Climat

Système de chauffage par pompe à chaleur

La situation est telle que le moyen le plus populaire de chauffer une maison à l’heure actuelle consiste à utiliser des chaudières de chauffage – gaz, combustible solide, diesel et beaucoup moins souvent – électrique. Mais des systèmes aussi simples et de haute technologie comme les pompes à chaleur n’ont pas été largement diffusés, et en vain. Pour ceux qui aiment et savent tout calculer à l’avance, leurs avantages sont évidents. Les pompes à chaleur pour le chauffage ne brûlent pas de réserves irremplaçables de ressources naturelles, ce qui est extrêmement important non seulement du point de vue de la protection de l’environnement, mais permet également d’économiser des ressources énergétiques, car elles deviennent chaque année plus chères. De plus, à l’aide de pompes à chaleur, vous pouvez non seulement chauffer la pièce, mais également chauffer de l’eau chaude pour les besoins domestiques et conditionner la pièce à la chaleur estivale..

Comment fonctionne la pompe à chaleur

Arrêtons-nous un peu plus en détail sur le principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur. Rappelez-vous comment fonctionne le réfrigérateur. La chaleur des produits qui y sont placés est pompée et évacuée vers le radiateur situé sur la paroi arrière. Il est facile de le vérifier en le touchant. Les climatiseurs domestiques ont un principe similaire : ils pompent la chaleur hors de la pièce et la rejettent sur un radiateur situé sur le mur extérieur du bâtiment..

Le fonctionnement de la thermopompe, du réfrigérateur et du climatiseur est basé sur le cycle de Carnot.

Comment fonctionne la pompe à chaleur

La pompe à chaleur a besoin d’électricité pour fonctionner. Mais c’est quand même beaucoup plus rentable que d’utiliser uniquement un radiateur électrique. Puisqu’une chaudière électrique ou un radiateur électrique dépense exactement la même quantité d’électricité qu’elle dégage de la chaleur. Par exemple, si une puissance de 2 kW est inscrite sur un radiateur, alors il dépense 2 kW par heure et produit 2 kW de chaleur. Une pompe à chaleur produit 3 à 7 fois plus de chaleur qu’elle ne consomme d’électricité. Par exemple, 5,5 kW/h sont utilisés pour faire fonctionner le compresseur et la pompe, et 17 kW/h de chaleur sont obtenus. C’est ce rendement élevé qui est le principal avantage de la pompe à chaleur..

Avantages et inconvénients du système de chauffage “pompe à chaleur”

Il existe de nombreuses légendes et idées fausses autour des pompes à chaleur, malgré le fait qu’il ne s’agisse pas d’une invention aussi innovante et high-tech. À l’aide de pompes à chaleur, tous les États “chauds” des États-Unis, pratiquement toute l’Europe et le Japon, où la technologie a été élaborée presque à l’idéal et depuis longtemps, sont chauffés. Soit dit en passant, ne pensez pas qu’un tel équipement est une technologie purement étrangère et nous est arrivé assez récemment. En effet, même en URSS, de telles unités étaient utilisées dans des installations expérimentales. Un exemple en est le sanatorium Druzhba dans la ville de Yalta. Outre l’architecture futuriste, rappelant une “cabane sur cuisses de poulet”, ce sanatorium est également célèbre pour le fait qu’il utilise depuis les années 80 du 20ème siècle des pompes à chaleur industrielles pour le chauffage. La source de chaleur est la mer à proximité, et la station de pompage elle-même chauffe non seulement tous les locaux du sanatorium, mais fournit également de l’eau chaude, chauffe l’eau de la piscine et la refroidit pendant une période chaude. Essayons donc de dissiper les mythes et de déterminer s’il est judicieux de chauffer votre maison de cette manière..

Avantages des systèmes de chauffage par pompe à chaleur :

