Pompes à chaleur pour le chauffage domestique : types et principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement de la pompe air-eau

Comme déjà mentionné, la principale source d'énergie thermique pour les installations de ce type est l'air atmosphérique. La base fondamentale du fonctionnement des pompes à air est la propriété physique des liquides à absorber et à libérer de la chaleur lors de la transition de phase d'un état liquide à un état gazeux, et vice versa. À la suite du changement d'état, la température est libérée. Le système fonctionne sur le principe d'un réfrigérateur à l'envers.

Pour utiliser efficacement ces propriétés du liquide, un fluide frigorigène à bas point d'ébullition (fréon, fréon) circule en circuit fermé dont la conception comprend :

• compresseur à entraînement électrique ;
• évaporateur soufflé par ventilateur ;
• soupape d'étranglement (expansion);
• Echangeur de chaleur à plaques;
• des tubes de circulation en cuivre ou en métal-plastique reliant les principaux éléments du circuit.

Le mouvement du réfrigérant le long du circuit est effectué grâce à la pression développée par le compresseur.Pour réduire les pertes de chaleur, les tuyaux sont recouverts d'une couche calorifuge en caoutchouc artificiel ou en mousse de polyéthylène avec un revêtement protecteur métallisé. En tant que réfrigérant, on utilise du fréon ou du fréon, qui peut bouillir à une température négative et ne gèle pas jusqu'à -40 ° C.

L'ensemble du processus de travail consiste en les cycles successifs suivants:

1. Le radiateur de l'évaporateur contient un réfrigérant liquide plus froid que l'air extérieur. Pendant le soufflage actif du radiateur, l'énergie thermique de l'air à faible potentiel est transférée au fréon, qui bout et passe à l'état gazeux. Dans le même temps, sa température augmente.
2. Le gaz chauffé entre dans le compresseur, où il se réchauffe encore plus pendant le processus de compression.
3. Dans un état comprimé et chauffé, la vapeur de réfrigérant est introduite dans un échangeur de chaleur à plaques, où le caloporteur du système de chauffage circule à travers le deuxième circuit. Étant donné que la température du liquide de refroidissement est bien inférieure à celle du gaz chauffé, le fréon se condense activement sur les plaques de l'échangeur de chaleur, dégageant de la chaleur au système de chauffage.
4. Le mélange vapeur-liquide refroidi pénètre dans le papillon des gaz, ce qui permet uniquement au réfrigérant liquide refroidi à basse pression de passer à l'évaporateur. Ensuite, tout le cycle est répété.

Pour augmenter l'efficacité du transfert de chaleur du tube, des ailettes en spirale sont enroulées sur l'évaporateur. Le calcul du système de chauffage, le choix des pompes de circulation et d'autres équipements doivent prendre en compte résistance hydraulique et coefficient installation d'échangeur de chaleur à plaques de transfert de chaleur.

Présentation vidéo de l'appareil système et de son fonctionnement

Pompes à chaleur Inverter

La présence d'un onduleur dans le cadre de l'installation permet un démarrage en douceur de l'équipement et une régulation automatique des modes en fonction de la température extérieure. Ceci maximise l'efficacité de la pompe à chaleur en :

• réalisation de l'efficacité au niveau de 95-98%;
• réduire la consommation d'énergie de 20 à 25 % ;
• minimisation des charges sur le réseau électrique ;
• augmenter la durée de vie de l'installation.

En conséquence, la température intérieure est maintenue de manière stable au même niveau, quels que soient les changements météorologiques. Dans le même temps, la présence d'un onduleur complété d'une unité de commande automatisée assurera non seulement le chauffage en hiver, mais également l'apport d'air refroidi en été par temps chaud.

Dans le même temps, il convient de tenir compte du fait que la présence d'équipements supplémentaires entraîne toujours une augmentation de son coût et une augmentation de la période de récupération.

Division par type de fluide de travail

Les pompes à chaleur modernes peuvent utiliser corps gazeux ou liquide chimique solution d'ammoniac comme transporteur de chaleur. L'adéquation d'un schéma particulier est évaluée par plusieurs facteurs, les caractéristiques du système.

