Pompe à chaleur

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Une pompe à chaleur – thermopompe – est un dispositif qui transfère l’énergie thermique d’une source de chaleur à ce qu’on appelle un dissipateur thermique. Les pompes à chaleur déplacent l’énergie thermique dans le sens inverse du transfert spontané de chaleur, en absorbant la chaleur d’un espace froid et en la libérant dans un espace plus chaud. Une thermopompe utilise de l’énergie externe pour effectuer le transfert de l’énergie de la source de chaleur au dissipateur thermique. La conception la plus courante d’une thermopompe comporte quatre composants principaux : un condenseur, un détendeur, un évaporateur et un compresseur. Le fluide caloporteur qui circule à travers ces composants est appelé fluide frigorigène.

Bien que les climatiseurs et les congélateurs soient des exemples familiers de thermopompes, le terme « thermopompe » est plus général et s’applique à de nombreux appareils de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) utilisés pour chauffer ou climatiser des locaux. Lorsqu’une thermopompe est utilisée pour le chauffage, elle utilise le même cycle frigorifique de base que celui utilisé par un climatiseur ou un réfrigérateur, mais dans le sens inverse, ce qui libère de la chaleur dans l’espace climatisé plutôt que dans l’environnement. Dans cette utilisation, les pompes à chaleur tirent généralement la chaleur de l’air extérieur plus froid ou du sol.

Les pompes à chaleur sont également de plus en plus utilisées pour chauffer l’eau chaude sanitaire, l’eau chaude utilisée dans les cuisines, les salles de bains, les lave-linge, etc.

En mode chauffage, les pompes à chaleur sont beaucoup plus éconergétiques que les simples appareils de chauffage à résistance électrique. Cependant, le coût typique d’installation d’une thermopompe est plus élevé que celui d’un chauffage à résistance.

Lorsqu’il est question de l’efficacité des thermopompes, les termes suivants sont couramment utilisés : coefficient de performance (COP), coefficient de performance saisonnier (SCOP) et facteur de performance saisonnier (SPF). Plus une thermopompe est efficace, moins elle consomme d’énergie et plus son fonctionnement est rentable. Plusieurs facteurs influent sur l’efficacité d’une thermopompe, notamment le climat, la température, l’équipement auxiliaire, la technologie, la taille et le système de contrôle.

Vue d’ensemble

L’énergie calorifique est naturellement transférée des endroits plus chauds aux espaces plus froids. Cependant, une thermopompe peut inverser ce processus en absorbant la chaleur d’un espace froid et en la libérant dans un espace plus chaud. La chaleur n’est pas conservée dans ce processus et nécessite une certaine quantité d’énergie externe, comme l’électricité. Dans les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC), le terme  » pompe à chaleur  » désigne habituellement les appareils de réfrigération à compression de vapeur optimisés pour un rendement élevé dans les deux sens du transfert d’énergie thermique. Ces thermopompes peuvent être réversibles et fonctionner dans les deux sens pour assurer le chauffage ou la climatisation de l’espace intérieur.

Les pompes à chaleur sont plus efficaces que les appareils de chauffage à résistance parce qu’elles nécessitent moins d’énergie de haute qualité que celle qui est libérée sous forme de chaleur. La majeure partie de l’énergie utilisée pour le chauffage provient de l’environnement extérieur, dont seulement une fraction provient de l’électricité (ou d’une autre source d’énergie de haute qualité nécessaire pour faire fonctionner un compresseur). Dans les thermopompes électriques, la chaleur transférée peut être trois ou quatre fois plus grande que la puissance électrique consommée, ce qui donne au système un coefficient de performance (COP) de 3 ou 4, par opposition à un COP de 1 pour un chauffage à résistance électrique conventionnel, dans lequel toute la chaleur est produite à partir de l’énergie électrique absorbée.

Les thermopompes utilisent un fluide frigorigène comme fluide intermédiaire pour absorber la chaleur là où elle s’évapore, dans l’évaporateur, puis pour libérer la chaleur là où le réfrigérant se condense, dans le condenseur. Le fluide frigorigène circule dans des conduites isolées entre l’évaporateur et le condenseur, ce qui permet un transfert efficace de l’énergie thermique à des distances relativement longues.

Pompes à chaleur réversibles

Les thermopompes réversibles fonctionnent dans les deux sens pour assurer le chauffage ou le refroidissement de l’espace intérieur. Ils utilisent une vanne d’inversion pour inverser le flux de réfrigérant du compresseur à travers le condenseur et les serpentins d’évaporation.

En mode chauffage, le serpentin extérieur est un évaporateur, tandis que l’intérieur est un condenseur. Le fluide frigorigène sortant de l’évaporateur (serpentin extérieur) transporte l’énergie thermique de l’air extérieur (ou du sol, ou mieux encore de l’eau en mouvement) à l’intérieur. La température de la vapeur est augmentée à l’intérieur de la pompe en la comprimant. Le serpentin intérieur transfère ensuite l’énergie thermique (y compris l’énergie provenant de la compression) à l’air intérieur, qui est ensuite déplacé à l’intérieur du bâtiment par un appareil de traitement d’air.

Alternativement, l’énergie thermique est transférée à l’eau, qui est ensuite utilisée pour chauffer le bâtiment via des radiateurs ou un chauffage par le sol. L’eau chauffée peut également être utilisée pour la consommation d’eau chaude sanitaire. On laisse ensuite le réfrigérant se dilater, et donc refroidir, et absorber la chaleur de la température extérieure dans l’évaporateur extérieur, et le cycle se répète. Il s’agit d’un cycle de réfrigération standard, sauf que le côté « froid » du réfrigérateur (le serpentin de l’évaporateur) est placé à l’extérieur où l’environnement est plus froid.