  • Économies d’énergie. En lien avec la hausse des prix du gaz et du gasoil, un avantage très pertinent. Dans la colonne “dépenses mensuelles”, seule l’électricité sera répertoriée, qui, comme nous l’avons déjà écrit, nécessite beaucoup moins que la chaleur réellement produite. Lors de l’achat d’une unité, il est nécessaire de faire attention à un paramètre tel que le coefficient de transformation thermique “ϕ” (il peut également être appelé coefficient de conversion thermique, coefficient de transformation de puissance ou de température). Il indique le rapport entre la quantité de chaleur dégagée et l’énergie dépensée. Par exemple, si ϕ = 4, alors à une consommation de 1 kW/h on obtient 4 kW/h d’énergie thermique.
  • Économies d’entretien. La pompe à chaleur ne nécessite aucun traitement particulier. Les frais d’entretien sont minimes.
  • Peut être installé dans n’importe quel endroit. Les sources de chaleur basse température pour le fonctionnement de la pompe à chaleur peuvent être le sol, l’eau ou l’air. Partout où vous construisez une maison, même sur un terrain rocheux, il y a toujours une opportunité de trouver de la “nourriture” pour l’unité. Dans une zone éloignée de la conduite de gaz, c’est l’un des systèmes de chauffage les plus optimaux. Et même dans les régions sans lignes électriques, un moteur à essence ou diesel peut être installé pour maintenir le compresseur en marche..
  • Il n’est pas nécessaire de surveiller le fonctionnement de la pompe, d’ajouter du carburant, comme c’est le cas avec une chaudière à combustible solide ou diesel. L’ensemble du système de chauffage par pompe à chaleur est automatisé.
  • Vous pouvez partir longtemps et ne pas avoir peur que le système gèle. En parallèle, vous pouvez faire des économies en installant une pompe pour fournir une température de +10°С dans le salon..
  • Sans danger pour l’environnement. À titre de comparaison, lors de l’utilisation de chaudières traditionnelles à combustible, divers oxydes de CO, CO2, NOx, SO2, PbO2 se forment toujours, de sorte que des acides phosphorique, nitreux, sulfurique et des composés benzoïques se déposent sur le sol autour de la maison. Rien n’est émis lorsque la pompe à chaleur fonctionne. Et les réfrigérants utilisés dans le système sont absolument sûrs.
  • Cela inclut également la préservation des ressources naturelles irremplaçables de la planète..
  • Sécurité des personnes et des biens. Dans une pompe à chaleur, rien ne chauffe suffisamment pour provoquer une surchauffe ou une explosion. De plus, il n’y a tout simplement rien à exploser dedans. On peut donc l’attribuer à des unités complètement ignifuges..
  • Les pompes à chaleur fonctionnent avec succès même à une température ambiante de -15°C. Donc, s’il semble à quelqu’un qu’un tel système ne peut chauffer une maison que dans des régions aux hivers chauds jusqu’à +5 ° C, alors il se trompe.
  • Réversibilité de la pompe à chaleur. Un avantage incontestable est la polyvalence de l’unité, à l’aide de laquelle il est possible de chauffer en hiver et de refroidir en été. Lors des journées chaudes, la pompe à chaleur prélève la chaleur de la pièce et la dirige dans le sol pour la stocker, d’où elle la reprendra en hiver. Veuillez noter que toutes les pompes à chaleur ne sont pas réversibles, seuls certains modèles.
  • Durabilité. Avec des soins appropriés, les pompes à chaleur du système de chauffage peuvent vivre de 25 à 50 ans sans réparations majeures, et seulement une fois tous les 15 à 20 ans, il sera nécessaire de remplacer le compresseur.

Inconvénients des systèmes de chauffage par pompe à chaleur :

  • Investissement initial important. Outre le fait que les prix des pompes à chaleur pour le chauffage sont assez élevés (de 3 000 à 10 000 USD), en plus de l’aménagement d’un système géothermique, vous devrez dépenser pas moins que la pompe elle-même. Une exception est la pompe à chaleur aérothermique, qui ne nécessite pas de travaux supplémentaires. La pompe à chaleur ne sera pas rentable de sitôt (dans 5 à 10 ans). Ainsi, la réponse à la question, s’il faut ou non utiliser une pompe à chaleur pour le chauffage, dépend plutôt des préférences du propriétaire, de ses capacités financières et des conditions de construction. Par exemple, dans une région où la fourniture d’une conduite de gaz et son raccordement à celle-ci coûtent le même prix qu’une pompe à chaleur, il est logique de privilégier cette dernière..

Système de chauffage par pompe à chaleur bi-mode

  • Dans les régions où la température en hiver descend en dessous de -15°C, il est nécessaire d’utiliser une source de chaleur supplémentaire. C’est ce qu’on appelle un système de chauffage bivalent, dans lequel une pompe à chaleur fournit de la chaleur alors qu’il fait -20 °C à l’extérieur, et en cas de panne, par exemple, un radiateur électrique ou une chaudière à gaz, ou un générateur de chaleur est connecté.

