Le principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur. Comment fonctionne une pompe à chaleur ? Schéma et technologie de fonctionnement d'une pompe à chaleur Pompe à chaleur pour l'eau

Une pompe à chaleur est une bonne alternative au chauffage traditionnel d’une maison privée. L'appareil, utilisé depuis 30 ans dans les pays occidentaux, est encore un produit nouveau en Russie. Deux facteurs freinent son utilisation généralisée : le coût élevé et le manque d'informations sur les pompes à chaleur, leurs avantages et leurs principes de fonctionnement. Un indicateur de l’aspect pratique d’un système de chauffage géothermique est sa popularité en Occident. Ainsi, environ 95 % des maisons sont chauffées par des pompes à chaleur en Suède et en Norvège. Nous vous invitons à vous familiariser plus en détail avec la conception et les principes de fonctionnement de cet équipement thermique qui est certainement l'avenir.

Qu'est-ce qu'une pompe à chaleur ?

Une pompe à chaleur est un appareil qui absorbe l'énergie thermique potentielle faible de l'environnement (eau, terre, air) et la transfère vers des systèmes de fourniture de chaleur ayant une température plus élevée.

La nature qui nous entoure est saturée d'énergie. Même le gel a de la chaleur. L’énergie ne peut être extraite de l’environnement qu’à une température de -273 °C. Par conséquent, même pendant les hivers les plus rigoureux, une maison de campagne peut être chauffé grâce à l’énergie obtenue de la nature.

Selon la source d'énergie (eau, terre, air), cela se produit modification des pompes à chaleur. Toutefois, la plus pratique et la plus éprouvée est la pompe à chaleur géothermique, qui utilise l’énergie du sol. C'est idéal pour les conditions russes.

Le chauffage géothermique fonctionne de trois manières :

L'utilisation du chauffage géothermique, comme tout système de chauffage, permettra non seulement de chauffer la maison, mais également de fournir de l'eau chaude, de chauffer un parking ou une serre, ou encore de chauffer l'eau d'une piscine.

Avantages de l'utilisation d'une pompe à chaleur

Principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur

Le fonctionnement d’une pompe à chaleur peut être comparé au fonctionnement d’un réfrigérateur classique. Seulement, au lieu du froid, l'appareil produit de la chaleur. La substance qui transfère l'énergie est fréon- gaz ou liquide à bas point d'ébullition. Lorsqu’il s’évapore, il absorbe la chaleur et lorsqu’il se condense, il la restitue.

La pompe à chaleur est l'élément principal du système. Ses dimensions ne dépassez pas les dimensions d'une machine à laver moyenne, ce qui facilite l'installation de l'appareil. La pompe elle-même est connectée à deux circuits : interne et externe.

Circuit intérieur se compose d'un système de chauffage domestique (tuyaux et radiateurs). Contour externe situé dans l'eau ou sous terre. Il comprend un collecteur échangeur de chaleur et des tuyaux reliant le collecteur à la pompe.

Les pompes à chaleur sont équipées de divers appareils supplémentaires. Ça peut être:

• dispositif de communication contrôler le système via un ordinateur personnel ou un téléphone mobile ;
• unité de refroidissement pour système de refroidissement local ou central ;
• unité de pompage supplémentaire peut être nécessaire pour le chauffage par le sol ;
• pompe de circulation nécessaire à la circulation de l'eau chaude;

Le processus de fonctionnement de la pompe consiste à plusieurs étapes:

1. Mélange antigel est fourni au collectionneur. L'énergie thermique est absorbée et transportée vers la pompe.
2. Dans l'évaporateur, l'énergie est transférée au fréon, où elle est chauffée jusqu'à 8 °C, bout et se transforme en vapeur.
3. À mesure que la pression dans le compresseur augmente, la température augmente. Elle peut atteindre 70 °C.
4. Le système de chauffage interne reçoit de l'énergie thermique via condensateur. Le fréon refroidit instantanément et passe à l'état liquide, dégageant la chaleur restante. Il retourne ensuite au collectionneur. Ceci termine le cycle.
5. Ensuite, le travail est répété selon le même principe.

Une thermopompe fonctionne plus efficacement s’il y a des planchers chauffants dans la maison. La chaleur est répartie uniformément sur toute la surface au sol. Il n'y a pas de zones de surchauffe. Le liquide de refroidissement du système chauffe rarement au-dessus de 35 °C et le chauffage par le sol chauffant est considéré comme plus confortable à 33 °C. C'est 2 °C de moins qu'en chauffant avec des radiateurs. Il en résulte donc des économies jusqu'à 18% par an de l'ensemble du budget de chauffage. De plus, on pense que le chauffage au niveau du sol est le plus confortable pour l'habitation humaine.

Le système de chauffage peut être monovalent ou bivalent. Les systèmes monovalents ont une source de chauffage. Il répond pleinement aux besoins de chaleur toute l’année. Les bivalents ont donc deux sources.

Chauffer la maison en hiver

Dans les régions aux conditions climatiques plus sévères, il est important d'utiliser système de chauffage bivalent. Grâce à la deuxième source de chaleur, la plage de température s'élargit. Le fonctionnement d’une pompe à chaleur n’est suffisant que jusqu’à une température de -20 °C. Lorsqu'il est encore abaissé, un radiateur électrique, une cheminée, une chaudière à combustible liquide ou à gaz sont connectés. Dans ce cas, la puissance de la pompe à chaleur est limitée de la demande hivernale maximale à 70 - 80 %. Les 20 à 30 % manquants sont fournis par une source de chaleur supplémentaire. Ce réduit l’efficacité globale du système. Toutefois, la diminution est insignifiante.

Lors du passage complet au chauffage d'un bâtiment par géothermie (dans le cas où il n'est pas prévu d'installer une chaudière ou un appareil électrique supplémentaire), la pompe à chaleur est utilisée en conjonction avec un module interne contenant un petit radiateur électrique intégré. Il prendra en charge l'appareil lorsque la température ambiante est en dessous de -20 °C.

Dans quels cas le recours à une pompe à chaleur est-il justifié ?

