh – température extérieure, degrés C;

t nar – température de l'air dans l'espace extérieur, degrés C ;

n est un coefficient qui prend en compte la structure du bâtiment ; pour les bâtiments ouverts, il est égal à 1 ; pour les bâtiments avec combles, il est appliqué à une valeur de 0,9 ; pour les locaux situés au sous-sol, il est considéré comme égal à 0,75 ;

b – coefficient de perte de chaleur supplémentaire, en fonction du type de bâtiment et de son emplacement dans les zones climatiques de la Russie, sa valeur peut fluctuer dans la plage de 0,05 à 0,27 ;

Rт est la résistance thermique, qui doit être calculée en outre à l'aide de la formule :

Rт = 1( , m²xC/W, où

• valeurs calculées de la conductivité thermique des matériaux de la structure d'enveloppe ;
• coefficient de dissipation thermique des surfaces internes ;
• Il en va de même pour les surfaces extérieures.

Après avoir effectué des calculs préliminaires, nous déterminons les pertes de chaleur totales dues à différents facteurs :

Qт.пот = Qок+Qи-Qбл, Où

Qbl – transfert thermique total dû au fonctionnement des appareils ménagers et à l’activité humaine ;

Qi – coûts énergétiques pour compenser les pertes de chaleur dues aux fuites dans les structures d’enveloppe.

2. À partir des résultats obtenus, nous pouvons calculer la demande annuelle d'électricité. Pour ce faire, nous utilisons le ratio suivant :

Qannée = 24 x 0,63 x Qt.pot x ((dx (étain-extérieur) : (étain-extérieur)) (kW/heure) par an, Où:

• tvn - la valeur de température souhaitée à l'intérieur de la maison ;
• t nar – température extérieure réelle ;
• tнар.ср – température annuelle moyenne dans la région ;
• d – durée de la période de chauffage, jours.

3. Pour mieux comprendre le fonctionnement d'une pompe à chaleur, il est nécessaire de calculer la puissance thermique requise pour chauffer l'eau de votre système de chauffage domestique. Vous pouvez utiliser la formule de calcul suivante :

Qhor.v = V x 17 kW/ par an, Où:

V – volume de consommation journalière d'eau chauffée à 50^O AVEC.

En conséquence, les coûts énergétiques liés à la production de chauffage et d'eau chaude sanitaire s'élèveront à :

Q = Qannée + Qgv, (kW/heure par an).

Il est recommandé de majorer le résultat obtenu de 10 %, compte tenu du fonctionnement plus intensif du système lors des pics de consommation. Un calcul préliminaire de la puissance de la pompe à chaleur pour le chauffage domestique permet un choix précis de l'installation.

Pour effectuer le calcul, vous pouvez utiliser une calculatrice spéciale ; on en trouve en abondance sur Internet.

Types de pompes à chaleur

Il existe plusieurs types d'appareils selon la source de chaleur utilisée. Le principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur domestique repose sur le captage de la chaleur provenant de sources capables d'accumuler au mieux l'énergie solaire tout au long de la saison.

Les types d'appareils suivants sont disponibles à la vente :

• sol (terre - eau);
• air (air - air);
• air - eau;
• eau (eau - eau).

Examinons-les plus en détail ci-dessous.

Air - eau

Fonctionnement de la pompe AIR-EAU Le procédé consiste à chauffer le fluide frigorigène d'un système de pompe à chaleur à l'aide d'air chaud. Un ventilateur aspire l'air chaud ambiant et le propulse dans le système.

Pompe à chaleur air-eau

Là, il interagit avec le fluide frigorigène, qui s'échauffe et se transforme en gaz. Ce gaz pénètre ensuite dans le compresseur, où il est forcé sous pression dans le condenseur interne, cédant sa chaleur à l'eau.

Terre - eau

Le sol est la source de chaleur la plus stable et donc la plus répandue. À une profondeur de 4 à 8 mètres, la température est constante entre 5 et 8 degrés au-dessus de zéro, et à 10 mètres de profondeur, elle atteint 10 degrés. Il existe deux principales méthodes de captage de l'énergie thermique :

• en utilisant un collecteur horizontal ;
• au moyen d'une sonde géothermique verticale.