Fonctionnement de la pompe à chaleur

  • Il est préférable d’utiliser la pompe à chaleur dans des systèmes avec un caloporteur à basse température, tels que système de chauffage au sol (+35 °C) et ventilo-convecteurs (+35 – +45 °C). Ventilo-convecteurs sont un ventilo-convecteur dans lequel la chaleur/le froid est transféré de l’eau à l’air. Equiper un tel système dans une maison ancienne nécessitera un réaménagement et une reconstruction complets, ce qui entraînera des coûts supplémentaires. Ce n’est pas un inconvénient lors de la construction d’une nouvelle maison..
  • Le respect de l’environnement des pompes à chaleur qui prélèvent la chaleur de l’eau et du sol est quelque peu relatif. Le fait est qu’au cours du travail, l’espace autour des tuyaux contenant le liquide de refroidissement se refroidit, ce qui viole l’écosystème établi. En effet, même dans les profondeurs du sol, vivent des micro-organismes anaérobies, assurant l’activité vitale de systèmes plus complexes. Par contre, par rapport à la production de gaz ou de pétrole, les dommages causés par une pompe à chaleur sont minimes..

Évaluez tous les avantages et les inconvénients pour prendre la bonne décision.

Sources de chaleur pour le fonctionnement de la pompe à chaleur

Les pompes à chaleur puisent la chaleur de sources naturelles qui accumulent le rayonnement solaire pendant la saison chaude. Les pompes à chaleur diffèrent selon la source de chaleur..

Amorçage

Le sol est la source de chaleur la plus stable qui s’accumule au cours de la saison. À une profondeur de 5 – 7 m, la température du sol est presque toujours constante et égale à environ +5 – + 8 ° , et à une profondeur de 10 m, elle est toujours constante + 10 ° . Il existe deux façons de récupérer la chaleur du sol.

Capteur de sol horizontal pompe à chaleur

Collecteur de sol horizontal est un tuyau posé horizontalement dans lequel circule le liquide de refroidissement. La profondeur du collecteur horizontal est calculée individuellement en fonction des conditions, parfois elle est de 1,5 – 1,7 m – la profondeur de gel du sol, parfois inférieure – 2 – 3 m pour assurer une plus grande stabilité de température et moins de différence, et parfois seulement 1 – 1,2 m – ici, le sol commence à se réchauffer plus rapidement au printemps. Il y a des moments où un collecteur horizontal à deux couches est équipé..

Collecteur au sol pompe à chaleur

Les tuyaux collecteurs horizontaux sont disponibles en différents diamètres de 25 mm, 32 mm et 40 mm. La forme de leur disposition peut également être différente – serpent, boucle, zigzag, diverses spirales. La distance entre les tuyaux dans le serpent doit être d’au moins 0,6 m et généralement de 0,8 à 1 m.

L’évacuation de la chaleur spécifique de chaque mètre courant du tuyau dépend de la structure du sol :

  • Sable sec – 10 W / m;
  • Argile sèche – 20 W / m;
  • L’argile est plus humide – 25 W / m;
  • Argile à très haute teneur en eau – 35 W/m.

Pour chauffer une maison d’une superficie de 100 m2, à condition que le sol soit de l’argile humide, vous aurez besoin de 400 m2 de surface de parcelle pour le collecteur. C’est beaucoup – 4 – 5 ares. Et étant donné que sur ce site, il ne devrait y avoir aucun bâtiment et que seuls une pelouse et des parterres de fleurs annuelles sont autorisés, tout le monde ne peut alors pas se permettre d’équiper un collecteur horizontal.

Un liquide spécial s’écoule dans les tuyaux du collecteur, on l’appelle aussi “eau salée” ou antigel, par exemple, une solution à 30% d’éthylène glycol ou de propylène glycol. La « saumure » récupère la chaleur du sol et est dirigée vers la pompe à chaleur, où elle la transfère au réfrigérant. La “saumure” refroidie retourne dans le collecteur au sol.

Sonde de sol verticale pour pompe à chaleur

Sonde de sol verticale est un système de tuyaux enterrés à 50 – 150 m. Il peut s’agir d’un seul tuyau en forme de U, abaissé à une grande profondeur de 80 – 100 m et rempli de béton. Ou peut-être un système de tuyaux en forme de U, abaissés de 20 m pour collecter l’énergie d’une plus grande surface. Le forage à une profondeur de 100 à 150 m est non seulement coûteux, mais nécessite également un permis spécial, c’est pourquoi ils vont souvent à l’astuce et équipent plusieurs sondes peu profondes. La distance entre ces sondes est de 5 à 7 m..