La question du chauffage d'une maison de campagne implique d'envisager plusieurs options :

• Gaz. S'il n'y a pas de gazoduc à proximité de la maison, cela devient impossible. Dans certaines régions, vous ne pouvez acheter du gaz qu’en bouteilles.
• Charbon ou bois de chauffage. Avec eux, le chauffage se transforme en un processus laborieux et inefficace.
• Chaudière à combustible liquide nécessite des coûts de carburant élevés et des locaux spéciaux. Le carburant lui-même nécessite également un stockage spécial, ce qui n'est pas pratique dans une petite maison.
• Chauffage électrique est très cher.

Dans ce cas, il vient à la rescousse système de chauffage géothermique. Il est utilisé même là où le gaz est disponible. L’installation d’une pompe à chaleur coûte plus cher que l’installation d’un équipement de chauffage au gaz. Cependant, le gaz devra être payé en continu à l’avenir, contrairement à l’énergie extraite de l’environnement.

Le retour sur investissement d’une pompe à chaleur est difficile à exprimer en valeur numérique moyenne. Tout dépend de son coût initial. L’essence de l’installation d’un tel chauffage se résume à la perspective. Même si la quantité consommée électricité - 3 à 5 fois moins que les autres systèmes de chauffage, il faut quand même calculer en termes monétaires tous les coûts énergétiques de l'année et les comparer avec le coût du système, de son installation et de son fonctionnement.

L’efficacité maximale de l’utilisation d’une pompe à chaleur peut être obtenue en suivant deux conditions importantes :

• Le bâtiment chauffé doit être isolé, et le taux de perte de chaleur ne doit pas dépasser 100 W/m2. Il existe un lien direct entre la façon dont la maison est isolée et l’avantage qu’il y aura à installer une pompe à chaleur.
• Raccordement de la pompe à chaleur à sources de chauffage à basse température(convecteurs, planchers chauffants), dont la plage de température varie entre 30 et 40 °C.

Ainsi, une pompe à chaleur sera une bonne alternative aux méthodes de chauffage traditionnelles. L'appareil garantit économique et totalement sûr. Le propriétaire, après avoir installé un système de chauffage géothermique, n’aura pas à dépendre de divers facteurs externes, comme des interruptions d’approvisionnement en gaz ou des appels de service. L'énergie extraite de l'environnement ne nécessite pas de paiement et n'est pas épuisée.

Les pompes géothermiques représenteront les trois quarts de tous les équipements de chauffage en 2020, selon les prévisions du Comité mondial de l'énergie.

Pratique d'utilisation des pompes à chaleur : vidéo

Aujourd’hui, le monde civilisé tout entier lutte pour économiser les ressources énergétiques. Bien sûr, personne n'a encore réussi à créer une machine à mouvement perpétuel, mais une source d'apport de chaleur quasi constante a déjà été trouvée. Voici notre environnement :

• atmosphère;
• le sol;
• eaux souterraines;
• plans d’eau naturels.

La seule question qui reste est la suivante : comment la chaleur peut-elle être accumulée à partir de l’environnement externe et dirigée vers les besoins internes ?

À ces fins, une unité telle qu'une pompe à chaleur est utilisée. En fait, de nombreuses personnes techniquement instruites le savent déjà : il est mis en œuvre dans tout système de réfrigération ou de climatisation moderne.

De plus, cette unité fonctionne de la manière la plus directe : en mode chauffage, elles accumulent la chaleur atmosphérique externe, la transférant aux dispositifs de transfert de chaleur internes - les radiateurs ventilés.

Précisons d'emblée que l'utilisation d'un tel appareil sera efficace pour chauffer d'éventuels locaux isolés avec température de la source de chaleur supérieure à un degré Celsius.

Le principe de fonctionnement de cette unité est fondamental sur la loi de Carnot. C'est basé sur accumulation d'énergie thermique de faible qualité par le réfrigérant avec son transfert ultérieur au consommateur.

1. Le réfrigérant, qui a une température plus basse, est chauffé à partir de sources externes– sols, puits profonds, réservoirs naturels, en passant à l’état d’agrégation gazeux.
2. Il a forcé comprimé par le compresseur, chauffant encore plus, et acquiert à nouveau un état liquide, libérant toute l'énergie thermique accumulée dans les radiateurs de chauffage.
3. Le cycle se répète– le réfrigérant liquide entre à nouveau dans le circuit externe du système où, en s'évaporant, il se charge d'énergie thermique provenant de sources de chaleur externes.

Dans ce cas, seule l'électricité nécessaire à la compression et à la circulation du réfrigérant dans le système est consommée, c'est-à-dire que le chauffage de l'intérieur est effectué de la manière la plus économique.

Types de pompes à chaleur

Il existe trois modifications principales des pompes à chaleur :

• • • "l'eau l'eau";
    • « sol - eau » ;
    • "air - eau".

Générateurs de chaleur eau-eau

Aujourd’hui, les pompes à chaleur sont largement utilisées dans les pays européens très développés. Par exemple, aux Pays-Bas, des communautés de chalets entières sont chauffées grâce à cet échangeur de chaleur, car il existe de nombreuses mines géothermiques remplies d'eau à une température constante de 32 degrés Celsius. Et c'est pratiquement une source de chaleur gratuite.

Une variation similaire de génération de chaleur
l'équipement est appelé « eau - eau ». Cette catégorie comprend tout type de systèmes thermiques utilisant milieux liquides comme sources d'énergie thermique.

Typiquement ce principe de fonctionnement est mis en œuvre de la manière suivante :

• l'eau chaude du puits est fournie à l'extérieur, après quoi il est déversé dans un autre puits ou dans un plan d'eau voisin.
• Le radiateur est monté au fond d'un réservoir sans glace. Il est fabriqué à partir de tuyaux en acier inoxydable ou en métal-plastique. De plus, pour économiser un réfrigérant coûteux - le fréon - il est souvent utilisé circuit intermédiaire d'eau de refroidissement rempli d'antigel- solution antigel ou glycolée (antigel).

Le coût des unités eau-eau varie considérablement et dépend avant tout de la capacité de production de chaleur et du pays d'origine.

Donc, l'unité de fabrication russe la moins puissante, capable de développer des températures puissance d'environ 6 kW, coûtera près de 2 000 $, et un équipement industriel à deux compresseurs d'une puissance supérieure à 100 kW coûtera près de trente mille dollars Etats-Unis.