1. Les installations au fréon ont un cycle de pompe à chaleur basé sur des processus de compression et de détente de gaz. Ils sont en quelque sorte construits sur le schéma du compresseur. L'équipement a des indicateurs de performance attrayants, mais il a aussi des inconvénients. Bien que la consommation moyenne pondérée du système au moment du cycle de fonctionnement soit stable, le câblage est fortement chargé. De plus, les pompes à chaleur avec un transporteur de chaleur gazeux ne seront pas utiles dans les régions où il n'y a pas de réseau électrique centralisé ou une source d'énergie d'une capacité de charge suffisante.
2. Les installations de type évaporation utilisant une solution d'ammoniac ont un cycle de service basé sur le processus d'évaporation de la substance à bas point d'ébullition. La liquéfaction après le passage d'un échangeur de chaleur externe se produit sous l'action d'une source d'énergie. Ceci est un brûleur de chaleur. Presque tous les carburants peuvent être utilisés pour cela: solide, essence, diesel, gaz, kérosène, dans certains cas - alcool méthylique. Par conséquent, les pompes à chaleur à évaporation sont intéressantes dans les endroits où il n'y a pas d'électricité. De plus, le bon marché du combustible d'un certain type dans la région peut inciter à choisir un tel équipement.

La nature du fluide de travail utilisé dans le système peut en dire long sur les performances de l'installation et la puissance de sortie. Ainsi, les pompes à chaleur à compresseur au fréon sont capables d'une secousse aiguë, réchauffant rapidement la pièce. Les modèles d'évaporation d'ammoniac ne sont pas capables de tels exploits. Leur mode d'utilisation préféré est un fonctionnement stable et continu à la puissance calorifique nominale.

Types de pompes à chaleur

Les pompes à chaleur sont divisées en plusieurs types. Le premier type (type) dans la classification selon la méthode de transfert d'énergie thermique:

Compression. Les principaux éléments de l'installation sont les compresseurs, les condenseurs, les détendeurs et les évaporateurs. Ce type de pompes est de très haute qualité et efficace, ce qui fait qu'il est très populaire sur le marché.

Absorption. La dernière génération de pompes à chaleur. Ils utilisent un fréon absorbant dans leur travail. Grâce à cela, la qualité du travail est augmentée plusieurs fois.

Peut être distingué types de pompes à chaleur selon les sources de chaleur, à savoir :

• L'énergie thermique est créée par le sol (photo);
• l'eau;
• Les courants d'air
• Réchauffement. Ils sont obtenus à partir des eaux de ruissellement, de l'air pollué ou des eaux usées.

Par types de circuits d'entrée-sortie :

• air-air. La pompe prélève de l'air froid, abaisse sa température, reçoit la chaleur nécessaire, qui la transfère là où le chauffage est nécessaire.
• eau-eau. La pompe prélève la chaleur de la nappe phréatique, qui la restitue à l'eau pour chauffer la pièce.
• eau-air. De l'eau à l'air. L'utilisation de sondes et de puits pour l'eau est typique et le chauffage se fait par un système de chauffage à air.
• air-eau. De l'air à l'eau. Les pompes de ce type utilisent la chaleur de l'atmosphère pour chauffer l'eau.
• sol-eau. Sous cette forme, la chaleur est prélevée dans des tuyaux avec de l'eau posée dans le sol. La chaleur est prélevée sur le sol (sol).
• l'eau glacée. Un type intéressant de pompe à chaleur. Pour chauffer de l'eau pour le chauffage des locaux, une technique de production de glace est utilisée, dans laquelle une énergie thermique colossale est libérée. Si vous congelez jusqu'à 200 litres d'eau, vous pouvez obtenir de l'énergie capable de chauffer une taille moyenne en 40 à 60 minutes.

Avantages et inconvénients des pompes à chaleur

Principe fonctionnement de la pompe à chaleur, en termes simples, repose sur la collecte d'énergie thermique de faible qualité et son transfert ultérieur vers les systèmes de chauffage et de climatisation, ainsi que vers les systèmes de traitement de l'eau, mais à une température plus élevée. Un exemple simple peut être donné dans la forme d'une bouteille de gaz – lorsqu'il est rempli de gaz, le compresseur chauffe en le comprimant. Et si vous libérez du gaz du cylindre, le cylindre se refroidira - essayez de libérer brusquement du gaz d'un briquet rechargeable pour comprendre l'essence de ce phénomène.