Par temps froid, l’unité extérieure d’une thermopompe à air doit être dégivrée de façon intermittente. Les éléments chauffants d’appoint ou de secours (situés dans l’appareil de traitement de l’air) sont alors activés. En même temps, le givre sur le serpentin extérieur sera rapidement fondu à cause du réfrigérant chaud. Le ventilateur du condenseur/évaporateur (extérieur) ne fonctionne pas en mode dégivrage. Le ventilateur intérieur continue de fonctionner pendant le cycle de dégivrage.

En mode refroidissement, le cycle est similaire, mais le serpentin extérieur est maintenant le condenseur et le serpentin intérieur (qui atteint une température inférieure) est l’évaporateur. C’est le mode familier dans lequel les climatiseurs fonctionnent.

Jalons :

  • 1748 : William Cullen fait la démonstration de la réfrigération artificielle.
  • 1834 : Jacob Perkins construit un réfrigérateur pratique avec de l’éther diéthylique.
  • 1852 : Lord Kelvin décrit la théorie qui sous-tend les thermopompes.
  • 1855–1857 : Peter von Rittinger développe et construit la première pompe à chaleur.
  • 1928 : Aurel Stodola construit une pompe à chaleur en boucle fermée (source d’eau du lac Léman) qui fournit aujourd’hui encore du chauffage à la mairie de Genève.
  • 1945 : John Sumner, ingénieur électricien de la ville de Norwich, installe un système expérimental de chauffage central alimenté par une thermopompe à eau, utilisant une rivière voisine pour chauffer les nouveaux bâtiments administratifs du Conseil. Coefficient d’efficacité saisonnier de 3,42. Puissance thermique moyenne de 147 kW et puissance de pointe de 234 kW.
  • 1948 : On attribue à Robert C. Webber le développement et la construction de la première pompe à chaleur géothermique.
  • 1951 : Première installation à grande échelle – Le Royal Festival Hall de Londres est ouvert avec une pompe à chaleur réversible à eau alimentée au gaz de ville, alimentée par la Tamise, pour les besoins de chauffage en hiver et de climatisation en été.

Principes de fonctionnement

Les thermopompes mécaniques exploitent les propriétés physiques d’un fluide volatil qui s’évapore et se condense, appelé frigorigène. La pompe à chaleur comprime le réfrigérant pour le rendre plus chaud du côté à réchauffer et libère la pression du côté où la chaleur est absorbée.

Le fluide de travail, à l’état gazeux, est pressurisé et circulé dans le système par un compresseur. Du côté refoulement du compresseur, la vapeur désormais chaude et hautement pressurisée est refroidie dans un échangeur de chaleur, appelé condenseur, jusqu’à ce qu’elle se condense en un liquide à haute pression et température modérée. Le réfrigérant condensé passe ensuite à travers un dispositif d’abaissement de la pression également appelé dispositif de dosage. Il peut s’agir d’un détendeur, d’un tube capillaire ou éventuellement d’un dispositif d’extraction comme une turbine. Le réfrigérant liquide basse pression pénètre alors dans un autre échangeur de chaleur, l’évaporateur, dans lequel le fluide absorbe la chaleur et bout. Le réfrigérant retourne ensuite au compresseur et le cycle est répété.

Il est essentiel que le réfrigérant atteigne une température suffisamment élevée, lorsqu’il est comprimé, pour libérer de la chaleur à travers l’échangeur de chaleur « chaud » (le condenseur). De même, le fluide doit atteindre une température suffisamment basse lorsqu’on le laisse se dilater, sinon la chaleur ne peut pas s’écouler de la zone froide ambiante dans le fluide de l’échangeur de chaleur froid (l’évaporateur). En particulier, la différence de pression doit être suffisamment importante pour que le fluide se condense du côté chaud et s’évapore encore dans la zone de pression inférieure du côté froid. Plus la différence de température est grande, plus la différence de pression nécessaire est grande et, par conséquent, plus il faut d’énergie pour comprimer le fluide. Ainsi, comme pour toutes les pompes à chaleur, le coefficient de performance (quantité d’énergie thermique déplacée par unité de travail requise) diminue avec l’augmentation de la différence de température.

L’isolation est utilisée pour réduire le travail et l’énergie nécessaires pour atteindre une température suffisamment basse dans l’espace à refroidir.

Transport de chaleur

La chaleur est généralement transférée par des systèmes de chauffage ou de refroidissement en utilisant un gaz ou un liquide en écoulement. L’air est parfois utilisé, mais devient rapidement impraticable dans de nombreuses circonstances parce qu’il nécessite de grands conduits pour transférer des quantités relativement faibles de chaleur. Dans les installations utilisant du fluide frigorigène, ce fluide de travail peut également être utilisé pour transférer la chaleur sur une distance considérable, bien que cela puisse devenir impraticable en raison du risque accru de fuites coûteuses de fluide frigorigène. Lorsque de grandes quantités de chaleur doivent être transférées, on utilise généralement de l’eau, souvent additionnée d’antigel, d’inhibiteurs de corrosion et d’autres additifs.

Sources de chaleur/puits

L’air extérieur, tel qu’il est utilisé par une thermopompe à air, est une source ou un puits commun de chaleur dans les petites installations. Un ventilateur est nécessaire pour améliorer l’efficacité de l’échange thermique.