Unités air-eau

Lors de l'utilisation de l'atmosphère ou de la lumière du soleil comme source d'énergie thermique La pompe à chaleur est considérée comme de la classe air-eau. Dans ce cas, un ventilateur de circulation est souvent installé sur l'échangeur de chaleur externe, qui pompe en outre de l'air extérieur chaud.

Le coût d'un appareil de chauffage à air de 18 kilowatts de cette classe, fabriqué en Russie, commence à 5 000 dollars, et pour un équipement de douze kilowatts de la société japonaise Fujitsu, le consommateur devra payer près de 9 000 dollars.

Équipements de la classe "sol - eau"

Il existe également une variante qui utilise source d'énergie thermique potentiel accumulé dans le sol.
Il existe deux types de telles structures : verticales et horizontales.

• Verticale— la disposition du collecteur de chaleur est linéaire. Tous le système est placé dans des tranchées verticales dont la profondeur est de 20 à 100 mètres.
• Horizontal- des configurations de collecteurs externes, généralement des tuyaux métal-plastique torsadés en spirale, sont posés dans Tranchées horizontales de 2 à 4 mètres. Et dans ce cas, Plus la profondeur du dissipateur thermique externe est grande, meilleur est le chauffage « depuis le sol »..

Le prix des unités de la classe « sol - eau » est comparable à celui des équipements de même capacité de la classe « eau - eau » et commence à deux mille dollars américains pour une pompe de six kilowatts.

Avantages et inconvénients d'un système de chauffage basé sur une pompe à chaleur

Les propriétés positives des pompes à chaleur comprennent :

Revoir: L'année dernière, j'ai acheté une pompe à chaleur air-eau monobloc pour chauffer une maison de campagne. Cher, bien sûr, mais j'espère que cela sera rentable dans 10 ans. Le fournisseur a installé lui-même la pompe et l'a connectée au système de chauffage, tout fonctionne pratiquement sans ma participation. Je suis content du choix.

Les inconvénients d’une pompe à chaleur comprennent :

• Coût d'installation élevé. Pour le fonctionnement normal des équipements thermiques, il est nécessaire de déployer des efforts importants - creuser de longues tranchées, creuser des puits profonds ou souvent parcourir des distances importantes jusqu'au plan d'eau le plus proche.
• La nécessité d'une mise en œuvre de haute qualité du système. La moindre fuite de réfrigérant ou de liquide de refroidissement intermédiaire peut ruiner tous les efforts. Par conséquent, lors de l'aménagement d'un circuit de toute variation, il est nécessaire de faire appel à la main-d'œuvre de spécialistes exclusivement qualifiés et, pendant le fonctionnement du système, d'éliminer le risque de dépressurisation.

Pompe à chaleur DIY. Assemblage et installation

Bien entendu, l'investissement initial dans l'organisation du chauffage domestique grâce à cette technologie est très élevé. Par conséquent, de nombreuses personnes ordinaires intéressées par ce système ultra-économique souhaitent économiser au moins un peu en le construisant elles-mêmes.

Pour ce faire, vous avez besoin de :

• Acheter un compresseur. N’importe quelle unité fonctionnelle d’un système de climatisation split domestique fera l’affaire.
• Construire un condensateur. Dans le cas le plus simple, cela peut être l'habituel cuve en acier inoxydable d'un volume de 100 litres. Il est coupé en deux et un serpentin de tuyau en cuivre de petit diamètre est monté à l'intérieur. L'épaisseur de la paroi de la bobine doit être d'au moins un millimètre. Après avoir détaché la bobine, il est nécessaire de ressouder le réservoir en une structure complète, en respectant les conditions d'étanchéité.
• Assembler l'évaporateur. Il peut s'agir d'un récipient en plastique de 60 à 80 litres dans lequel est intégré un tuyau de ¾ de pouce.
• Pour organiser un contour extérieur situé dans le sol, il est préférable d'utiliser des– ils sont beaucoup plus durables que ceux en métal classiques et leur installation est beaucoup plus fiable et plus rapide.

Il ne reste plus qu'à inviter un technicien en équipement frigorifique, afin qu'à l'aide d'un équipement spécialisé, il scelle qualitativement tous les joints du système et le remplisse de fréon.

Regardez une vidéo sur l'installation d'une pompe à chaleur Daikin Altherma :

Ceci termine l'installation de l'unité de production de chaleur. Vous pouvez profiter de tous ses avantages dont le principal est une faible consommation d’énergie – une électricité avec une capacité de production de chaleur importante.

Le Comité mondial de l'énergie a établi une prévision de l'utilisation de sources de chaleur pour chauffer les bâtiments pour 2020. Il affirme que dans les pays développés, 75 % des foyers seront alimentés en eau chaude et chauffés par l'énergie géothermique de la planète.

Aujourd'hui, 40 % de tous les nouveaux logements en Suisse sont équipés de pompes à chaleur, et en Suède, ce chiffre est passé à 90 %. La Russie et les pays de la CEI introduisent moins souvent une pompe à chaleur pour le chauffage domestique, même si les premiers passionnés utilisent déjà cette méthode, transmettant leur expérience à leurs adeptes.

Principes de travail

Pour chauffer un bâtiment, l'énergie provenant d'une source à faible potentiel (température) est transférée au consommateur par un liquide de refroidissement. Le processus technologique utilise la loi de la thermodynamique, qui assure l'égalisation des énergies thermiques de deux systèmes à températures différentes : transfert d'énergie d'une source chaude vers un consommateur froid.

Lors de l'utilisation de la chaleur ambiante, son potentiel de température pour le chauffage et l'approvisionnement en eau chaude est augmenté.

La source de chaleur régénérative peut être :

• la surface de la terre ou son volume ;
• milieu aquatique (lac, rivière) ;
• masses d'air.

Les modèles les plus populaires sont ceux qui prennent l'énergie de la terre, dont la surface est chauffée par les rayons du soleil et l'énergie du noyau externe et interne de la planète. On les note :

1. la meilleure combinaison de qualités de consommateur ;
2. efficacité;
3. à un prix.