Ainsi, les pompes à chaleur, pour ainsi dire, prélèvent de l'énergie thermique de l'espace environnant - c'est dans le sol, dans l'eau et même dans l'air. Même si l'air a une température négative, il y a toujours de la chaleur en lui. On le trouve également dans tous les plans d'eau qui ne gèlent pas jusqu'au fond, ainsi que dans les couches profondes du sol qui ne se prêtent pas non plus à la congélation profonde - à moins, bien sûr, qu'il s'agisse de pergélisol.

Les pompes à chaleur ont un dispositif assez compliqué, comme vous pouvez le voir en essayant de démonter un réfrigérateur ou des climatiseurs. Ces unités domestiques qui nous sont familières ressemblent quelque peu aux pompes susmentionnées, sauf qu'elles fonctionnent dans le sens opposé - elles prélèvent la chaleur des locaux et l'envoient à l'extérieur. Si vous posez la main sur le radiateur arrière du réfrigérateur, on notera qu'il fait chaud. Et cette chaleur n'est rien d'autre que l'énergie tirée des fruits, légumes, lait, soupes, saucisses et autres produits qui se trouvent dans la chambre.

Les climatiseurs et les systèmes split fonctionnent de la même manière - la chaleur générée par les unités extérieures est l'énergie thermique collectée petit à petit dans les pièces refroidies.

Le principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur est à l'opposé de celui d'un réfrigérateur. Il collecte la chaleur de l'air, de l'eau ou du sol dans les mêmes grains, après quoi il la redirige vers les consommateurs - il s'agit de systèmes de chauffage, d'accumulateurs de chaleur, de systèmes de chauffage par le sol et de chauffe-eau. Il semblerait que rien ne nous empêche de chauffer le liquide de refroidissement ou l'eau avec un élément chauffant ordinaire - c'est plus facile de cette façon. Mais comparons la productivité des pompes à chaleur et des éléments chauffants conventionnels :

Lors du choix d'une pompe à chaleur, le plus important est la disponibilité d'une source d'énergie naturelle spécifique.

• Elément chauffant classique - pour la production de 1 kW de chaleur, il consomme 1 kW d'électricité (hors erreurs ;
• Pompe à chaleur - elle ne consomme que 200 W d'électricité pour produire 1 kW de chaleur.

Non, il n'y a pas d'efficacité égale à 500% ici - les lois de la physique sont inébranlables. Ce sont juste les lois de la thermodynamique à l'œuvre ici. La pompe, pour ainsi dire, accumule l'énergie de l'espace, la "épaissit" et l'envoie aux consommateurs. De même, nous pouvons collecter les gouttes de pluie à travers un grand arrosoir, obtenant un solide jet d'eau à la sortie.

Nous avons déjà donné de nombreuses analogies qui nous permettent de comprendre l'essence des pompes à chaleur sans formules abstruses avec des variables et des constantes. Voyons maintenant leurs avantages :

• Économies d'énergie - si le chauffage électrique standard d'un 100 m². m. entraînera des coûts de 20 à 30 000 roubles par mois (selon la température de l'air extérieur), puis le système de chauffage avec une pompe à chaleur réduira les coûts à 3 à 5 000 roubles acceptables - d'accord, c'est déjà assez de solides économies. Et ceci sans artifices, sans tromperie et sans artifices marketing ;
• Prendre soin de l'environnement - les centrales au charbon, nucléaires et hydroélectriques nuisent à la nature. Par conséquent, une consommation d'électricité réduite réduit la quantité d'émissions nocives ;
• Une large gamme d'utilisations - l'énergie qui en résulte peut être utilisée pour chauffer une maison et préparer de l'eau chaude.

Il y a aussi des inconvénients :

• Le coût élevé des pompes à chaleur - cet inconvénient impose une restriction à leur utilisation ;
• Le besoin d'entretien régulier - vous devez payer pour cela;
• Difficulté d'installation - cela s'applique principalement aux pompes à chaleur à circuits fermés ;
• Manque d'acceptation par les gens - peu d'entre nous accepteraient d'investir dans cet équipement afin de réduire l'impact sur l'environnement. Mais certaines personnes qui habitent loin des conduites de gaz et qui sont obligées de chauffer leur maison avec des sources de chaleur alternatives acceptent de dépenser de l'argent pour acheter une pompe à chaleur et de réduire leurs factures mensuelles d'électricité ;
• Dépendance au secteur - si l'alimentation électrique s'arrête, l'équipement gèlera immédiatement. La situation sera sauvée en installant un accumulateur de chaleur ou une source d'alimentation de secours.