Les grandes installations qui traitent plus de chaleur ou qui sont situées dans des espaces restreints utilisent souvent des thermopompes à eau. La chaleur est produite ou rejetée dans le flux d’eau, qui peut transporter des quantités de chaleur beaucoup plus importantes que le flux d’air à travers un tuyau ou un conduit de section transversale donnée. L’eau peut être chauffée à distance par des chaudières, l’énergie solaire ou d’autres moyens. Au besoin, l’eau peut aussi être refroidie à l’aide d’une tour de refroidissement ou déversée dans un grand plan d’eau, comme un lac, un ruisseau ou un océan.

Les pompes à chaleur géothermiques ou géothermiques utilisent des échangeurs de chaleur souterrains peu profonds comme source ou puits de chaleur, et l’eau comme fluide caloporteur. Cela est possible parce que sous le niveau du sol, la température est relativement constante d’une saison à l’autre et la terre peut fournir ou absorber une grande quantité de chaleur. Les pompes à chaleur géothermique fonctionnent de la même manière que les pompes à chaleur à air, mais échangent de la chaleur avec le sol par l’intermédiaire de l’eau pompée dans les tuyaux souterrains. Les thermopompes géothermiques sont plus simples et donc plus fiables que les thermopompes à air (ASHP), car elles n’ont pas besoin de ventilateur ou de système de dégivrage et peuvent être installées à l’intérieur. Bien qu’un échangeur de chaleur souterrain nécessite un coût d’investissement initial plus élevé, les coûts d’exploitation annuels sont inférieurs, car les systèmes de pompes géothermiques bien conçus fonctionnent plus efficacement parce qu’ils commencent avec une température de source plus chaude que l’air en hiver.

Les installations de pompes à chaleur peuvent être installées à côté d’une source de chaleur conventionnelle auxiliaire telle qu’un chauffage par résistance électrique ou une combustion au mazout ou au gaz. La source auxiliaire est installée pour répondre aux charges de chauffage de pointe ou pour fournir un système de secours.

Applications

Des millions d’installations domestiques utilisent des thermopompes à air. Ils sont utilisés dans les climats où les besoins en chauffage et en climatisation sont modérés (CVC) et peuvent également fournir de l’eau chaude sanitaire. Les coûts d’achat sont supportés dans différents pays par des rabais à la consommation.

Chauffage, ventilation et climatisation

Dans les applications de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC), une thermopompe est généralement un dispositif de réfrigération à compression de vapeur qui comprend une soupape d’inversion et des échangeurs de chaleur optimisés de sorte que la direction du flux thermique (mouvement de l’énergie thermique) puisse être inversée. Le robinet inverseur inverse le sens du fluide frigorigène tout au long du cycle et, par conséquent, la pompe à chaleur peut fournir soit du chauffage, soit du refroidissement à un bâtiment. Dans les climats plus froids, le réglage par défaut du robinet inverseur est le chauffage.

Le réglage par défaut dans les climats plus chauds est le refroidissement. Comme les deux échangeurs de chaleur, le condenseur et l’évaporateur, doivent échanger leurs fonctions, ils sont optimisés pour fonctionner adéquatement dans les deux modes. Par conséquent, la cote SEER, qui est la cote d’efficacité énergétique saisonnière, d’une thermopompe réversible est généralement légèrement inférieure à celle de deux appareils optimisés séparément. Pour que l’équipement reçoive la cote Energy Star, il doit avoir une cote d’au moins 14,5 SEER.

Chauffage de l’eau

Dans les applications de chauffage de l’eau, une pompe à chaleur peut être utilisée pour chauffer ou préchauffer l’eau des piscines ou pour chauffer l’eau potable destinée aux habitations et à l’industrie. Habituellement, la chaleur est extraite de l’air extérieur et transférée dans un réservoir d’eau intérieur ; une autre variété extrait la chaleur de l’air intérieur pour aider à refroidir l’espace.

Chauffage urbain

Les pompes à chaleur peuvent également être utilisées comme fournisseur de chaleur pour le chauffage urbain. Les sources de chaleur possibles pour de telles applications sont les eaux usées, l’eau ambiante (comme l’eau de mer, l’eau des lacs et des rivières), la chaleur résiduelle industrielle, l’énergie géothermique, les gaz de combustion, la chaleur résiduelle provenant du refroidissement urbain et la chaleur provenant du stockage solaire thermique. En Europe, plus de 1500 MW ont été installés depuis les années 1980, dont environ 1000 MW en Suède en 2017. Les grandes pompes à chaleur pour le chauffage urbain combinées à l’accumulation d’énergie thermique offrent une grande flexibilité pour l’intégration d’énergies renouvelables variables. Ils sont donc considérés comme une technologie clé pour les systèmes énergétiques intelligents avec une part élevée d’énergie renouvelable jusqu’à 100% et les systèmes de chauffage urbain de 4ème génération avancés.

Un exemple d’une telle utilisation est la pompe à chaleur Drammen mise en service en 2011. Cette pompe à chaleur utilise la chaleur d’un fjord dont la température est d’environ 8 °C en utilisant 3 systèmes d’une capacité combinée de 14 mégawatts aux résidences et commerces du centre-ville. Une ordonnance de la ville impose ce système de chauffage pour de nombreux nouveaux bâtiments.

Chauffage industriel

Il existe un grand potentiel de réduction de la consommation d’énergie et des émissions de gaz à effet de serre connexes dans l’industrie grâce à l’utilisation de thermopompes industrielles. Un projet de collaboration internationale achevé en 2015 a permis de rassembler au total 39 exemples de projets de R&D et 115 études de cas dans le monde. L’étude montre que de courtes périodes de retour sur investissement sont possibles (moins de 2 ans), une forte réduction des émissions de CO2 peut être atteinte (dans certains cas plus de 50%).