L’évacuation de la chaleur spécifique du collecteur vertical dépend également de la roche :

  • Roches sédimentaires sèches – 20 W / m;
  • Roches sédimentaires saturées d’eau et sol caillouteux – 50 W / m;
  • Sol caillouteux avec un coefficient de conductivité thermique élevé – 70 W / m;
  • Eau souterraine (à sertir) – 80 W / m.

La surface d’un collecteur vertical est très réduite, mais le coût de leur disposition est supérieur à celui d’un collecteur horizontal. L’avantage du capteur vertical est également une température plus stable et une plus grande puissance calorifique..

L’eau

Il existe de nombreuses façons d’utiliser l’eau comme source de chaleur.

Collecteur d'eau de pompe à chaleur

Collecteur au fond d’un réservoir ouvert antigel – rivières, lacs, mers – représente des tuyaux contenant de la “saumure”, submergés à l’aide d’une cargaison. En raison de la température élevée du liquide de refroidissement, cette méthode est la plus rentable et la plus économique. Seuls ceux dont le réservoir est situé à moins de 50 m peuvent équiper le collecteur d’eau, sinon l’efficacité de l’installation sera perdue. Comme vous le comprenez, tout le monde n’a pas de telles conditions. Mais ne pas utiliser de pompes à chaleur pour les résidents côtiers est juste à courte vue et stupide..

Chaleur des eaux usées pour le fonctionnement de la pompe à chaleur

Collecteur d’égout ou les eaux usées après les installations techniques peuvent être utilisées pour chauffer des maisons et même des immeubles de grande hauteur et des entreprises industrielles dans la ville, ainsi que pour préparer de l’eau chaude. Ce qui se fait avec succès dans certaines villes de notre patrie.

Puits d'eau pour pompe à chaleur

Eau de puits ou souterraine utilisé moins fréquemment que les autres collectionneurs. Un tel système implique la construction de deux puits, à partir d’un de l’eau est prélevée, qui transfère sa chaleur au réfrigérant dans la pompe à chaleur, et l’eau refroidie est évacuée dans le second. Au lieu d’un puits, il peut y avoir un puits de filtration. Dans tous les cas, le puits de décharge doit être situé à une distance de 15 à 20 m du premier, et même en aval (les eaux souterraines ont également leur propre cours). Ce système est assez difficile à exploiter, car la qualité de l’eau fournie doit être surveillée – elle doit être filtrée et les pièces de la pompe à chaleur (évaporateur) doivent être protégées de la corrosion et de la pollution..

Air

Pompe à chaleur aérothermique

La conception la plus simple est système de chauffage par pompe à chaleur aérothermique. Aucun collecteur supplémentaire n’est nécessaire. L’air de l’environnement va directement à l’évaporateur, où il transfère sa chaleur au liquide de refroidissement, qui à son tour transfère la chaleur au liquide de refroidissement à l’intérieur de la maison. Il peut s’agir d’air pour les ventilo-convecteurs ou d’eau pour le chauffage au sol et le radiateur..

Principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur aérothermique

Le coût d’installation d’une pompe à chaleur air est le plus bas, mais les performances de l’installation sont très dépendantes de la température de l’air. Dans les régions aux hivers chauds (jusqu’à +5 – 0°C), c’est l’une des sources de chaleur les plus économiques. Mais si la température de l’air descend en dessous de -15°C, les performances baissent tellement que cela n’a aucun sens d’utiliser une pompe, mais il est plus rentable d’allumer un radiateur électrique ou une chaudière classique.

Les avis sur les pompes à chaleur à air pour le chauffage sont très controversés. Tout dépend de la région d’utilisation. Il est avantageux de les utiliser dans les régions aux hivers chauds, par exemple à Sotchi, où une source de chaleur en double n’est même pas nécessaire en cas de fortes gelées. Il est également possible d’installer des pompes à chaleur à air dans les régions où l’air est relativement sec et la température en hiver descend jusqu’à -15°C. Mais dans un climat humide et froid, de telles installations souffrent du givrage et du gel. Les glaçons collés au ventilateur ne permettent pas à l’ensemble du système de fonctionner normalement.