Schémas de circulation du liquide de refroidissement

Lorsqu'une pompe à chaleur (PAC) fonctionne, trois circuits fermés sont utilisés dans lesquels circulent divers liquides/gaz - liquides de refroidissement. Chacun d'eux remplit ses propres fonctions.

Circuit de captation du potentiel d'énergie de la source

Lors de la récupération de la chaleur de l'air, un soufflage artificiel du boîtier de l'évaporateur avec les flux d'air des ventilateurs est utilisé.

Un cycle fermé d'un liquide de refroidissement destiné au transfert de chaleur du milieu aquatique ou de la terre est réalisé à travers des canalisations qui relient le serpentin de l'évaporateur à un collecteur encastré au fond du réservoir ou enterré dans le sol à une distance dépassant le gel du sol. par grand froid.

Des liquides antigel à base de solutions aqueuses diluées d'alcool sont utilisés comme liquides de refroidissement. Ils sont généralement appelés « antigel » ou « saumure ». Sous l'influence d'une température plus élevée (≥+3ºС), ils montent jusqu'à l'évaporateur, y transfèrent de la chaleur et, après refroidissement (≈-3ºС), ils retournent par gravité vers la source d'énergie, assurant une circulation continue.

Circuit intérieur

Un réfrigérant à base de fréon y circule, « élevant » la chaleur à un niveau supérieur. Sous l’influence de la température, il se transforme successivement en états gazeux et liquide.

Le circuit interne comprend :

• un évaporateur qui prend l'énergie des saumures et la transfère au fréon, qui bout et devient un gaz raréfié ;
• un compresseur qui comprime le gaz à haute pression. Dans le même temps, la température du fréon augmente fortement ;
• un condenseur dans lequel le gaz chaud transfère son énergie au liquide de refroidissement du circuit de sortie, et se refroidit lui-même, passant à l'état liquide ;
• papillon (détendeur), réduisant le fréon en raison d'une différence de pression par rapport à l'état de vapeur saturée pour entrer dans l'évaporateur. Lorsque le réfrigérant passe à travers un trou étroit, la pression du liquide de refroidissement chute à la valeur initiale.

Circuit de sortie

L'eau circule ici. Il est chauffé dans un serpentin de condenseur pour être utilisé dans un système de chauffage hydronique conventionnel. Avec cette méthode, sa température atteint environ 35ºC, ce qui détermine son utilisation dans le système « Warm Floor » avec de longues lignes qui permettent à l'énergie générée d'être transférée uniformément dans tout le volume de la pièce.

Utiliser uniquement des radiateurs de chauffage, qui créent de plus petits volumes d'échange thermique avec l'espace des pièces, n'est pas aussi efficace.

Conception

L'industrie produit des modèles avec des caractéristiques de performance différentes, mais ils incluent des équipements qui effectuent les tâches typiques décrites ci-dessus.

En tant qu'option de conception, la figure montre une pompe à chaleur pour chauffer une maison.

Ici, la chaleur des sources géothermiques est reçue via des canalisations d'entrée et le week-end, elle est transférée au système de chauffage de la maison.

Le fonctionnement de la pompe à chaleur est assuré par :

• système de surveillance et de contrôle des paramètres de circuits, y compris méthodes à distance via Internet ;
• équipements supplémentaires (unités de lavage et de remplissage, vases d'expansion, groupes de sécurité, stations de pompage).

Structures au sol

Ils utilisent trois modèles d'échangeurs de chaleur pour extraire l'énergie de la source :

1. emplacement superficiel;
2. installation de sondes de sol verticales ;
3. approfondissement des structures horizontales.

La première méthode est la moins efficace. Il est donc rarement utilisé pour chauffer une maison.

Installation de sondes dans les puits

Cette méthode est la plus efficace. Il prévoit la création de puits jusqu'à des profondeurs d'environ 50÷150 mètres ou plus pour accueillir un pipeline en forme de U en matières plastiques d'un diamètre de 25 à 40 mm.

L'augmentation de la section transversale du tuyau, ainsi que l'approfondissement du puits, créent une meilleure évacuation de la chaleur, mais augmentent le coût de la structure.

Collecteurs horizontaux

Le perçage de trous de sonde coûte cher. C’est pourquoi cette méthode est souvent choisie car elle est moins chère. Il vous permet de creuser des tranchées en dessous de la profondeur de congélation du sol.

Lors de la conception d'un collecteur horizontal, les éléments suivants doivent être pris en compte :

1. conductivité thermique du sol;
2. humidité moyenne du sol;
3. géométrie du site.

Ils affectent les dimensions et la configuration du collecteur. Les canalisations peuvent être posées :

• boucles;
• des zigzags;
• serpent;
• formes géométriques plates;
• spirales hélicoïdales.

Il est important de comprendre que la superficie du site allouée à un tel collecteur dépasse généralement de 2 à 3 fois les dimensions des fondations de la maison. C’est le principal inconvénient de cette méthode.

Collecteurs d'eau

C'est la méthode la plus économique, mais elle nécessite la localisation d'un réservoir profond à proximité du bâtiment. Les pipelines assemblés sont placés et fixés avec des poids en bas. Pour un fonctionnement efficace de la pompe à chaleur, il est nécessaire de calculer la profondeur minimale du collecteur et le volume du réservoir capable d'évacuer la chaleur.

Les dimensions d'une telle structure sont déterminées par des calculs thermiques et peuvent atteindre une longueur supérieure à 300 mètres.

L'image ci-dessous montre la préparation des lignes à assembler sur la glace d'un lac de source. Il vous permet d'évaluer visuellement l'ampleur des travaux à venir.

Méthode aérienne

Un ventilateur externe ou intégré souffle l'air de la rue directement sur l'évaporateur avec du fréon, comme dans un climatiseur. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire de créer des structures volumineuses à partir de tuyaux et de les placer dans le sol ou dans un réservoir.

Une pompe à chaleur pour chauffer une maison fonctionnant selon ce principe est moins chère, mais il est recommandé de l'utiliser dans un climat relativement chaud : l'air glacial ne permettra pas au système de fonctionner.

De tels appareils sont largement utilisés pour chauffer l'eau des piscines ou des pièces situées à côté d'appareils industriels qui sont constamment impliqués dans le processus technologique et libèrent de la chaleur dans l'atmosphère à l'aide de systèmes de refroidissement puissants. Les exemples incluent les autotransformateurs de puissance, les stations diesel et les chaufferies.