Fluides frigorigènes

Jusqu’aux années 1990, les réfrigérants étaient souvent des chlorofluorocarbures (CFC) comme le R-12 (dichlorodifluorométhane), l’un d’une classe de plusieurs réfrigérants utilisant le fréon, une marque déposée de DuPont. Sa fabrication est maintenant interdite ou sévèrement restreinte par le Protocole de Montréal d’août 1987 en raison des dommages que les chlorofluorocarbones causent à la couche d’ozone s’ils sont rejetés dans l’atmosphère.

Un réfrigérant de remplacement largement adopté est l’hydrofluorocarbone (HFC) connu sous le nom de R-134a (1,1,1,1,2-tétrafluoroéthane). Les pompes à chaleur utilisant le R-134a ont remplacé le R-12 (dichlorodifluorométhane) et ont des propriétés thermodynamiques similaires mais avec un potentiel d’appauvrissement de la couche d’ozone négligeable et un potentiel de réchauffement planétaire légèrement inférieur. D’autres substances comme l’ammoniac liquide R-717 sont largement utilisées dans les systèmes à grande échelle, ou parfois le propane ou le butane, moins corrosif mais plus inflammable, peut aussi être utilisé.

Depuis 2001, le dioxyde de carbone, R-744, est de plus en plus utilisé, utilisant le cycle transcritique, bien qu’il nécessite des pressions de service beaucoup plus élevées. Dans les applications résidentielles et commerciales, l’hydrochlorofluorocarbone (HCFC) R-22 est encore largement utilisé, mais le HFC R-410A n’appauvrit pas la couche d’ozone et est utilisé plus fréquemment ; c’est toutefois un puissant gaz à effet de serre qui contribue aux changements climatiques. L’hydrogène, l’hélium, l’azote ou l’air ordinaire sont utilisés dans le cycle de Stirling, offrant un maximum d’options dans des gaz respectueux de l’environnement.

Les réfrigérateurs plus récents utilisent du R600A qui est de l’isobutane, n’appauvrit pas l’ozone et est moins nocif pour l’environnement. L’éther diméthylique (DME) a également gagné en popularité comme réfrigérant.

Étant donné que des critères assez similaires doivent être remplis par les fluides de travail appliqués aux pompes à chaleur, aux cycles de réfrigération et aux cycles ORC, plusieurs fluides de travail sont appliqués par toutes ces technologies et peuvent être classés dans la même catégorie de classification thermodynamique en fonction de la forme de leur courbe de saturation.

Une pompe à chaleur géothermique n’a pas besoin d’une unité extérieure avec des composants mécaniques mobiles : aucun bruit extérieur n’est produit.

Une thermopompe à air nécessite une unité extérieure contenant des composants mécaniques mobiles, y compris des ventilateurs qui produisent du bruit. En 2013, le Comité européen de normalisation (CEN) a entamé ses travaux sur les normes de protection contre les nuisances sonores causées par les unités extérieures des pompes à chaleur. Bien que le plan d’affaires du CEN/TC 113 prévoyait au départ que « les consommateurs ont de plus en plus besoin d’une faible puissance acoustique de ces appareils car les utilisateurs et leurs voisins rejettent désormais les installations bruyantes », aucune norme pour les écrans acoustiques ou autres moyens de protection contre le bruit n’avait été élaborée en janvier 2016.

Aux États-Unis, le niveau de bruit nocturne autorisé a été défini en 1974 comme  » une limite d’exposition moyenne sur 24 heures de 55 décibels pondérés A (dBA) pour protéger le public contre tous les effets néfastes sur la santé et le bien-être dans les zones résidentielles (U.S. EPA 1974). Cette limite est un niveau de bruit moyen (LDN) jour-nuit sur 24 heures, avec une pénalité de 10 dBA appliquée aux niveaux nocturnes entre 2200 et 0700 heures pour tenir compte des perturbations du sommeil et aucune pénalité appliquée aux niveaux diurnes. La pénalité de 10 dB(A) rend le niveau de bruit nocturne autorisé aux États-Unis égal à 45 dB(A), ce qui est supérieur à ce qui est accepté dans certains pays européens mais inférieur au bruit produit par certaines pompes à chaleur.

Une autre caractéristique des échangeurs de chaleur externes des thermopompes à air (ASHP) est leur besoin d’arrêter le ventilateur de temps à autre pour une période de plusieurs minutes afin d’éliminer le givre qui s’accumule dans l’unité extérieure en mode chauffage. Ensuite, la pompe à chaleur recommence à fonctionner. Cette partie du cycle de travail entraîne deux changements soudains du bruit produit par le ventilateur. L’effet acoustique d’une telle perturbation sur les voisins est particulièrement puissant dans les environnements calmes où le bruit de fond nocturne peut être aussi faible que 0 à 10 dBA. Cela fait partie de la législation française. Selon le concept français de nuisance sonore, l' »émergence du bruit » est la différence entre le bruit ambiant, y compris le bruit gênant, et le bruit ambiant sans le bruit gênant.

Considérations de performance

Lorsque l’on compare les performances des pompes à chaleur, il est préférable d’éviter le terme « rendement », qui a une définition thermodynamique très spécifique. Le terme coefficient de performance (COP) est utilisé pour décrire le rapport entre le mouvement de la chaleur utile et l’apport de travail. La plupart des pompes à chaleur à compression de vapeur utilisent des moteurs électriques pour leur travail.