Comme vous pouvez le voir, certains des inconvénients sont assez graves.

Les générateurs à essence et diesel peuvent servir de sources d'alimentation de secours pour les pompes à chaleur.

Conseils & Astuces

Une pompe à chaleur est un équipement techniquement complexe et assez coûteux, son choix doit donc être abordé avec une grande responsabilité. Afin de ne pas être sans fondement, voici quelques recommandations très précises.

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

2. La conception, l'installation et l'entretien de la pompe à chaleur et du système de chauffage ne doivent être confiés qu'à des professionnels. Comment s'assurer que des professionnels travaillent dans cette entreprise ? Tout d'abord, par la disponibilité de toute la documentation nécessaire, un portefeuille d'objets mis en œuvre, des certificats des 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 une pompe à chaleur de fabrication européenne. Ne soyez pas dérouté par le fait qu'il est plus cher que l'équipement chinois ou russe. Lorsqu'elle est incluse dans l'estimation du coût d'installation, de mise en service et de débogage de l'ensemble du système de chauffage, la différence de prix des pompes sera presque imperceptible. Mais d'un autre côté, en 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 pour la créer.

Principales variétés

Toutes les pompes de circulation pour systèmes de chauffage sont divisées en deux types de conception: les appareils à rotor "sec" et les pompes de circulation à rotor "humide".

Dans les pompes de circulation du premier type, ce qui ressort déjà clairement de leur nom, le rotor n'entre pas en contact avec le fluide de travail liquide - le liquide de refroidissement. La roue de ces pompes est séparée du rotor et du stator par des bagues d'étanchéité en acier, pressées l'une contre l'autre au moyen d'un ressort spécial qui compense l'usure de ces éléments. L'étanchéité de cet ensemble d'étanchéité lors du fonctionnement de la pompe est assurée par une fine couche d'eau entre les anneaux d'acier, qui se forme du fait de la différence entre les pressions dans le système de chauffage et dans le milieu extérieur.

Les pompes de circulation pour le chauffage à rotor "sec" se distinguent par un rendement (89%) et une productivité assez élevés, mais les machines hydrauliques de ce type présentent également des inconvénients, notamment une forte bruit au travail et la complexité de l'exploitation, de l'entretien et de la réparation.En règle générale, les systèmes de chauffage industriels sont équipés de pompes de ce type, elles sont rarement utilisées dans les systèmes de chauffage domestique.

Pompe de circulation à un étage avec rotor "sec"

Une pompe de circulation pour systèmes de chauffage équipée d'un rotor de type "humide" est un appareil dont la roue et le rotor sont en contact permanent avec le fluide caloporteur. Le milieu de travail dans lequel le rotor et la roue tournent agit comme un lubrifiant et un liquide de refroidissement. Le stator et le rotor des pompes de ce type sont isolés l'un de l'autre à l'aide d'un verre spécial en acier inoxydable. Un tel verre, à l'intérieur duquel un rotor et une roue tournant dans le fluide caloporteur, protège l'enroulement de stator sous tension de la pénétration de fluide de travail sur celui-ci.

L'efficacité des pompes de ce type est plutôt faible et n'est que de 55%, mais les capacités techniques d'un tel appareil sont tout à fait suffisantes pour assurer la circulation du liquide de refroidissement dans les systèmes de chauffage. des maisons pas trop grandes. Si nous parlons des avantages des pompes de circulation à rotor "humide", elles doivent inclure le minimum de bruit émis lors du fonctionnement de tels appareils, une grande fiabilité, une facilité d'utilisation, d'entretien et de réparation.

Pompe de circulation humide

Sélection du type de pompe à chaleur

L'indicateur principal de ce système de chauffage est la puissance. Tout d'abord, les coûts financiers pour l'achat d'équipements et le choix de l'une ou l'autre source de chaleur à basse température dépendront de la puissance.Plus la puissance du système de pompe à chaleur est élevée, plus le coût des composants est élevé.