Caractéristiques principales

Lors du choix d'un modèle VT, vous devez considérer :

• puissance thermique de sortie ;
• taux de transformation de la pompe à chaleur ;
• efficacité conditionnelle ;
• efficacité et coûts annuels.

puissance de sortie

Lors de la création d'une nouvelle conception de maison, ses besoins thermiques sont pris en compte, en tenant compte des caractéristiques de conception des matériaux qui créent des pertes de chaleur à travers les murs, les fenêtres, les portes, les plafonds et les sols des pièces de différentes tailles. Le calcul prend en compte la création de confort aux gelées les plus basses dans une zone particulière.

La consommation d'énergie thermique du bâtiment est exprimée en kW. Elle doit être couverte par l'énergie générée par la pompe à chaleur. Cependant, une simplification est souvent opérée dans les calculs qui permet de réaliser des économies : la durée des jours les plus froids de l'année n'excède pas plusieurs semaines. Pendant cette période, une source de chaleur supplémentaire est connectée, par exemple des éléments chauffants qui chauffent l'eau de la chaudière.
Ils ne fonctionnent que dans des situations critiques lors de gelées et sont éteints le reste du temps. Cela permet l'utilisation de VT avec des puissances inférieures.

Possibilités de conception

Pour référence. Les modèles d'une puissance de sortie de 6÷11 kW de circuits « eau glycolée-eau » sont capables de chauffer l'eau des réservoirs intégrés dans des bâtiments relativement petits. Une puissance de 17 kW est suffisante pour maintenir une température de l'eau de 65ºC dans une chaudière d'une capacité de 230÷440 litres.
Les besoins en chaleur des bâtiments de taille moyenne couvrent une puissance de 22÷60 kW.

Coefficient de transformation des pompes à chaleur Ktr

Il détermine l'efficacité de la structure à l'aide de la formule sans dimension :

Ktr=(Tout-Tout)/Tout

La valeur « T » indique la température des liquides de refroidissement à la sortie et à l'entrée de la structure.

Coefficient de conversion énergétique (ͼ)

Il est calculé pour déterminer la proportion de chaleur utile dégagée par rapport à l’énergie appliquée au compresseur.

ͼ=0,5T/(T-À)=0,5(ΔT+To)/ΔT

Pour cette formule, la température du consommateur « T » et de la source « To » est déterminée en degrés Kelvin.

La valeur ͼ peut être déterminée par la quantité d'énergie dépensée pour le fonctionnement du compresseur « Rel » et la puissance calorifique utile qui en résulte « Rn ». Dans ce cas, on l'appelle « COP », abréviation du terme anglais « Coefficient of performance ».

Le coefficient ͼ est une valeur variable en fonction de la différence de température entre la source et le consommateur. Il est désigné par des chiffres de 1 à 7.

Efficacité conditionnelle

C'est une fausse affirmation : le facteur d'efficacité prend en compte les pertes de puissance lors du fonctionnement de l'appareil final.
Pour le déterminer, il est nécessaire de diviser la puissance thermique produite par celle appliquée, en tenant compte de l'énergie des sources géothermiques. Avec ce calcul, une machine à mouvement perpétuel ne fonctionnera pas.

Efficacité et coûts annuels

Le coefficient COP évalue les performances d'une pompe à chaleur à un moment donné dans des conditions de fonctionnement spécifiques. Pour analyser les performances de HP, un indicateur annuel d’efficacité du système (β) a été introduit.

Ici, le symbole Qwp désigne la quantité d'énergie thermique produite par an, et Wel est la valeur de l'électricité consommée par l'installation pendant la même période.

Indicateur de coût Eq

Cette caractéristique est à l'opposé de l'indicateur d'efficacité.

Pour déterminer les caractéristiques de HP, des logiciels spécialisés et des bancs d'usine sont utilisés.

Caractéristiques distinctives

Avantages

Chauffer une maison avec une pompe à chaleur par rapport aux autres systèmes a :

1. bons paramètres environnementaux;
2. longue durée de vie des équipements sans entretien ;
3. la possibilité de passer simplement du mode chauffage en hiver à la climatisation en été ;
4. rendement annuel élevé.

Défauts

Au stade du projet et pendant l'exploitation, il est nécessaire de prendre en compte :

1. difficulté à effectuer des calculs techniques précis ;
2. coût élevé des équipements et des travaux d'installation;
3. la possibilité de formation de « embouteillages » dus à des violations de la technologie de pose de pipelines ;
4. température limitée de l'eau sortant du système (≤+65ºС);
5. individualité stricte de chaque conception pour tout bâtiment ;
6. la nécessité de grandes surfaces pour les collecteurs, à l'exception de la construction d'installations sur celles-ci.

Brève liste des fabricants

Les pompes à chaleur modernes pour le chauffage domestique sont produites par des entreprises telles que :

• Bosch - Allemagne ;
• Waterkotte - Allemagne ;
• WTT Group OY - Finlande ;
• ClimateMaster - États-Unis ;
• ÉCONAR - États-Unis ;
• Dimplex - Irlande ;
• Fabrication FHP - États-Unis ;
• Gustrowr - Allemagne ;
• Héliotherm - Autriche ;
• IVT - Suède ;
• LEBERG - Norvège.

De plus en plus d’internautes s’intéressent aux modes de chauffage alternatifs : pompes à chaleur.

Pour la plupart, il s'agit d'une technologie complètement nouvelle et inconnue, c'est pourquoi des questions se posent telles que : « Qu'est-ce que c'est ? », « À quoi ressemble une pompe à chaleur ? », « Comment fonctionne une pompe à chaleur ? etc.

Nous allons essayer ici d’apporter des réponses simples et accessibles à toutes ces questions et à bien d’autres liées aux pompes à chaleur.

Qu’est-ce qu’une pompe à chaleur ?

Pompe à chaleur- un appareil (autrement dit une « chaudière thermique ») qui évacue la chaleur dissipée de l'environnement (sol, eau ou air) et la transfère vers le circuit de chauffage de votre habitation.

