Pompe à chaleur pour chauffer une maison: principe de fonctionnement, variétés et utilisation

Face à la dégradation de la situation environnementale dans le monde et (surtout pour le consommateur moyen) à la hausse rapide des tarifs du gaz et de l'électricité, de plus en plus d'Européens tentent d'introduire des systèmes utilisant des sources d'énergie alternatives dans leur vie quotidienne. Une des options pour de tels systèmes est la dite pompe à chaleur, grâce à laquelle vous pouvez chauffer votre maison en hiver et chauffer de l’eau à des fins domestiques en dépensant un minimum d’électricité.

Au domicile de nos compatriotes, ces dernières années, vous pouvez également rencontrer de plus en plus ce miracle de l’ingénierie. Bien sûr, pour les Russes, le problème des prix élevés des sources d’énergie traditionnelles n’est pas aussi grave qu’en Europe, mais d’une part, c’est seulement pour le moment, et, d’autre part, je ne veux pas rester à la traîne du monde civilisé ...

Alors la pompe à chaleur ... De quoi s'agit-il? Sur quoi repose le principe de son action? Où, où et comment transfère-t-il la chaleur? Allons bien faire les choses.

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 de l'agrégation change. Essentiellement, 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 le mur chaud 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 de l'énergie à partir d'une source de chaleur à faible potentiel. Dans le deuxième circuit, le fluide frigorigène (fréon) circule, qui s'évapore périodiquement en absorbant la chaleur du premier circuit, puis se condense à nouveau, ce qui le conduit au troisième circuit. Et enfin, le dissipateur thermique "court" le long du troisième circuit, dans notre cas, de l’eau qui transfère de la chaleur à travers le système de chauffage.

Le cycle de service de la pompe à chaleur en termes généraux peut être décrit comme suit. Le réfrigérant liquide entre dans l'évaporateur où il passe à l'état gazeux. L'énergie nécessaire à l'écoulement de ce processus provient du fluide caloporteur circulant dans le circuit primaire. Ensuite, le réfrigérant gazeux préchauffé de plusieurs degrés est aspiré dans le compresseur, dont le but principal est de comprimer le gaz (bien sûr, cela consomme de l'électricité).

La pression du gaz augmente plusieurs fois alors qu'elle se réchauffe de manière significative: si la température du réfrigérant à l'entrée du compresseur est de 6 à 10 ° C, à la sortie, elle atteint déjà 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. La surpression est alors relâchée au moyen d'un papillon des gaz et le cycle recommence.

Comme vous pouvez le constater, l'appareil de la pompe à chaleur ne diffère pas fondamentalement de l'appareil de la machine de réfrigération. Le but principal des unités de réfrigération étant de générer du froid, la chaleur y est absorbée par l'évaporateur et le condenseur ne rejette que cette chaleur dans l'espace environnant.Dans la pompe à chaleur, l’inverse est vrai: le condenseur est un échangeur de chaleur qui fournit de la chaleur au consommateur et l’évaporateur est un échangeur de chaleur qui utilise la chaleur à faible potentiel des sources d’énergie secondaires.

En d’autres termes, une pompe à chaleur est un «réfrigérateur à l’inverse». Dans le même temps, "inversement" n’est pas seulement un appareil, mais aussi un résultat. Si, dans le cas d'un réfrigérateur, la chaleur absorbée par les produits stockés à l'intérieur est gaspillée, l'énergie générée par la pompe à chaleur apporte de réels avantages - elle est utilisée pour le chauffage ciblé de la maison.

Variétés de pompes à chaleur et de systèmes

L'énergie thermique dépensée pour chauffer le bâtiment et le système d'eau chaude résulte 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.

Il 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.

Selon 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 souterraines

Les pompes à chaleur souterraines reçoivent la chaleur nécessaire pour chauffer le réfrigérant dans l'évaporateur à partir du 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 pris 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 horizontalement (collecteur horizontal) et verticalement (sonde géothermique).

Les tuyaux du collecteur horizontal sont enfouis dans le sol à une profondeur inférieure au niveau de gel du sol dans cette région (généralement entre 1,5 et 2 m). Le système d'échange de chaleur de ce type occupe une assez grande surface. Par exemple, pour chauffer une maison relativement petite d’une superficie de 100 m² besoin d'allouer 2-3 acres de terre. Il convient de noter que sur le territoire occupé par le collectionneur, seuls peuvent être plantés les arbres et arbustes dont les racines n’entrent pas trop profondément dans le sol, et il est absolument 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 à 200 m Le nombre de sondes installées dépend de la capacité requise de l'installation. Pour chauffer la maison, ce que nous avons déjà considéré ci-dessus à titre d'exemple, il suffira de deux sondes d'une longueur d'environ 80 m situées à une distance de 5 m l'une de l'autre.