Le premier type consiste en un ensemble de tuyaux horizontaux transportant le fluide de refroidissement. La profondeur d'installation doit être calculée au cas par cas, en fonction du terrain, du climat et d'autres facteurs.

Dans certaines situations, il est conseillé de placer la canalisation à la profondeur de gel du sol (1,4 - 1,8 m), 2,5 à 3,5 mètres (s'il est nécessaire de réduire l'écart de température et d'obtenir une plus grande constance) ou 1 à 1,3 mètre (À cette profondeur, le sol se réchauffe plus vite au printemps.) Parfois, un collecteur spécial composé de deux couches est même installé.

Ce type de collecteur utilise des tuyaux d'une section de 25, 32 ou 40 mm. Ils peuvent être disposés selon différents motifs : spirale, éclair, serpentin, boucle, etc. Si un motif serpentin est utilisé, les tuyaux doivent être espacés de 0,6 à 1 mètre (le plus souvent 80 centimètres).

Pour calculer le coefficient de transfert thermique d'une canalisation, il est nécessaire de tenir compte de la nature du sol. Pour du sable ou de l'argile secs, ce coefficient est respectivement de 10 et 20 W par mètre linéaire ; pour de l'argile humide, il est de 25 W ; et pour une argile à forte teneur en eau, il est de 35 W.

L'inconvénient de ce type de capteur réside dans la nécessité d'un système de grande taille. Si la surface habitable à chauffer est de 100 mètres carrés et que le sol est composé d'argile humide, le système de capteurs nécessitera alors 400 mètres carrés de terrain, voire environ 500 mètres carrés.

Étant donné que les bâtiments et autres objets ne peuvent pas être situés en surface (seule une pelouse avec des plantes âgées d'un an peut être installée), tous les propriétaires ne pourront pas dégager suffisamment d'espace libre.

Dans ce cas, une sonde verticale est une solution plus adaptée. Elle se compose d'un échangeur de chaleur dont les tuyaux sont enterrés jusqu'à 200 m de profondeur. Le nombre de sondes installées dépend de la puissance de chauffage requise.

Les forages peu profonds doivent être espacés d'environ 5 à 8 mètres. Forer un seul tuyau à 100-200 mètres de profondeur n'est pas rentable et nécessite des autorisations des autorités compétentes. Pour éviter cela, il est conseillé d'installer plusieurs tuyaux.

Le seul inconvénient des structures verticales est donc le coût élevé du forage de puits profonds.

Cependant, malgré cela, la sonde reste une solution plus populaire, car elle offre une efficacité suffisante sans aucune exigence quant à la superficie du site ou à d'autres facteurs limitants.

L'eau est de l'eau

L'eau est une autre source de chaleur courante pour le chauffage domestique. Il existe trois types de systèmes de chauffage par eau chaude, selon la provenance du liquide :

• un collecteur placé au fond d'une étendue d'eau libre (qui ne doit pas geler) – mers, rivières, lacs ;
• un collecteur situé dans les égouts ;
• en utilisant l'eau de puits ou d'eaux souterraines.

La première option consiste à immerger les tuyaux d'antigel. Pour éviter qu'ils ne remontent à la surface, ils sont lestés. Grâce à la température élevée du liquide de refroidissement, cette méthode est considérée comme efficace et économique.

L'inconvénient est qu'une telle structure ne peut être construite que si l'étang se situe à moins de 50 mètres de la propriété. Autrement, l'installation et l'exploitation ne seront pas rentables. Cependant, pour les habitants du littoral, une pompe à chaleur géothermique représente une solution de chauffage optimale.

Utilisant les eaux usées traitées et les eaux usées rejetées par les usines de traitement, un capteur solaire peut chauffer des immeubles et des installations industrielles et fournir de l'eau chaude sanitaire. Ce système est rarement utilisé pour le chauffage des habitations individuelles, car celles-ci sont souvent situées loin du réseau d'égouts central.