Selon l’Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis, les pompes à chaleur géothermiques peuvent réduire la consommation d’énergie jusqu’à 44 % par rapport aux pompes à chaleur à air et jusqu’à 72 % par rapport au chauffage par résistance électrique. Le COP pour les thermopompes varie de 3,2 à 4,5 pour les thermopompes à air et de 4,2 à 5,2 pour les pompes géothermiques.

Lorsqu’elle est utilisée pour le chauffage d’un bâtiment dont la température extérieure est de 10 °C, par exemple, une thermopompe à air typique (ASHP) a un COP de 3 à 4, tandis qu’un chauffage électrique à résistance a un COP de 1,0. C’est-à-dire qu’un joule d’énergie électrique fera en sorte qu’un chauffe-eau à résistance ne produira qu’un joule de chaleur utile, alors que dans des conditions idéales, un joule d’énergie électrique peut faire déplacer trois ou quatre joules de chaleur d’un endroit plus frais vers un endroit plus chaud. Notez qu’une thermopompe à air est plus efficace dans les climats plus chauds que dans les climats plus froids, donc lorsque le temps est beaucoup plus chaud, l’appareil fonctionnera avec un COP plus élevé (car il a un plus petit écart de température à combler). Lorsqu’il y a une grande différence de température entre les réservoirs chauds et froids, le COP est plus bas (pire). Par temps extrêmement froid, le COP descendra à 1,0.

D’autre part, les systèmes de pompes à chaleur géothermiques bien conçus bénéficient de la température modérée du sous-sol, car le sol agit naturellement comme un réservoir d’énergie thermique. Leur COP tout au long de l’année se situe donc normalement entre 3,2 et 5,0.

Lorsqu’il y a un écart de température élevé (p. ex. lorsqu’une thermopompe à air est utilisée pour chauffer une maison dont la température extérieure est de, disons, 0 °C (32 °F)), il faut plus de travail pour transporter la même quantité de chaleur à l’intérieur qu’un jour plus doux. En fin de compte, en raison des limites d’efficacité Carnot, la performance de la thermopompe diminuera à mesure que la différence de température entre l’extérieur et l’intérieur augmente (la température extérieure devient plus froide), pour atteindre une limite théorique de 1,0 à -273 °C. En pratique, un COP de 1,0 est généralement atteint à une température extérieure d’environ -18 °C (0 °F) pour les thermopompes à air.

De plus, comme la thermopompe retire la chaleur de l’air, une partie de l’humidité de l’air extérieur peut se condenser et même geler sur l’échangeur de chaleur extérieur. Le système doit périodiquement faire fondre cette glace ; ce dégivrage se traduit par une dépense d’énergie supplémentaire (électricité). Lorsqu’il fait extrêmement froid à l’extérieur, il est plus simple de chauffer à l’aide d’une autre source de chaleur (comme un chauffage électrique à résistance, une chaudière au mazout ou au gaz) plutôt que d’utiliser une thermopompe à air. De plus, le fait d’éviter l’utilisation de la thermopompe par temps extrêmement froid se traduit par une usure moindre du compresseur de la machine.

La conception des échangeurs de chaleur de l’évaporateur et du condenseur est également très importante pour l’efficacité globale de la pompe à chaleur. Les surfaces d’échange de chaleur et la différence de température correspondante (entre le fluide frigorigène et le flux d’air) influencent directement les pressions de service et donc le travail que le compresseur doit effectuer pour obtenir le même effet de chauffage ou de refroidissement. En général, plus l’échangeur de chaleur est grand, plus la différence de température est faible et plus le système devient efficace.

Les échangeurs de chaleur coûtent cher, car certains types de thermopompes ou de grands espaces doivent être forés pour être efficaces, et l’industrie des thermopompes est généralement en concurrence sur le prix plutôt que sur le rendement. Les pompes à chaleur sont déjà désavantagées en termes de prix lorsqu’il s’agit d’investissement initial (et non d’économies à long terme) par rapport aux solutions de chauffage conventionnelles telles que les chaudières, de sorte que la recherche de pompes à chaleur et de climatiseurs plus efficaces est souvent menée par des mesures législatives concernant des normes minimales de rendement. Les tarifs d’électricité influeront également sur l’attrait des pompes à chaleur.

En mode refroidissement, le rendement d’exploitation d’une thermopompe est décrit aux États-Unis comme étant son rendement énergétique (EER) ou son rendement énergétique saisonnier (SEER), et les deux mesures sont exprimées en BTU/(h-W) (1 BTU/(h-W) = 0,293 W/W). Un EER plus élevé indique une meilleure performance. La documentation du fabricant devrait fournir à la fois un COP pour décrire le rendement en mode chauffage et un EER ou SEER pour décrire le rendement en mode refroidissement. Le rendement réel varie toutefois et dépend de nombreux facteurs tels que les détails de l’installation, les différences de température, l’élévation du site et l’entretien.

Comme pour tout équipement dont le transfert de chaleur entre l’air et un fluide dépend des serpentins, il est important que les serpentins du condenseur et de l’évaporateur soient maintenus propres. Si des dépôts de poussière et d’autres débris s’accumulent sur les serpentins, l’efficacité de l’appareil (aussi bien en mode chauffage que refroidissement) en souffrira.