Grâce aux rayons du soleil, qui pénètrent continuellement dans l'atmosphère et la surface de la terre, il y a un dégagement constant de chaleur. C'est ainsi que la surface de la Terre reçoit de l'énergie thermique toute l'année.

L'air absorbe partiellement la chaleur provenant de l'énergie des rayons du soleil. L’énergie solaire thermique restante est presque entièrement absorbée par la terre.

De plus, la chaleur géothermique provenant des entrailles de la terre assure en permanence une température du sol de +8°C (à partir d'une profondeur de 1,5 à 2 mètres et moins). Même pendant les hivers froids, la température au fond des réservoirs reste comprise entre +4 et 6°C.

C'est cette chaleur de faible qualité du sol, de l'eau et de l'air que la pompe à chaleur transfère de l'environnement au circuit de chauffage d'une maison privée, après avoir préalablement augmenté la température du liquide de refroidissement jusqu'à +35-80°C requis.

VIDÉO : Comment fonctionne une pompe à chaleur sur eau souterraine ?

A quoi sert une pompe à chaleur ?

Pompes à chaleur- les moteurs thermiques conçus pour produire de la chaleur selon un cycle thermodynamique inversé. transférer l'énergie thermique d'une source à basse température vers un système de chauffage à plus haute température. Lors du fonctionnement d'une pompe à chaleur, des coûts énergétiques ne dépassent pas la quantité d'énergie produite.

Le fonctionnement d'une pompe à chaleur est basé sur un cycle thermodynamique inverse (cycle de Carnot inversé), composé de deux isothermes et de deux adiabatiques, mais contrairement au cycle thermodynamique direct (cycle de Carnot direct), le processus se déroule dans le sens inverse : dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Dans le cycle de Carnot inversé, l’environnement agit comme une source de chaleur froide. Lorsqu'une pompe à chaleur fonctionne, la chaleur du milieu extérieur est transférée au consommateur en raison du travail effectué, mais à une température plus élevée.

Il n'est possible de transférer la chaleur d'un corps froid (sol, eau, air) que par la dépense de travail (dans le cas d'une pompe à chaleur, la dépense d'énergie électrique pour le fonctionnement d'un compresseur, de pompes de circulation, etc.) ou un autre processus de compensation.

Une pompe à chaleur peut également être appelée « réfrigérateur à l'envers », puisqu'une pompe à chaleur est la même machine frigorifique, mais contrairement à un réfrigérateur, une pompe à chaleur prend la chaleur de l'extérieur et la transfère dans la pièce, c'est-à-dire qu'elle chauffe la pièce. (un réfrigérateur refroidit en prenant la chaleur de la chambre de réfrigération et en la rejetant à travers le condensateur).

Comment fonctionne une Pompe à Chaleur ?

Parlons maintenant du fonctionnement d’une pompe à chaleur. Afin de comprendre le principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur, il faut comprendre plusieurs choses.

1. La pompe à chaleur est capable d’extraire de la chaleur même à des températures inférieures à zéro.

La plupart des futurs propriétaires ne peuvent pas comprendre le principe de fonctionnement (en principe, de toute pompe à chaleur à air), car ils ne comprennent pas comment la chaleur peut être extraite de l'air à des températures inférieures à zéro en hiver. Revenons aux bases de la thermodynamique et rappelons la définition de la chaleur.

Chaleur- une forme de mouvement de la matière, qui est un mouvement aléatoire de particules formant un corps (atomes, molécules, électrons, etc.).

Même à 0°C (zéro degré Celsius), lorsque l’eau gèle, il reste de la chaleur dans l’air. C'est nettement inférieur à, par exemple, à une température de +36˚С, mais néanmoins, à des températures nulles et négatives, le mouvement des atomes se produit et donc de la chaleur est libérée.

Le mouvement des molécules et des atomes s'arrête complètement à une température de -273 °C (moins deux cent soixante-treize degrés Celsius), ce qui correspond au zéro absolu (zéro degré sur l'échelle Kelvin). Autrement dit, même en hiver, à des températures inférieures à zéro, il y a de la chaleur dans l’air qui peut être extraite et transférée dans la maison.

2. Le fluide de travail des pompes à chaleur est le réfrigérant (fréon).

Qu'est-ce qu'un réfrigérant ? Réfrigérant- une substance active dans une pompe à chaleur qui élimine la chaleur de l'objet refroidi pendant l'évaporation et transfère la chaleur au fluide de travail (par exemple, l'eau ou l'air) pendant la condensation.

La particularité des réfrigérants est qu'ils sont capables de bouillir à des températures négatives et relativement basses. De plus, les réfrigérants peuvent passer de l’état liquide à l’état gazeux et vice versa. C'est lors du passage de l'état liquide à l'état gazeux (évaporation) que la chaleur est absorbée, et lors du passage de l'état gazeux à l'état liquide (condensation) un transfert de chaleur se produit (dégagement de chaleur).

3. Le fonctionnement d’une pompe à chaleur est rendu possible par ses quatre composants clés.

Afin de comprendre le principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur, son dispositif peut être divisé en 4 éléments principaux :

1. Compresseur, qui comprime le réfrigérant pour augmenter sa pression et sa température.
2. Soupape de détente- une vanne thermostatique qui réduit fortement la pression du réfrigérant.
3. Évaporateur- un échangeur de chaleur dans lequel un réfrigérant basse température absorbe la chaleur de l'environnement.
4. Condensateur- un échangeur de chaleur dans lequel le fluide frigorigène déjà chaud, après compression, transfère de la chaleur vers l'environnement de travail du circuit de chauffage.

Ce sont ces quatre composants qui permettent aux machines frigorifiques de produire du froid et aux pompes à chaleur de produire de la chaleur. Afin de comprendre comment fonctionne chaque composant d'une pompe à chaleur et pourquoi il est nécessaire, nous vous suggérons de regarder une vidéo sur le principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur géothermique.

VIDÉO : Principe de fonctionnement de la pompe à chaleur sur eau souterraine

Principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur

Nous allons maintenant essayer de décrire en détail chaque étape du fonctionnement de la pompe à chaleur. Comme mentionné précédemment, le fonctionnement des pompes à chaleur repose sur un cycle thermodynamique. Cela signifie que le fonctionnement d'une pompe à chaleur se compose de plusieurs étapes de cycle qui se répètent encore et encore dans un certain ordre.

