Pompe à chaleur pour chauffer une maison: principe de fonctionnement, variétés et utilisation
Face à la détérioration des conditions environnementales dans le monde et (plus important pour le consommateur moyen) à une augmentation rapide des tarifs du gaz et de l'électricité, de plus en plus d'Européens tentent d'introduire des sources d'énergie alternatives dans leur vie quotidienne. L'une des options de ces systèmes est la pompe à chaleur dite, à travers laquelle vous pouvez chauffer votre maison en hiver et chauffer l'eau à des fins domestiques, en y dépensant un minimum d'électricité.
Au domicile de nos compatriotes ces dernières années aussi, vous pouvez de plus en plus rencontrer ce miracle de l'ingénierie. Bien sûr, pour les Russes, le problème des prix élevés des sources d'énergie traditionnelles n'est pas aussi aigu qu'en Europe, mais, premièrement, ce n'est que pour le moment, et deuxièmement, je ne veux pas être à la traîne du monde civilisé ...
Alors, la pompe à chaleur ... Qu'est-ce que c'est? Sur quoi se base le principe de son action? Où, où et comment pompe-t-il la chaleur? Faisons les choses correctement.
Contenu:
- Le principe de fonctionnement de la pompe à chaleur
- Variétés de pompes à chaleur et systèmes
- Rapport d'efficacité de la pompe à chaleur
- L'utilisation des pompes à chaleur dans le climat russe
- Application de pompe à chaleur pour le refroidissement
- L'utilisation d'une pompe à chaleur pour l'eau chaude
- Pompes à chaleur avec élément chauffant intégré
- Trucs et astuces
Le principe de fonctionnement de la pompe à chaleur
Le principe de fonctionnement des pompes à chaleur repose sur la capacité d'une substance (réfrigérant) à absorber ou à dégager de la chaleur lorsque l'état d'agrégation change. En substance, ces pompes ne sont pas très différentes des unités de réfrigération. (Cette déclaration étrange, à première vue, ne vous surprendra pas du tout si vous avez déjà touché la paroi arrière chaude d'un réfrigérateur domestique ordinaire.)
Schématiquement, une pompe à chaleur peut être représentée comme un système composé de trois circuits. Le premier est un liquide de refroidissement qui transfère l'énergie d'une source de chaleur à faible potentiel. Dans le deuxième circuit, le fluide frigorigène (fréon) circule, qui s'évapore périodiquement, récupérant la chaleur du premier circuit, puis se condense à nouveau, la transmettant au troisième circuit. Et, enfin, le dissipateur de chaleur «coule» le long du troisième circuit, dans notre cas, l'eau qui transfère la chaleur à travers le système de chauffage.
Le rapport cyclique de la pompe à chaleur en termes généraux peut être décrit comme suit. Le réfrigérant liquide pénètre dans l'évaporateur, où il passe à l'état gazeux. L'énergie nécessaire à ce processus pour s'écouler provient du liquide de refroidissement circulant dans le circuit primaire. Ensuite, le réfrigérant gazeux préchauffé de plusieurs degrés est aspiré dans le compresseur, dont le but principal est la compression du gaz (bien sûr, cela consomme de l'électricité).
La pression du gaz augmente plusieurs fois, tout en se réchauffant considérablement: si la température du réfrigérant à l'entrée du compresseur est de 6 à 10 ° C, alors à la sortie, elle est déjà d'environ 60 ° C. À l'étape suivante, le gaz chauffé est envoyé au condenseur, où il donne la chaleur reçue au système de chauffage, tandis qu'il se condense, c'est-à-dire passe à l'état liquide. Ensuite, la surpression est relâchée au moyen d'un papillon des gaz et le cycle recommence.
Comme vous pouvez le voir, l'appareil de la pompe à chaleur ne diffère pas fondamentalement de l'appareil de la machine frigorifique. C'est juste que le but principal des unités de réfrigération est de générer du froid, donc la chaleur est évacuée par l'évaporateur, et le condenseur ne rejette cette chaleur que dans l'espace environnant.Dans la pompe à chaleur, l'inverse est vrai: le condenseur est un échangeur de chaleur qui donne de la chaleur au consommateur, et l'évaporateur est un échangeur de chaleur qui utilise la chaleur à faible potentiel des ressources énergétiques secondaires.
En d'autres termes, une pompe à chaleur est un «réfrigérateur à l'envers». En même temps, "vice versa" n'est pas seulement un appareil, mais aussi un résultat. Si dans le cas d'un réfrigérateur, la chaleur prélevée sur les produits stockés à l'intérieur est gaspillée, alors l'énergie générée par la pompe à chaleur apporte de réels avantages - elle est dépensée pour le chauffage ciblé de la maison.