Les pompes à chaleur sont plus efficaces pour le chauffage que pour le refroidissement d’un espace intérieur si la différence de température est maintenue égale. En effet, l’énergie d’entrée du compresseur est également convertie en chaleur utile lorsqu’il est en mode chauffage et est évacuée avec la chaleur transportée par le condenseur vers l’espace intérieur. Mais pour le refroidissement, le condenseur est normalement à l’extérieur, et le travail dissipé du compresseur (chaleur perdue) doit aussi être transporté à l’extérieur en utilisant plus d’énergie d’entrée, plutôt que d’être utilisé à une fin utile. Pour la même raison, l’ouverture d’un réfrigérateur ou d’un congélateur a pour effet net de réchauffer la pièce plutôt que de la refroidir, car son cycle frigorifique rejette la chaleur dans l’air intérieur. Cette chaleur comprend le travail dissipé du compresseur ainsi que la chaleur évacuée de l’intérieur de l’appareil.

Coefficient de performance et de portance

Le coefficient de performance (COP) augmente à mesure que la différence de température, ou « ascendance », diminue entre la source de chaleur et la destination. Le COP peut être maximisé au moment de la conception en choisissant un système de chauffage ne nécessitant qu’une faible température finale de l’eau (par ex. chauffage par le sol), et en choisissant une source de chaleur avec une température moyenne élevée (par ex. le sol). L’eau chaude sanitaire (ECS) et les radiateurs de chauffage conventionnels nécessitent des températures d’eau élevées, ce qui réduit le COP qui peut être atteint et affecte le choix de la technologie des pompes à chaleur.Une observation est que si les pompes à chaleur « best practice » actuelles (système géothermique, fonctionnant entre 0 °C et 35 °C) ont un COP typique d’environ 4, pas plus de 5, le maximum réalisable est de 8,8 en raison des limites fondamentales du cycle de Carnot. Cela signifie qu’au cours des prochaines décennies, l’efficacité énergétique des thermopompes haut de gamme pourrait pratiquement doubler. Pour augmenter l’efficacité, il faut mettre au point un meilleur compresseur de gaz, équiper les machines de chauffage, de ventilation et de climatisation de plus gros échangeurs de chaleur avec des flux de gaz plus lents, et résoudre les problèmes de lubrification interne résultant d’un flux de gaz plus lent.

Selon le fluide de travail, la phase d’expansion peut également être importante. Le travail effectué par le fluide en expansion le refroidit et est disponible pour remplacer une partie de la puissance d’entrée. (Un liquide qui s’évapore est refroidi par expansion libre à travers un petit trou, mais un gaz idéal ne l’est pas.)

Les deux principaux types de pompes à chaleur sont la compression et l’absorption. Les thermopompes à compression fonctionnent à l’énergie mécanique (généralement à l’électricité), tandis que les thermopompes à absorption peuvent également fonctionner à la chaleur comme source d’énergie (à partir de l’électricité ou de combustibles combustibles combustibles). Une pompe à chaleur à absorption peut être alimentée au gaz naturel ou au GPL, par exemple. Alors que l’efficacité d’utilisation du gaz dans un tel appareil, qui est le rapport entre l’énergie fournie et l’énergie consommée, peut n’être en moyenne que de 1,5, ce qui est mieux qu’une fournaise au gaz naturel ou au GPL, qui ne peut se rapprocher de 1.

Sources de chaleur et éviers

Par définition, toutes les sources de chaleur d’une thermopompe doivent être plus froides que l’espace à chauffer. Le plus souvent, les thermopompes tirent la chaleur de l’air (extérieur ou intérieur) ou du sol (eau souterraine ou sol).

La chaleur tirée des systèmes géothermiques est, dans la plupart des cas, stockée sous forme de chaleur solaire et ne doit pas être confondue avec le chauffage géothermique direct, bien que ce dernier contribue dans une faible mesure à toute la chaleur du sol. La vraie chaleur géothermique, lorsqu’elle est utilisée pour le chauffage, nécessite une pompe de circulation mais pas de pompe à chaleur, puisque pour cette technologie la température du sol est plus élevée que celle de l’espace à chauffer, donc la technologie repose uniquement sur une simple convection thermique.

D’autres sources de chaleur pour les pompes à chaleur sont l’eau, les cours d’eau avoisinants et d’autres plans d’eau naturels ont été utilisés, et parfois les eaux usées domestiques (par récupération de chaleur des eaux de drainage) qui sont souvent plus chaudes que la température ambiante froide de l’hiver (bien que la température reste inférieure à celle de la pièce à chauffer).

Un certain nombre de sources ont été utilisées pour le chauffage des bâtiments privés et communaux.

Pompe à chaleur à air

  • Pompe à chaleur à air (extrait la chaleur de l’air extérieur)
    • Pompe à chaleur air-air (transfert de chaleur à l’air intérieur)
    • Pompe à chaleur air-eau (transfère la chaleur à un circuit de chauffage et à un réservoir d’eau chaude sanitaire)

Les pompes à chaleur air-air, qui extraient la chaleur de l’air extérieur et la transfèrent à l’air intérieur, sont le type de pompes à chaleur le plus courant et le moins cher. Ces appareils sont semblables aux climatiseurs qui fonctionnent à l’envers. Les pompes à chaleur air-eau sont par ailleurs similaires aux pompes à chaleur air-air, mais elles transfèrent la chaleur extraite dans un circuit de chauffage de l’eau, le chauffage par le sol étant le plus efficace, et elles peuvent également transférer la chaleur dans un réservoir d’eau chaude sanitaire pour les douches et les robinets de l’eau chaude du bâtiment. Cependant, les pompes à chaleur à eau souterraine sont plus efficaces que les pompes à chaleur air-eau, et elles sont donc souvent le meilleur choix pour fournir de la chaleur pour le chauffage par le sol et les systèmes d’eau chaude sanitaire.