Comme vous pouvez le constater, ce système ne nécessite pas de grandes superficies, vous pouvez forer des puits dans n’importe quelle partie de votre site - à votre convenance. Le principal inconvénient des pompes à chaleur pour sol à sondes géothermiques est le coût élevé du forage de puits. Cependant, malgré cela, la plupart des utilisateurs préfèrent ces systèmes, car les sondes géothermiques sont plus efficaces que les collecteurs horizontaux et sont soumises à moins de restrictions.

Forer un puits pour une sonde géothermique.

Pompes à chaleur eau

La thermopompe à eau “puise” l'énergie des eaux souterraines qu'elle pompe via son évaporateur. Un système similaire se caractérise par une efficacité accrue et une bonne stabilité: la première caractéristique est le résultat d'un transfert de chaleur 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 plus de 30 à 40 mètres de profondeur, mais la réalisation simultanée de ces deux conditions est un phénomène peu fréquent. Une autre condition, dont la défaillance peut devenir un obstacle à l’installation d’une thermopompe à eau dans votre maison ou votre chalet, est la faible teneur en sels de fer et autres impuretés dans les eaux souterraines.

L'utilisation d'une eau de mauvaise qualité provoquera une défaillance rapide de l'équipement, car l'échangeur de chaleur se bouche simplement. La présence de tant de restrictions est la raison pour laquelle de telles pompes à chaleur, malgré leur attrait, sont rarement installées (environ 5% de tous les projets mis en œuvre).

Pompes à chaleur air

En termes de facilité d'installation, les pompes à chaleur à air ont un avantage considérable 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 terrassement à grande échelle. Par conséquent, si vous calculez le coût d'installation du matériel, une pompe à air vous coûtera beaucoup moins cher qu'une pompe à eau ou à la terre.

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 au-dessous de cette frontière, qui n’est pas rare en hiver dans la plupart des régions du pays, entraîne une diminution importante du coefficient de rendement d’une pompe à chaleur air.

Ratio 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 ce que c'est, d'autant plus que c'est une caractéristique importante des pompes à chaleur, qui permet de comparer différents types de pompes.

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 égal à 5, quelle que soit la période de l'année. Cela signifie que lorsque 1 kW * h d'électricité est consommée, l'installation génère 5 kW * h d'énergie thermique.

Dans les pompes de sol, la valeur du coefficient d'efficacité est légèrement inférieure - de 4 à 4,5. Enfin, les pompes à chaleur à air sont caractérisées par le coefficient le plus faible et leur efficacité dépend fortement de la température ambiante: à 0 ° C, le coefficient est ~ 3,5 et à –20 ° C, il ne dépasse pas 1,5 (avec un rendement aussi faible, la pompe c’est tout à fait logique de penser à l’achat d’équipements climatiques moins coûteux, comme une chaudière électrique).

Certains gestionnaires, qui annoncent les pompes à chaleur qu'ils vendent, assurent aux clients potentiels que cet équipement a une efficacité de 400 à 500%. Bien entendu, il n'est pas question de violation des lois de la thermodynamique. Dans ce cas, les calculs sont intentionnellement erronés: les sources d’énergie autres que l’électricité consommée ne sont pas prises en compte - l’air, l’eau ou le sol, chauffés par le soleil et les processus géothermiques. Lors du calcul du rendement, seule l’électricité est prise en compte et la source de chaleur à basse teneur est oubliée, le résultat est supérieur à 100%.

L'utilisation des pompes à chaleur dans le climat russe

Une fois familiarisés avec les descriptions ci-dessus de différents types de pompes à chaleur, vous pouvez facilement répondre à la question vous-même: 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 sous zéro. Bien entendu, les habitants de Sibérie, d'Extrême-Orient et du nord de la partie européenne de la Russie ne devraient même pas penser aux pompes à chaleur à air.