Variétés de pompes à chaleur et systèmes
L'énergie thermique dépensée pour chauffer le bâtiment et le système d'eau chaude est le résultat de la conversion de l'énergie environnementale à l'aide d'une pompe à chaleur. La pompe concentre cette énergie à faible potentiel (basse température) et la transfère au système de chauffage.
Reste à comprendre ce que l'on entend dans ce cas par l'énergie de l'environnement. La plupart des pompes à chaleur domestiques vous permettent d'utiliser la chaleur du soleil et la chaleur interne de la terre, accumulées par les couches supérieures de la croûte terrestre et de l'eau tout au long de l'année.
Par le type de conception du premier circuit de l'échangeur de chaleur, toutes les pompes à chaleur sont divisées en sol, eau et air.
Pompes à chaleur au sol
Les pompes à chaleur souterraines reçoivent la chaleur nécessaire pour chauffer le réfrigérant dans l'évaporateur depuis le sol. La température de ce dernier à plusieurs mètres de profondeur n'est pratiquement pas soumise aux fluctuations saisonnières. Dans un système fermé de tuyaux placés dans le sol, une "saumure" circule. Ce n'est pas par hasard que nous avons cité le mot «cornichon» entre guillemets: le sel, comme on pourrait s'y attendre du nom, ne le contient pas. En fait, il s'agit d'un antigel à base d'éthylène glycol ou de propylène glycol, moins souvent d'éthanol aqueux. Les tuyaux d'échangeur de chaleur peuvent être posés dans le sol à la fois horizontalement (collecteur horizontal) et verticalement (sonde géothermique).
Les tuyaux collecteurs horizontaux sont posés dans le sol à une profondeur inférieure au niveau de gel du sol dans cette région (généralement 1,5-2 m). Le système d'échange thermique de ce type occupe une assez grande surface. Par exemple, pour chauffer une maison relativement petite d'une superficie de 100 m2 il sera nécessaire d'allouer 2 à 3 acres de terrain. Il convient de noter que sur le territoire occupé par le collectionneur, seuls les arbres et arbustes dont les racines ne pénètrent pas trop profondément dans le sol peuvent être plantés et il est totalement impossible de placer des bâtiments ici.
Une sonde géothermique est un échangeur de chaleur dont les tuyaux sont placés verticalement et immergés dans le sol à une profondeur de 100-200 m. Le nombre de sondes installées dépend de la capacité requise de l'installation. Pour chauffer la maison, que nous avons déjà considérée ci-dessus à titre d'exemple, deux sondes d'une longueur d'environ 80 m situées à une distance de 5 m l'une de l'autre suffiront.
Comme vous pouvez le voir, ce système ne nécessite pas de grandes surfaces, vous pouvez forer des puits dans n'importe quelle partie de votre site - où cela vous convient. Le principal inconvénient des pompes à chaleur à sol avec sondes géothermiques est le coût élevé du forage de puits. Cependant, malgré cela, la plupart des utilisateurs préfèrent précisément ces systèmes, car les sondes géothermiques sont plus efficaces que les capteurs horizontaux et ont moins de restrictions.
Forage d'un puits pour une sonde géothermique.
Pompes à chaleur à eau
La pompe à chaleur à eau «tire» l'énergie des eaux souterraines qu'elle pompe à travers son évaporateur. Un tel système se caractérise par une efficacité accrue et une bonne stabilité: la première caractéristique est le résultat d'un transfert thermique élevé de l'eau, la seconde est due à la constance de la température des eaux souterraines.
Bien entendu, pour utiliser ce type d'installation, il est nécessaire que ces mêmes eaux souterraines soient disponibles sur votre territoire, et en quantité suffisante.Il est hautement souhaitable que l'aquifère ne soit pas situé à une profondeur de plus de 30 à 40 m. Le respect simultané de ces deux conditions est un phénomène peu fréquent. Une autre condition, dont la défaillance peut devenir un obstacle à l'installation d'une pompe à chaleur à eau dans votre maison ou votre chalet, est une faible teneur en sels de fer et autres impuretés dans les eaux souterraines.
L'utilisation d'eau de mauvaise qualité entraînera une défaillance rapide de l'équipement, car l'échangeur de chaleur se bouche tout simplement. La présence de tant de restrictions est la raison pour laquelle de telles pompes à chaleur, malgré leur attractivité, sont rarement installées (environ 5% de tous les projets mis en œuvre).
Pompes à chaleur à air
En termes de facilité d'installation, les pompes à chaleur à air ont un énorme avantage sur leurs "frères". Pour utiliser l'air ambiant comme source de chaleur, vous n'avez pas à forer de puits ni à effectuer d'autres travaux de sol à grande échelle. Par conséquent, si vous mettez dans l'estimation le coût d'installation de l'équipement, une pompe à air vous coûtera beaucoup moins qu'une pompe à eau ou au sol.