Le cycle de fonctionnement d’une pompe à chaleur peut être divisé en quatre étapes :

1. Absorption de la chaleur de l’environnement (ébullition du réfrigérant).

L'évaporateur (échangeur de chaleur) reçoit du réfrigérant qui est à l'état liquide et à basse pression. Comme nous le savons déjà, à basse température, le réfrigérant peut bouillir et s'évaporer. Le processus d’évaporation est nécessaire pour que la substance absorbe la chaleur.

Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur est transférée d’un corps à haute température à un corps à plus basse température. C'est à ce stade du fonctionnement de la pompe à chaleur qu'un réfrigérant basse température, traversant un échangeur de chaleur, évacue la chaleur du liquide de refroidissement (saumure), qui s'élevait auparavant des puits, où il évacuait la chaleur de faible qualité de le sol (dans le cas des pompes à chaleur géothermiques).

Le fait est que la température du sol souterrain à tout moment de l'année est de + 7-8 ° C. Lorsqu'elles sont utilisées, des sondes verticales sont installées à travers lesquelles circule la saumure (liquide de refroidissement). La tâche du liquide de refroidissement est de chauffer jusqu'à la température maximale possible tout en circulant à travers les sondes profondes.

Lorsque le liquide de refroidissement a extrait la chaleur du sol, il entre dans l’échangeur de chaleur de la pompe à chaleur (évaporateur) où il « rencontre » le réfrigérant, qui a une température plus basse. Et selon la deuxième loi de la thermodynamique, un échange de chaleur se produit : la chaleur d'une saumure plus chauffée est transférée à un réfrigérant moins chauffé.

Voici un point très important : l'absorption de chaleur est possible lors de l'évaporation d'une substance et vice versa, le transfert de chaleur se produit lors de la condensation. Lorsque le réfrigérant est chauffé à partir du liquide de refroidissement, il change d'état de phase : le réfrigérant passe de l'état liquide à l'état gazeux (le réfrigérant bout et s'évapore).

Après passage à l'évaporateur le réfrigérant est en phase gazeuse. Ce n'est plus un liquide, mais un gaz qui a extrait la chaleur du liquide de refroidissement (saumure).

2. Compression du réfrigérant par un compresseur.

À l’étape suivante, le réfrigérant entre dans le compresseur à l’état gazeux. Ici, le compresseur comprime le fréon qui, en raison d'une forte augmentation de pression, se réchauffe jusqu'à une certaine température.

Le compresseur d'un réfrigérateur domestique ordinaire fonctionne de la même manière. La seule différence significative entre un compresseur de réfrigérateur et un compresseur de pompe à chaleur réside dans des performances nettement inférieures.

VIDÉO : Comment fonctionne un réfrigérateur avec compresseur

3. Transfert de chaleur vers le système de chauffage (condensation).

Après compression dans le compresseur, le fluide frigorigène, qui présente une température élevée, entre dans le condenseur. Dans ce cas, un condenseur est également un échangeur de chaleur dans lequel, lors de la condensation, la chaleur est transférée du réfrigérant au fluide de travail du circuit de chauffage (par exemple, l'eau dans un système de plancher chauffant ou des radiateurs de chauffage).

Dans le condenseur, le réfrigérant passe à nouveau de la phase gazeuse à la phase liquide. Ce processus s'accompagne d'un dégagement de chaleur, qui est utilisée pour le système de chauffage de la maison et l'approvisionnement en eau chaude (ECS).

4. Réduire la pression du réfrigérant (expansion).

Le réfrigérant liquide doit maintenant être préparé pour répéter le cycle de fonctionnement. Pour ce faire, le réfrigérant passe par l'ouverture étroite du détendeur (détendeur). Après avoir « poussé » à travers l’ouverture étroite du papillon, le réfrigérant se dilate, ce qui entraîne une chute de température et de pression.

Ce processus est comparable à la pulvérisation d’un aérosol à partir d’une bombe aérosol. Après la pulvérisation, la bombe refroidit pendant une courte période. C'est-à-dire qu'il y a eu une forte baisse de la pression de l'aérosol en raison de la pression vers l'extérieur, et la température baisse également en conséquence.

Maintenant, le réfrigérant est à nouveau sous une pression telle qu'il est capable de bouillir et de s'évaporer, ce qui est nécessaire pour absorber la chaleur du liquide de refroidissement.

La tâche du détendeur (détendeur thermostatique) est de réduire la pression du fréon en la dilatant à la sortie d'un trou étroit. Le fréon est maintenant prêt à bouillir à nouveau et à absorber la chaleur.

Le cycle est répété jusqu'à ce que le système de chauffage et d'eau chaude sanitaire reçoive la quantité de chaleur requise de la pompe à chaleur.

• Principe de fonctionnement des pompes à chaleur
• Circuit de chauffage
• Avantages et inconvénients des pompes à chaleur
• Secrets faits maison

Comment ça fonctionne

Une pompe à chaleur ou géothermique collecte l’énergie thermique de l’environnement, la convertit à l’aide d’un réfrigérant et la fournit au système de chauffage domestique.

Les principaux composants de l'unité : compresseur, échangeur de chaleur, pompe de circulation, automatisme, circuit d'alimentation. La pompe est capable de puiser la chaleur de trois sources.

• Air.
• Eau.
• Amorçage.

À en juger par les fils de discussion, nous avons deux options demandées : l'eau et le sol. Cela est dû aux restrictions de température - la source doit être positive. L'emplacement du circuit d'alimentation peut être horizontal ou vertical. Dans le premier cas, la ligne principale est posée en dessous du niveau de congélation - à partir de 1,5 mètre de profondeur. Ou jusqu'au fond du réservoir, même en cas de fortes gelées - jusqu'à + 4⁰С. La longueur du circuit dépend des dimensions de la pièce chauffée et de la puissance de la pompe. Dans la seconde, des puits sont forés pour les sondes, la profondeur moyenne est de 50 à 70 mètres. Piastrov A.V., l'un des membres du forum et propriétaire d'une pompe à chaleur, a décrit ainsi le système vertical.