Il s'agit tout d'abord de la puissance du compresseur, de la profondeur des puits pour les sondes géothermiques ou encore de la surface pour accueillir un collecteur horizontal. Des calculs thermodynamiques corrects sont une sorte de garantie que le système fonctionnera efficacement.

S'il y a un réservoir près de votre zone personnelle, le choix le plus rentable et le plus productif sera pompe à chaleur eau-l'eau

Vous devez d'abord étudier la zone prévue pour l'installation de la pompe. La condition idéale serait la présence d'un réservoir dans cette zone. L'utilisation de l'option eau-eau réduira considérablement la quantité d'excavation.

L'utilisation de la chaleur de la terre, au contraire, implique un grand nombre de travaux liés à l'excavation. Les systèmes qui utilisent l'eau comme source de chaleur de faible qualité sont considérés comme les plus efficaces.

Le dispositif d'une pompe à chaleur qui extrait l'énergie thermique du sol implique une quantité impressionnante de travaux de terrassement. Le collecteur est posé sous le niveau de gel saisonnier

Il existe deux façons d'utiliser l'énergie thermique du sol. La première consiste à forer des puits d'un diamètre de 100 à 168 mm. La profondeur de ces puits, en fonction des paramètres du système, peut atteindre 100 m ou plus.

Des sondes spéciales sont placées dans ces puits. La deuxième méthode utilise un collecteur de tuyaux. Un tel collecteur est placé sous terre dans un plan horizontal. Cette option nécessite une surface assez grande.

Pour la pose du collecteur, les zones avec un sol humide sont considérées comme idéales. Naturellement, le forage de puits coûtera plus cher qu'un réservoir horizontal.Cependant, tous les sites ne disposent pas d'espace libre. Pour un kW de puissance de pompe à chaleur, il faut de 30 à 50m² de surface.

La construction pour l'apport d'énergie thermique avec un puits profond peut s'avérer un peu moins chère que de creuser une fosse

Mais un avantage significatif réside dans les importantes économies d'espace, ce qui est important pour les propriétaires de petites parcelles. En cas de présence d'un horizon d'eau souterraine élevé sur le site, des échangeurs de chaleur peuvent être disposés dans deux puits situés à une distance d'environ 15 m l'un de l'autre

En cas de présence d'un horizon d'eau souterraine élevé sur le site, des échangeurs de chaleur peuvent être disposés dans deux puits situés à une distance d'environ 15 m l'un de l'autre.

L'extraction d'énergie thermique dans de tels systèmes en pompant les eaux souterraines dans un circuit fermé, dont certaines parties sont situées dans des puits. Un tel système nécessite l'installation d'un filtre et un nettoyage périodique de l'échangeur de chaleur.

Le schéma de pompe à chaleur le plus simple et le moins cher est basé sur l'extraction de l'énergie thermique de l'air. Une fois qu'il est devenu la base de la construction de réfrigérateurs, les climatiseurs ultérieurs ont été développés selon ses principes.

Le système de pompe à chaleur le plus simple tire son énergie de la masse d'air. En été il participe au chauffage, en hiver à la climatisation. L'inconvénient du système est que, dans une version indépendante, une unité avec une puissance insuffisante

Efficacité différents types de cet équipement pas le même. Les pompes qui utilisent de l'air ont les performances les plus faibles. De plus, ces indicateurs dépendent directement des conditions météorologiques.

Les variétés de pompes à chaleur au sol ont des performances stables. Le coefficient d'efficacité de ces systèmes varie entre 2,8 et 3,3.Les systèmes eau-eau sont les plus efficaces. Ceci est principalement dû à la stabilité de la température de la source.

Il convient de noter que plus le collecteur de la pompe est situé profondément dans le réservoir, plus la température sera stable. Pour obtenir une puissance de système de 10 kW, environ 300 mètres de canalisation sont nécessaires.

Le principal paramètre caractérisant le rendement d'une pompe à chaleur est son facteur de conversion. Plus le facteur de conversion est élevé, plus la pompe à chaleur est considérée comme efficace.

Le facteur de conversion d'une pompe à chaleur s'exprime par le rapport entre le flux de chaleur et la puissance électrique dépensée pour le fonctionnement du compresseur