Malgré un avantage aussi important, ce type d'équipement climatique ne peut pas être qualifié d'idéal, car il présente également un inconvénient important. Une telle pompe ne fonctionne efficacement que lorsque la température ambiante est supérieure à –15 ° C ... –20 ° C. Une baisse de la température en dessous de cette frontière, qui en hiver n'est pas rare dans la plupart des régions de notre pays, entraîne une baisse significative du coefficient d'efficacité d'une pompe à chaleur à air.
Rapport d'efficacité de la pompe à chaleur
Un peu plus haut, nous avons utilisé le nouveau terme - «coefficient d'efficacité». Il serait faux de ne pas expliquer de quoi il s'agit, d'autant plus que c'est une caractéristique importante des pompes à chaleur qui permet de comparer différents types de pompes entre elles.
Le coefficient d'efficacité (également appelé coefficient de transformation) est le rapport entre l'énergie thermique générée par la pompe et l'énergie électrique consommée par celle-ci. En fait, c'est l'efficacité de la pompe à chaleur. Dans le cas des pompes à chaleur à eau, ce coefficient est de 5, quelle que soit la période de l'année. Cela signifie que lorsque 1 kW * h d'électricité est consommé, l'installation génère 5 kW * h d'énergie thermique.
Dans les pompes à sol, la valeur du coefficient d'efficacité est légèrement inférieure - de 4 à 4,5. Enfin, les pompes à chaleur à air se caractérisent par le plus petit coefficient, et leur efficacité dépend fortement de la température ambiante: à 0 ° C, le coefficient est de ~ 3,5 et à –20 ° C, il ne dépasse pas 1,5 (à un rendement si bas, la pompe cela ne rapporte tout simplement pas, et il est logique de penser à acheter un équipement climatique moins cher, comme une chaudière électrique).
Certains gestionnaires, annonçant les pompes à chaleur qu'ils vendent, assurent aux clients potentiels que cet équipement a une efficacité de 400 à 500%. Bien sûr, il n'est pas question de violation des lois de la thermodynamique. C'est juste que dans ce cas, les calculs sont intentionnellement mal faits: les sources d'énergie autres que l'électricité consommée ne sont pas prises en compte - l'air, l'eau ou le sol, chauffé par le soleil et les processus géothermiques. Lorsque lors du calcul du rendement, seule l'électricité est prise en compte et qu'ils oublient la source de chaleur de faible qualité, le résultat est supérieur à 100%.
L'utilisation des pompes à chaleur dans le climat russe
Après avoir pris connaissance des descriptions ci-dessus des différents types de pompes à chaleur, vous pouvez facilement répondre vous-même à la question de savoir quelle pompe convient le mieux au fonctionnement dans le climat russe.
Les pompes à chaleur à air ne peuvent être utilisées que dans un nombre limité de régions de notre pays - où la température de l'air en hiver ne descend presque pas en dessous de zéro. Bien sûr, les habitants de la Sibérie, de l'Extrême-Orient, du nord de la partie européenne de la Russie ne devraient même pas penser aux pompes à chaleur à air.
Il existe de nombreuses limitations à l'utilisation des pompes à chaleur à eau. Nous en avons déjà parlé, il en reste encore un. Plus de la moitié du territoire de notre pays se trouve dans la zone de pergélisol. Si même certains résidents de la Sibérie orientale ou du nord de l'Extrême-Orient sont «chanceux» et qu'il y a des eaux souterraines dans leur section qui ne sont pas trop profondes, alors ces eaux souterraines sont sous forme de glace, ce qui signifie qu'elles ne conviennent pas pour une utilisation dans le système de chauffage .
Ainsi, la plupart de nos compatriotes doivent compter sur la seule option gagnant-gagnant, une pompe à chaleur au sol. De plus, dans les conditions du climat russe, une pompe à collecteur horizontal plutôt qu'à sonde horizontale, qui permet d'atteindre une profondeur où la température du sol est plus stable, est plus adaptée.
Application de pompe à chaleur pour le refroidissement
Un énorme avantage des pompes à chaleur est qu'elles peuvent non seulement chauffer la maison, mais aussi, si nécessaire, la refroidir. Notre court été russe est parfois très chaud, et lorsque votre maison devient littéralement chaude, la proposition de transformer le radiateur en climatiseur sera très utile.
Une solution technique à ce problème peut être intégrée dans la pompe à chaleur dans un premier temps, au stade de la fabrication, et presque tous les fabricants disposent d'une ligne de pompes pouvant conditionner la pièce (mode Natural Cooling). Si votre pompe à chaleur n'a pas de telles capacités, tout n'est toujours pas perdu - une pompe ordinaire peut également fonctionner pour le refroidissement. L'équipement supplémentaire nécessaire sous forme de découplage hydraulique sera monté à l'extérieur de la pompe. Les deux options ne nécessitent pas de gros investissements.