Un capteur utilisant l'eau de puits ou de nappe phréatique est moins fréquent que d'autres types. Cela s'explique principalement par la nécessité de construire deux bassins. Le premier recueille le liquide, qui cède ensuite son énergie thermique au fluide frigorigène, tandis que le second reçoit l'eau refroidie.

Dans certains cas, on construit un puits d'infiltration plutôt qu'un forage. Ce puits de refoulement doit être situé en aval de la nappe phréatique et à 20 mètres du puits d'origine.

Ce système est assez difficile à installer et à entretenirIl est essentiel de surveiller régulièrement les composants de la pompe afin de détecter toute corrosion ou contamination. Il est également important de contrôler la qualité de l'eau à l'arrivée et de la filtrer rapidement.

Air - air

Les pompes à chaleur air-air présentent un avantage certain par rapport aux autres types d'appareils. Elles utilisent uniquement l'air comme source de chaleur, ce qui élimine le besoin de forer des puits ou d'installer des capteurs thermiques. Par conséquent, les pompes à chaleur air-air sont nettement moins chères.

Ce type de chauffage possède la structure et le principe de fonctionnement les plus simples. L'air pénètre dans l'évaporateur où il cède sa chaleur au fluide frigorigène. Cette chaleur est ensuite transférée de l'évaporateur au fluide caloporteur directement dans la maison. Ce type de chauffage peut être représenté, par exemple, par des convecteurs de ventilation (ventilo-convecteurs) ou un système de chauffage au sol.

Le coût d'installation de cet appareil est relativement faible comparé aux systèmes à eau ou au sol, et son efficacité dépend principalement de la température ambiante. Si vous habitez dans une région aux hivers doux (au moins 0 °C), cette méthode est considérée comme la plus économique.

Si la température descend en dessous de -15 degrés, la pompe ne pourra pas assurer un chauffage suffisant de la pièce ; il sera donc plus approprié d'utiliser un chauffage électrique ou une chaudière.

S'il est important de faire fonctionner une pompe à air dans les régions aux hivers froids, une source de chaleur de secours supplémentaire est installée et sera activée en cas de fortes gelées.

Il est également possible, dans certains cas, d'installer un système de climatisation si le climat est sec et que la température ne descend pas en dessous de -15 degrés.

Par temps humide et glacial, une couche de glace se formera sur le boîtier de l'appareil, ce qui perturbera son fonctionnement et pourra entraîner une panne rapide.

Prix ​​et fabricants

La valeur marchande moyenne approximative de l'équipement et de son installation est de :

Collecteur horizontal :

• Pompe – 4500 $;
• installation — 2500 $;
• Coût d'exploitation : 350 $ par an.

Sonde géothermique :

• Pompe – 4500 $;
• installation — 4 500 $;
• Coût d'exploitation : 320 $ par an.

Air - pour la maison :

• Pompe – 6500 $;
• installation — 400 $;
• Coût d'exploitation : 480 $ par an.

Pompe eau-eau pour la maison :

• Pompe à chaleur – 4500 $;
• installation — 3 500 $;
• Coût d'exploitation : 280 $ par an.

Les prix indiqués ne sont pas définitifs. Le coût final dépendra du pays et du fabricant de l'appareil, du type de terrain, du climat, des coûts de forage, des conditions de construction, etc.

Par exemple, le prix d'une pompe à air d'un fabricant russe sera d'environ 7 000 $, tandis que celui d'un fabricant étranger sera de 13 000 $.

N'oubliez pas non plus le coût de l'électricité. Même si l'équipement ne consomme pas beaucoup d'énergie, ces dépenses doivent absolument être prises en compte dans votre estimation et votre budget global.

Quelle pompe choisir ?