Chauffage par pompe à chaleur : coût du système et coûts d’exploitation

La puissance de la pompe à chaleur est choisie en fonction des fonctions qui lui seront attribuées. Si seulement le chauffage, les calculs peuvent être effectués dans une calculatrice spéciale qui prend en compte les pertes de chaleur du bâtiment. Soit dit en passant, les meilleures performances d’une pompe à chaleur avec une perte de chaleur du bâtiment ne dépassant pas 80 – 100 W / m2. Pour simplifier, nous supposerons qu’une pompe de 10 kW est nécessaire pour chauffer une maison de 100 m2 avec 3 m de hauteur sous plafond et une déperdition thermique de 60 W/m2. Pour chauffer l’eau, il faudra prendre un appareil avec une réserve de marche – 12 ou 16 kW.

Coût de la pompe à chaleur dépend non seulement de la puissance, mais aussi de la fiabilité et des demandes du fabricant. Par exemple, une unité de 16 kW de fabrication russe coûtera 7 000 $, tandis qu’une pompe étrangère de 17 kW RFM 17 coûtera environ 13 200 $. avec tous les équipements associés, à l’exception du collecteur.

La prochaine ligne de dépenses sera disposition du collecteur. Cela dépend aussi de la capacité de l’installation. Par exemple, pour une maison de 100 m2, dans laquelle un chauffage au sol (100 m2) ou des radiateurs de chauffage de 80 m2 sont installés partout, ainsi que pour chauffer de l’eau à +40°C avec un volume de 150 l/h, il faudra être nécessaire de forer des puits pour les collecteurs. Un tel collecteur vertical coûtera 13 000 $..

Un collecteur au fond du réservoir coûtera un peu moins cher. Dans les mêmes conditions, il coûtera 11 000 $. Mais il vaut mieux préciser le coût d’installation d’un système géothermique dans des entreprises spécialisées, cela peut être très différent. Par exemple, l’aménagement d’un collecteur horizontal pour une pompe d’une puissance de 17 kW ne coûtera que 2 500 USD. Et pour une pompe à chaleur à air, un collecteur n’est pas du tout nécessaire.

Au total, le coût de la pompe à chaleur est de 8000 USD. en moyenne, l’arrangement du collecteur est de 6000 USD. moyenne.

Le coût mensuel du chauffage avec une thermopompe ne comprend que frais d’électricité. Vous pouvez les calculer comme ceci – la consommation électrique doit être indiquée sur la pompe. Par exemple, pour la pompe de 17 kW précitée, la consommation électrique est de 5,5 kW/h. Au total, le système de chauffage fonctionne 225 jours par an, soit 5400 heures. Compte tenu du fait que la pompe à chaleur et le compresseur qu’elle contient fonctionnent de manière cyclique, la consommation électrique doit être divisée par deux. Pendant la saison de chauffage, 5400 h * 5,5 kW / h / 2 = 14 850 kW seront dépensés.

Nous multiplions le nombre de kWt consommés par le coût du vecteur énergétique de votre région. Par exemple, 0,05 $. pour 1 kW/heure. Au total, 742,5 USD seront dépensés pour l’année. Pour chaque mois au cours duquel la thermopompe a fonctionné pour le chauffage, il y a 100 $. frais d’électricité. Si vous divisez les coûts par 12 mois, vous obtenez 60 USD par mois..

Efficacité de la pompe à chaleur

Veuillez noter que plus la consommation électrique de la pompe à chaleur est faible, plus les coûts mensuels sont faibles. Par exemple, il existe des pompes de 17 kW, qui ne consomment que 10 000 kW par an (coûte 500 $). Il est également important que les performances de la pompe à chaleur soient d’autant plus grandes que la différence de température entre la source de chaleur et le liquide de refroidissement du système de chauffage est faible.. C’est pourquoi ils disent qu’il est plus rentable d’installer un chauffage au sol et des ventilo-convecteurs. Bien que des radiateurs de chauffage standard avec un caloporteur à haute température (+65 – +95 ° C) puissent également être installés, mais avec un accumulateur de chaleur supplémentaire, par exemple une chaudière à chauffage indirect. Une chaudière est également utilisée pour réchauffer l’eau chaude..

Les pompes à chaleur sont avantageuses lorsqu’elles sont utilisées dans des systèmes bivalents. En plus de la pompe, un capteur solaire peut être installé, qui pourra alimenter entièrement la pompe en électricité en été, lorsqu’elle fonctionnera pour le refroidissement. Pour la sécurité hivernale, vous pouvez ajouter un générateur de chaleur, qui chauffera l’eau pour l’alimentation en eau chaude et les radiateurs haute température.