Les thermopompes à air sont relativement faciles et peu coûteuses à installer et ont donc toujours été le type de thermopompe le plus utilisé. Cependant, ils souffrent de limitations en raison de leur utilisation de l’air extérieur comme source de chaleur. Le différentiel de température plus élevé pendant les périodes de froid extrême entraîne une baisse d’efficacité. Par temps doux, le COP peut se situer autour de 4,0, tandis qu’à des températures inférieures à 0 °C (32 °F) environ, une thermopompe à air peut atteindre un COP de 2,5. Le COP moyen sur la variation saisonnière est généralement de 2,5-2,8, avec des modèles exceptionnels capables de le dépasser dans les climats doux.

La puissance calorifique des pompes à chaleur optimisées pour les basses températures (et donc leur efficacité énergétique) diminue encore considérablement lorsque la température baisse, mais le seuil à partir duquel la baisse commence est inférieur à celui des pompes classiques, comme le montre le tableau suivant (les températures sont approximatives et peuvent varier selon le fabricant et le modèle) :

Type de pompe à chaleur à air Puissance calorifique maximale égale ou supérieure à cette température Puissance calorifique jusqu’à 60 % de la puissance maximale à
Pétrole classique 8.3 °C (47 °F) 0 °C (32 °F)
Faible température Optimisé 5 °C (41 °F) -8,3 °C (17 °F)

Pompe à chaleur géothermique

  • Pompe à chaleur géothermique (extrait la chaleur du sol ou de sources similaires)
    • Pompe à chaleur sol-air (transfert de chaleur à l’air intérieur)
      • Pompe à chaleur sol-air (le sol comme source de chaleur)
      • Pompe à chaleur Rock-air (la roche comme source de chaleur)
      • Pompe à chaleur eau-air (l’eau comme source de chaleur, peut être de l’eau souterraine, un lac, une rivière, etc.)
    • Pompe à chaleur à eau souterraine (transfert de chaleur vers un circuit de chauffage et un réservoir d’eau chaude sanitaire)
      • Pompe à chaleur sol-eau (le sol comme source de chaleur)
      • Pompe à chaleur eau/roches (la roche comme source de chaleur)
      • Pompe à chaleur eau-eau (l’eau comme source de chaleur)

Les thermopompes géothermiques, aussi appelées thermopompes géothermiques, sont généralement plus efficaces que les thermopompes à air. En effet, ils puisent la chaleur du sol ou de l’eau souterraine qui se trouve à une température relativement constante toute l’année à une profondeur d’environ 30 pieds (9 m). Cela signifie que la différence de température est plus faible, d’où un meilleur rendement. Les thermopompes géothermiques bien entretenues ont généralement un COP de 4,0 au début de la saison de chauffage, avec un COP saisonnier inférieur d’environ 3,0 lorsque la chaleur est puisée dans le sol. En contrepartie, l’installation d’une thermopompe géothermique est plus coûteuse en raison de la nécessité de forer des trous de forage pour le placement vertical des tuyaux de l’échangeur de chaleur ou de creuser des tranchées pour le placement horizontal des tuyaux qui transportent le fluide caloporteur (eau avec un peu d’antigel).

En comparaison, les pompes à chaleur à eau souterraine sont généralement plus efficaces que les pompes à chaleur utilisant la chaleur du sol. Les échangeurs de chaleur dans le sol ou le sol en boucle fermée ont tendance à accumuler du froid si la boucle souterraine est trop petite. Cela peut être un problème important si l’eau souterraine à proximité est stagnante ou si le sol manque de conductivité thermique, et que le système global a été conçu pour être juste assez grand pour supporter une vague de froid  » typique du pire des cas « , ou est simplement sous-dimensionné pour la charge. Une façon de réparer l’accumulation de froid dans la boucle souterraine de l’échangeur de chaleur est d’utiliser l’eau souterraine pour refroidir les planchers du bâtiment par temps chaud, transférant ainsi la chaleur du logement dans la boucle souterraine. Il existe plusieurs autres méthodes pour remplir une boucle souterraine à basse température ; l’une d’elles consiste à fabriquer de grands capteurs solaires, par exemple en plaçant des tuyaux en plastique juste sous le toit, ou en plaçant des serpentins de tuyaux en polyéthylène noir sous verre sur le toit, ou en plaçant le tarmac du terrain de stationnement. Une autre solution consiste à s’assurer que les réseaux de capteurs souterrains sont correctement dimensionnés, en s’assurant que les propriétés thermiques et la conductivité thermique du sol sont correctement mesurées et intégrées dans la conception.