Pour choisir l'appareil le plus adapté à vos besoins, vous devez prendre en compte les facteurs suivants :

• Budget estimatif – la somme que le propriétaire est prêt à dépenser pour l’installation et le raccordement du système complet ;
• Quel est le système de chauffage existant ou prévu à l'intérieur de la maison ? Chauffage au sol, radiateur, etc. ?
• Combien de mètres carrés le propriétaire est-il disposé à consacrer au site pour la création d'un espace de collection ?
• Est-il possible de forer profondément ?
• la nécessité d’une étude géologique (si une sonde géothermique est prévue) pour déterminer la profondeur à laquelle le capteur doit être installé ;
• Est-il nécessaire de climatiser le flux d'air en été ?
• Des dispositifs de chauffage de l'air seront-ils installés ?

Lors du choix d'une pompe à chaleur, il est recommandé de prêter attention au coefficient de conversion thermique (noté ϕ). Ce coefficient détermine l'efficacité de l'appareil. Si ϕ = 4 est spécifié lors de l'achat, la pompe à chaleur produira 4 kW d'énergie thermique pour une consommation électrique de 1 kW.

Lors de l'établissement de votre budget, il est important de prendre en compte non seulement le coût d'achat de la pompe, mais aussi ses coûts d'exploitation futurs. Ces facteurs sont souvent différents.

Par exemple, l'installation d'un système air-eau présente un faible coût initial, mais engendre des coûts d'exploitation importants en raison de son faible rendement. Si vous souhaitez minimiser ces coûts, une pompe à chaleur géothermique verticale est la solution idéale.

Le coût d'un système géothermique ou hydraulique et de son installation est assez élevé, nécessitant un investissement initial conséquent. Cependant, une pompe à chaleur utilisée pour le chauffage est amortie en 5 à 10 ans. Par conséquent, la décision d'acquérir cet appareil doit reposer sur les capacités financières du client et les caractéristiques du bâtiment (localisation, climat, etc.).

Si, par exemple, un forage profond est impossible sur un site, que sa superficie ne permet pas l'installation d'un capteur horizontal et qu'il n'y a pas de plan d'eau à proximité, la seule solution est d'installer une pompe à chaleur air-air pour chauffer la maison.

installation à faire soi-même

Si le propriétaire maîtrise bien les principes de fonctionnement et le schéma des circuits de l'équipement, il peut assembler la pompe lui-même. Toutefois, des calculs préliminaires sont nécessaires ; pour cela, il est conseillé d'utiliser un logiciel d'optimisation des systèmes de refroidissement.

L'installation la plus simple consiste à réaliser soi-même un système de chauffage air-eau. Elle se compose de deux conduits (un pour l'arrivée d'air et un pour l'évacuation), d'un ventilateur et d'un compresseur.

Il n'est pas nécessaire d'acheter un nouveau compresseur ; vous pouvez utiliser celui en état de marche d'un réfrigérateur ou d'un autre appareil. Un compresseur à spirale est recommandé.

Étapes du travail :

1. Fabriquez un serpentin avec un tuyau en cuivre. Placez le tuyau contenant le fluide frigorigène par-dessus.
2. Installez le serpentin dans un récipient en plastique divisé en deux. Celui-ci servira d'évaporateur.
3. Raccordez la vanne thermostatique et isolez-la.
4. Assemblez tous les éléments en un bloc et vérifiez son fonctionnement.

Il est important de noter que cette procédure est assez complexe pour un particulier. Un non-professionnel ne sera pas en mesure d'assembler correctement toutes les pièces et de raccorder la vanne thermostatique.

Il est préférable de confier ce travail à des professionnels, car des erreurs dans la procédure peuvent entraîner un dysfonctionnement du matériel ou une consommation d'énergie inefficace.

Ainsi, une pompe à chaleur constitue un moyen efficace de chauffer une maison individuelle. Si ce type d'équipement est peu répandu en Russie et dans la CEI, il est en revanche très courant en Europe et aux États-Unis.

Il est recommandé de choisir la pompe à chaleur appropriée en fonction non seulement du coût d'installation et de fonctionnement, mais aussi de la région d'utilisation, des conditions de construction, de la superficie du site et d'autres facteurs.