L'utilisation des pompes à chaleur pour eau est soumise à de nombreuses limitations. Nous en avons déjà parlé, il reste à en mentionner un de plus. Plus de la moitié du territoire de notre pays se trouve dans la zone de pergélisol. Si même certains habitants de Sibérie orientale ou du nord de l'Extrême-Orient sont «chanceux» et que la section des eaux souterraines n'est pas trop profonde, ces eaux souterraines se présentent toujours sous la forme de glace, ce qui signifie qu'elles ne conviennent pas au système de chauffage. .

Ainsi, la plupart de nos compatriotes doivent compter sur la seule option gagnant-gagnant, à savoir une pompe à chaleur géothermique. En même temps, dans un climat russe, une pompe avec un collecteur horizontal, mais avec une sonde géothermique, qui permet d’atteindre une profondeur où la température du sol est plus stable, est plus appropriée.

Application de la pompe à chaleur pour le refroidissement

Un avantage énorme des pompes à chaleur est qu'elles peuvent non seulement chauffer la maison, mais aussi la refroidir si nécessaire. Il fait parfois très chaud en été russe et lorsque votre maison devient littéralement chaude, la proposition de transformer le chauffage en climatiseur sera très utile.

Une solution technique à ce problème peut être intégrée à la pompe à chaleur dans un premier temps, au stade de la fabrication, et presque tous les fabricants ont une gamme de pompes pouvant conditionner la pièce (mode de refroidissement naturel). Si votre pompe à chaleur ne dispose pas de telles capacités, tout n'est pas encore perdu - une pompe ordinaire peut 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 des murs ou des plafonds, à un système de refroidissement par le sol, à des radiateurs avec un bon flux d'air ou à un ventilo-convecteur - un dispositif dans lequel un échangeur de chaleur à plaques est insufflé 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 en résulte 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 d'eau chaude.

Ce fait doit être pris en compte lors de la réservation 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 l’augmentation de la surface de l’échangeur de chaleur nécessaire au transfert de chaleur le plus efficace possible à partir de la pompe à chaleur.

Pompes à chaleur avec élément chauffant intégré

Les fabricants intègrent souvent des radiateurs électriques supplémentaires dans leurs pompes à chaleur. Le chauffage intégré permet, si nécessaire, de passer à une source d'énergie alternative du point de vue de la pompe à chaleur - l'électricité. C'est pour quoi? Dans quels cas il est nécessaire d'utiliser TEN?

Le choix d'une pompe à chaleur pour chauffer une maison est effectué en tenant compte de divers paramètres, notamment des caractéristiques climatiques de la région. Dans ce cas, il est considéré peu pratique d'installer une pompe avec un excès de puissance.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 de gel que l’installation initiale d’une pompe plus puissante. La présence d'un élément chauffant élimine le besoin de rendre le système plus puissant que la majeure partie de la saison de chauffage.

Pour les propriétaires de pompes à chaleur pour l’eau et le sol, un appareil de chauffage intégré est un excès plus qu’une nécessité. La situation des pompes à chaleur à air est complètement différente. Si la température de l'air est égale ou inférieure à -20 ° C, une telle pompe sera inefficace si elle ne s'éteint pas. Et bien qu’il n’y ait pas beaucoup de jours et de nuits froids dans l’année, je ne veux pas rester dans une maison très glacée au même moment. Dans ce cas, la présence d’un générateur de chaleur en double 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 coûteux, vous devez donc vous en occuper avec beaucoup de responsabilité. Pour ne pas être sans fondement, nous formulons des recommandations très spécifiques.

1. Ne commencez jamais à choisir une pompe à chaleur sans faire d’abord des calculs et créer un projet. L'absence de projet peut entraîner des erreurs fatales, qui ne peuvent être corrigées qu'à l'aide d'immenses investissements financiers supplémentaires.

2. Seuls des professionnels doivent se charger de la conception, de l'installation et de la maintenance de la pompe à chaleur et du système de chauffage. Comment s'assurer que les professionnels travaillent dans cette entreprise? Tout d'abord, en fonction de la disponibilité de toute la documentation nécessaire, d'un portefeuille d'objets vendus, de certificats des fournisseurs d'équipement. 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 une pompe à chaleur de fabrication européenne. Ne soyez pas dérouté par le fait qu’il coûte plus cher que les équipements chinois ou russes. Lorsque vous incluez dans l'estimation des coûts d'installation, de mise en service et de mise au point du système de chauffage dans son ensemble, la différence de prix des pompes sera presque imperceptible. Par contre, avec un «européen» à votre disposition, vous serez assuré 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 lors de sa création.