Piastrov A V Membre de FORUMHOUSE

La chaleur est collectée par des sondes géothermiques - un pipeline en boucle dans lequel circule l'éthylène glycol. Ils descendent dans des puits de 50 à 70 mètres de profondeur. Il s'agit d'un circuit extérieur, et le nombre de puits dépend de la puissance de la pompe à chaleur. Pour une maison d'une superficie de 100 mètres carrés, vous aurez besoin de deux sondes - deux puits.

Circuit de chauffage

Une pompe à chaleur, contrairement aux chaudières à gaz, à charbon ou électriques, chauffe le fluide jusqu'à une température moyenne de 40⁰C. Il s'agit de la température optimale à laquelle l'usure des équipements et la consommation électrique sont minimes. Pour les radiateurs conventionnels, de tels indicateurs ne suffisent pas. Par conséquent, avec une pompe à chaleur, ils n'utilisent généralement pas de tuyaux ni de radiateurs, mais des planchers chauffants. Il est plus efficace de chauffer le liquide de refroidissement de cette façon. Seul le pas entre les tuyaux doit être plus petit. Il convient de noter que les sols chauffants créent des restrictions sur le choix des meubles et assèchent l'air. Une humidité supplémentaire sera nécessaire. En été, les sols peuvent servir à rafraîchir.

Avantages et inconvénients

Le principal avantage d'une pompe à chaleur est son rendement élevé : pour chaque kilowatt d'électricité consommé, elle produit environ 5 kW de chaleur. De plus, aucun effort physique pendant le travail, aucun gaspillage ni monoxyde de carbone.

De plus, il n’y a aucune dépendance à l’égard des travailleurs du gaz et aucune demande d’approbation aux autorités. Et les exigences relatives à la chaufferie ne sont pas si strictes. Après le démarrage, les coûts d'exploitation sont minimes. Seule l'électricité est payante ; une pompe électrique moyenne consomme environ 4 kW par heure. Les modèles modernes sont pulsés, ils ne fonctionnent pas en continu, mais sont allumés lorsque cela est nécessaire. Cela réduit le nombre d'heures de travail par saison et les coûts énergétiques.

Le principal inconvénient du chauffage géothermique est le prix : même un appareil chinois ou domestique, sans parler des marques européennes, coûte plusieurs milliers d'euros. Avec l'aménagement du circuit externe et l'installation, le plaisir se traduira par des centaines de milliers de roubles. Selon les calculs des experts et des propriétaires, la pompe s'amortit en plusieurs années. Il fonctionne grâce à une source gratuite, par rapport au coût d'une tonne de charbon ou d'un mètre cube de bois de chauffage, les économies sont importantes. Mais tout le monde ne dispose pas d'un demi-million supplémentaire pour l'équipement et la mise en service.

S'il y a un plan d'eau à proximité du site, cela s'avère beaucoup moins cher et il n'est pas nécessaire de dépenser pour des forages coûteux.

Les puits en exploitation optimisent également le procédé en devenant une source de chaleur. Ceci est confirmé par un membre du forum de Maros d'Oust-Kamenogorsk. Il travaille dans une entreprise qui produit des pompes à chaleur et fournit des services d'installation. Par conséquent, il comprend parfaitement la situation et a répondu à la question d'un participant au fil de discussion s'il avait besoin de sondes s'il y avait des puits sur le site, et il a répondu de manière exhaustive.

det maros Membre FORUMHOUSE

Pourquoi s'embêter avec des sondes s'il y a suffisamment d'eau. Vous roulerez d'un puits à l'autre en passant par le HP. On bricole des sondes lorsqu'il n'y a pas d'eau dans la zone ou que le poteau est petit et ne couvre pas les besoins. Une pompe de 10 kW nécessite un volume de 3 mètres cubes.

Secrets faits maison

Mais les économies les plus importantes sont obtenues lorsque vous assemblez vous-même la pompe à chaleur. L'unité principale, le compresseur, est issue de climatiseurs puissants et de systèmes split ; leurs paramètres techniques sont similaires. Les échangeurs de chaleur sont vendus prêts à l'emploi, mais certains artisans parviennent à les souder à partir de tuyaux en cuivre. Le fréon est utilisé comme réfrigérant ; il est également vendu en bouteilles. Contrôleurs, relais, stabilisateurs, tous les éléments individuellement coûteront deux fois moins cher que dans un kit prêt à l'emploi.

Le plus souvent, les projets faits maison sont organisés au-dessus d'étangs ou lorsqu'il existe déjà un puits existant. En raison du fait que la part du lion des dépenses revient aux travaux d'excavation et que les économies y sont maximales.

Artisan appartement2, de Riga, a collecté lui-même les équipements géothermiques et a publié un reportage photo à ce sujet, avec une description détaillée de toutes les opérations.

Membre du FORUMHOUSE aparat2

J'ai assemblé un HP à partir de deux compresseurs monophasés de 24 000 BTU chacun (7 kW h. par temps froid). Le résultat fut une cascade d'une puissance thermique de 16 à 18 kilowatts, avec une consommation électrique d'environ 4,5 kW par heure. J'ai choisi deux compresseurs pour que les courants soient plus faibles, je ne les démarrerai pas en même temps. En attendant, seul le deuxième étage est habité et un seul compresseur suffit. Et après avoir expérimenté l’un d’entre eux, j’améliorerai le deuxième modèle.

En outre, le membre du forum a décidé de ne pas dépenser d'argent pour des échangeurs de chaleur à plaques prêts à l'emploi. Ils sont exigeants en matière de traitement de l’eau et coûtent cher. Il a combiné un échangeur fait maison avec une batterie pour augmenter le rendement. Le résultat fut une installation fonctionnelle plusieurs fois moins chère qu'une installation achetée.

Cependant, les pompes à chaleur constituent une option alternative lorsqu’il n’y a pas de gaz et de grandes surfaces de chauffage. Même si vous assemblez le système vous-même, les coûts des composants sont importants. Vous pouvez étudier le sujet de plus près sur le fil, il y a beaucoup de conseils utiles, les utilisateurs du forum partagent leurs expériences et discutent de différents modèles. vous aidera à comprendre l’assemblage. Et les options pour chauffer une grande maison sans gaz dans la vidéo en sont un exemple clair. Pour les propriétaires de maisons en bois - vidéo