Vous pouvez transporter le froid généré par la pompe à chaleur directement dans la pièce de différentes manières. Cette fonction peut être attribuée à des panneaux froids sur les murs ou les plafonds, au refroidissement du chauffage au sol, à des radiateurs avec un bon flux d'air ou à un ventilo-convecteur - un appareil dans lequel un échangeur de chaleur à plaques soufflé par un ventilateur est intégré.
L'utilisation d'une pompe à chaleur pour l'eau chaude
Toute pompe à chaleur peut non seulement chauffer votre maison, mais également vous fournir de l'eau chaude toute l'année. Cependant, il convient de garder à l'esprit que ce système est à basse température, ce qui signifie que la température de l'eau dans la chaudière ne dépassera pas 45-55 ° C. Il s'ensuit que le volume de la chaudière doit être supérieur à celui utilisé avec un système de chauffage standard, sinon vous et votre ménage devrez vivre dans des conditions d'austérité de l'eau chaude.
Ce fait doit être pris en compte lors de l'attribution d'espace pour une chaufferie, c'est-à-dire même au stade de la conception d'une maison. En outre, lors du choix d'une chaudière, vous devez tenir compte du fait qu'il doit s'agir d'un équipement spécial conçu pour fonctionner avec des installations de pompe à chaleur. La principale différence entre cette chaudière et la chaudière habituelle est la surface accrue de l'échangeur de chaleur nécessaire pour le transfert de chaleur le plus efficace de la pompe à chaleur.
Pompes à chaleur avec élément chauffant intégré
Souvent, les fabricants intègrent des radiateurs électriques supplémentaires dans leurs pompes à chaleur. Le chauffage intégré permet, si nécessaire, de passer à une autre source d'énergie du point de vue de la pompe à chaleur - l'électricité. À quoi ça sert? Dans quels cas devient-il nécessaire d'utiliser un élément chauffant?
La sélection d'une pompe à chaleur pour chauffer une maison est effectuée en tenant compte de divers paramètres, y compris les caractéristiques climatiques de la région. Il est jugé inapproprié d'installer une pompe avec une puissance excessive. Le fait est que les jours extrêmement froids ne se produisent pas très souvent, du moins dans la partie centre-européenne de la Russie. La pratique montre qu'une option plus économique consiste à "obtenir" l'énergie électrique nécessaire pendant ces périodes glaciales que d'installer initialement une pompe plus puissante. La présence d'un élément chauffant élimine le besoin de rendre le système plus puissant que ce qui est requis pendant la majeure partie de la saison de chauffage.
Pour les propriétaires de pompes à chaleur à eau et au sol, un chauffage intégré est plus un excès qu'une nécessité. La situation avec les pompes à chaleur à air semble complètement différente. À une température de l'air de –20 ° C ou moins, une telle pompe, si elle ne s'arrête pas, sera inefficace. Et bien qu'il n'y ait pas tant de jours et de nuits froids dans l'année, je ne veux pas rester dans une maison qui gèle rapidement à un moment précis. La présence d'un générateur de chaleur en double dans ce cas ne peut pas être qualifiée de luxe.
Pompe à chaleur air.
Trucs et astuces
Une pompe à chaleur est un équipement techniquement sophistiqué et assez cher, vous devez donc aborder sa sélection avec une grande responsabilité. Afin de ne pas être infondé, nous formulons des recommandations très précises.
1. Ne commencez jamais à choisir une pompe à chaleur sans avoir d'abord effectué des calculs et créé un projet. L'absence d'un projet peut provoquer des erreurs fatales, qui ne peuvent être corrigées qu'à l'aide d'énormes investissements financiers supplémentaires.
2. Seuls les professionnels doivent confier la conception, l'installation et la maintenance de la pompe à chaleur et du système de chauffage. Comment s'assurer que des professionnels travaillent dans cette entreprise? Tout d'abord, selon la disponibilité de toute la documentation nécessaire, un portefeuille d'objets vendus, des certificats de fournisseurs d'équipements. Il est hautement souhaitable que toute la gamme des services nécessaires soit fournie par une seule entreprise, qui dans ce cas sera entièrement responsable de la mise en œuvre du projet.
3. Nous vous conseillons de privilégier la pompe à chaleur de fabrication européenne. Ne soyez pas dérouté par le fait qu'il est plus cher qu'un équipement chinois ou russe. Lorsque le coût d'installation, de mise en service et de mise au point de l'ensemble du système de chauffage est inclus dans le devis, la différence de prix des pompes sera presque imperceptible. Mais alors, ayant un «Européen» à votre disposition, vous serez sûr de sa fiabilité, car le prix élevé de la pompe n'est que le résultat de l'utilisation de technologies modernes et de matériaux de haute qualité dans sa création.