Pompe à chaleur air d’échappement

  • Pompe à chaleur à air évacué (extrait la chaleur de l’air évacué d’un bâtiment, nécessite une ventilation mécanique)
    • Pompe à chaleur air évacué-air (transfère la chaleur à l’air aspiré)
    • Pompe à chaleur air/eau d’évacuation (transfert de chaleur vers un circuit de chauffage et un réservoir d’eau chaude sanitaire)

Pompe à chaleur à eau

  • Utilise l’eau courante comme source ou puits de chaleur
  • Mono-pass vs. recirculation
    • Un seul passage – la source d’eau est un plan d’eau ou un cours d’eau, et l’eau utilisée est rejetée à une température différente sans autre utilisation
    • Recyclage
      • Lors du refroidissement, le fluide caloporteur en boucle fermée vers la tour de refroidissement centrale ou le refroidisseur (généralement dans un bâtiment ou un environnement industriel)
      • Lors du chauffage, le fluide caloporteur en boucle fermée des chaudières centrales produisant de la chaleur à partir de la combustion ou d’autres sources

Pompe à chaleur hybride

Pompes à chaleur hybrides (ou jumelées) : lorsque l’air extérieur est au-dessus de 4 à 8 degrés Celsius (40 à 50 degrés Fahrenheit, selon la température de l’eau souterraine), elles utilisent l’air ; lorsque l’air est plus froid, elles utilisent la source terrestre. Ces systèmes à deux sources peuvent aussi emmagasiner la chaleur de l’été, en faisant couler l’eau souterraine dans l’échangeur d’air ou dans l’échangeur de chaleur du bâtiment, même lorsque la thermopompe elle-même ne fonctionne pas. Ceci présente un double avantage : il fonctionne comme un faible coût d’exploitation pour le refroidissement de l’air et (si l’eau souterraine est relativement stagnante) il augmente la température de la source souterraine, ce qui améliore l’efficacité énergétique du système de pompe à chaleur d’environ 4% pour chaque degré de montée en température de la source souterraine.

Pompe à chaleur air/eau/eau saumure/eau (pompe à chaleur hybride)

La pompe à chaleur air/eau/eau glycolée/eau est une pompe à chaleur hybride, développée à Rostock, en Allemagne, qui utilise uniquement des sources d’énergie renouvelables. Contrairement aux autres systèmes hybrides, qui combinent généralement des sources d’énergie conventionnelles et renouvelables, il combine l’air et la chaleur géothermique dans un seul appareil compact. La pompe à chaleur air/eau/eau glycolée/eau possède deux évaporateurs – un évaporateur d’air extérieur et un évaporateur de saumure – tous deux connectés au cycle de la pompe à chaleur. Cela permet d’utiliser la source de chauffage la plus économique pour les conditions extérieures actuelles (par exemple, la température de l’air). L’appareil sélectionne automatiquement le mode de fonctionnement le plus efficace – air ou chaleur géothermique, ou les deux ensemble. Le processus est contrôlé par une unité de commande qui traite les grandes quantités de données fournies par le système de chauffage complexe.

L’unité de commande se compose de deux régulateurs, l’un pour le cycle thermique de l’air et l’autre pour la circulation géothermique, dans un seul appareil. Tous les composants communiquent par l’intermédiaire d’un bus commun afin de s’assurer qu’ils interagissent pour améliorer l’efficacité du système de chauffage hybride. En 2008, l’Office allemand des brevets et des marques de Munich a accordé un brevet à la pompe à chaleur air/eau/eau glycolée/eau sous le titre « Pompe à chaleur et méthode de contrôle de la température à l’entrée de la source de chaleur de la pompe à chaleur ». Cette pompe à chaleur hybride peut être combinée avec un système solaire thermique ou avec un accumulateur de glace. Elle est commercialisée sous le nom de ThermSelect. Au Royaume-Uni, ThermSelect a remporté le prix du produit de chauffage commercial de l’année 2013 des HVR Awards for Excellence, organisé par Heating and Ventilating Review, un magazine industriel.

Pompe à chaleur solaire

Une pompe à chaleur solaire est une machine qui représente l’intégration d’une pompe à chaleur et de panneaux solaires thermiques dans un seul système intégré. Généralement, ces deux technologies sont utilisées séparément (ou seulement en parallèle) pour produire de l’eau chaude. Dans ce système, le panneau solaire thermique remplit la fonction de source de chaleur basse température et la chaleur produite est utilisée pour alimenter l’évaporateur de la pompe à chaleur. Le but de ce système est d’obtenir un COP élevé et de produire de l’énergie d’une manière plus efficace et moins coûteuse.

Pompes à chaleur à l’état solide

Magnétique

En 1881, le physicien allemand Emil Warburg a mis un bloc de fer dans un champ magnétique fort et a constaté qu’il augmentait très légèrement en température. Certaines initiatives commerciales visant à mettre en œuvre cette technologie sont en cours, prétendant réduire la consommation d’énergie de 40 % par rapport aux réfrigérateurs domestiques actuels. Le processus fonctionne comme suit : Le gadolinium en poudre est déplacé dans un champ magnétique, chauffant le matériau de 2 à 5 °C (4 à 9 °F). La chaleur est évacuée par un fluide circulant. Le matériau est ensuite retiré du champ magnétique, ce qui réduit sa température en dessous de sa température de départ.

Thermoélectrique

Les pompes à chaleur à l’état solide utilisant l’effet thermoélectrique se sont améliorées au fil du temps au point où elles sont utiles pour certaines tâches de réfrigération. Les pompes à chaleur thermoélectriques (Peltier) ne sont généralement qu’environ 10 à 15 % plus efficaces que le réfrigérateur idéal (cycle de Carnot), contre 40 à 60 % pour les systèmes à cycle de compression conventionnels (systèmes Rankine inverse utilisant compression/expansion) ; cependant, ce domaine technologique fait actuellement l’objet de recherches actives en science des matériaux. L’une des raisons de sa popularité est qu’il a une « longue durée de vie » car il n’y a pas de pièces mobiles et qu’il n’utilise pas de fluides frigorigènes potentiellement dangereux.

Thermoacoustique

Les pompes à chaleur à l’état quasi-solide utilisant la thermoacoustique sont couramment utilisées dans les laboratoires cryogéniques.

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