Pompe à chaleur – pour le chauffage, nous prenons la chaleur de la planète Terre

Points d’article



Dans cet article: L’histoire de la pompe à chaleur comment la pompe à chaleur fonctionne et fonctionne; types de pompes à chaleur; l’énergie thermique de l’air, de l’eau et du sol; à la fin – les avantages et les inconvénients des pompes à chaleur.

Pompe à chaleur - pour le chauffage, nous prenons la chaleur de la planète Terre

Dans le but de vaincre le froid hivernal, les propriétaires recherchent de l’énergie et des chaudières de chauffage adaptées, envieux des plus chanceux, dont les maisons sont équipées de communications qui fournissent du gaz naturel. Chaque hiver, des milliers de tonnes de bois, de charbon, de produits pétroliers sont brûlés dans les fours, des mégawatts d’électricité sont consommés pour des quantités astronomiques qui augmentent chaque année, et il semble qu’il n’y ait tout simplement pas d’autre issue. Pendant ce temps, une source constante d’énergie thermique est toujours située près de nos maisons, cependant, il est assez difficile pour la population de la Terre de la remarquer à ce titre. Et si nous utilisions la chaleur de notre planète pour chauffer les maisons? Et il existe un appareil approprié pour cela – une pompe à chaleur géothermique.

Histoire de la pompe à chaleur

La justification théorique du fonctionnement de tels dispositifs en 1824 a été fournie par le physicien français Sadi Carnot, qui a publié son seul ouvrage sur les machines à vapeur, dans lequel le cycle thermodynamique a été décrit, qui a été mathématiquement et graphiquement confirmé 10 ans plus tard par le physicien Benoit Cliperon et appelé le « cycle de Carnot ».

Le premier modèle de laboratoire d’une pompe à chaleur a été créé par le physicien anglais William Thomson, Lord Kelvin en 1852, lors de ses expériences en thermodynamique. D’ailleurs, la thermopompe tire son nom de Lord Kelvin..

William Thomson, baron KelvinWilliam Thomson, baron Kelvin

Le modèle de pompe à chaleur industrielle a été construit en 1856 par l’ingénieur minier autrichien Peter von Rittinger, qui a utilisé cet appareil pour évaporer la saumure et drainer les marais salants pour extraire le sel sec..

Peter Ritter von Rittinger Peter Ritter von Rittinger

Cependant, la pompe à chaleur doit son utilisation dans les maisons de chauffage à l’inventeur américain Robert Webber, qui a expérimenté un congélateur à la fin des années 40 du siècle dernier. Robert a remarqué que le tuyau sortant du congélateur était chaud et a décidé d’utiliser cette chaleur pour les besoins domestiques en allongeant le tuyau et en le faisant passer dans la chaudière avec de l’eau. L’idée de l’inventeur s’est avérée fructueuse – à partir de ce moment, la maison a eu une abondance d’eau chaude, tandis qu’une partie de la chaleur a été dépensée sans but, quittant l’atmosphère. Webber n’a pas pu accepter cela et a ajouté une bobine à la sortie du congélateur, à côté de laquelle il a placé un ventilateur, ce qui a entraîné une installation de chauffage de l’air de la maison. Après un certain temps, l’Américain inventif a compris qu’il était possible d’extraire littéralement la chaleur du sol sous ses pieds et a enterré un système de tuyaux en cuivre avec du fréon circulant à travers eux à une certaine profondeur. Le gaz recueillait la chaleur dans le sol, la livrait à la maison et la cédait, puis retournait au collecteur de chaleur souterrain. La pompe à chaleur créée par Webber s’est avérée si efficace qu’il a complètement transféré le chauffage de la maison à cette installation, abandonnant les appareils de chauffage traditionnels et les sources d’énergie..

La pompe à chaleur, inventée par Robert Webber, a été considérée pendant de nombreuses années plus comme une absurdité qu’une source d’énergie thermique vraiment efficace – l’énergie pétrolière était en abondance, à des prix tout à fait raisonnables. L’intérêt pour les sources de chaleur renouvelables s’est accru au début des années 70, grâce à l’embargo pétrolier de 1973, au cours duquel les pays du Golfe ont unanimement refusé de fournir du pétrole aux États-Unis et à l’Europe. La pénurie de produits pétroliers a provoqué une forte hausse des prix de l’énergie – un besoin urgent de sortir de la situation. Malgré la levée subséquente de l’embargo en 1975 et le rétablissement des approvisionnements en pétrole, les fabricants européens et américains se sont lancés dans le développement de leurs propres modèles de pompes à chaleur géothermiques, dont la demande établie ne fait qu’augmenter depuis..

Conception et principe de fonctionnement de la pompe à chaleur

Lorsque nous nous enfonçons dans la croûte terrestre, à la surface de laquelle nous vivons et dont l’épaisseur à terre est d’environ 50 à 80 km, sa température augmente – cela est dû à la proximité de la couche supérieure de magma, dont la température est d’environ 1300 ° C. À une profondeur de 3 mètres ou plus, la température du sol est positive à tout moment de l’année; à chaque kilomètre de profondeur, elle augmente en moyenne de 3 à 10 ° C. L’augmentation de la température du sol avec sa profondeur dépend non seulement de la zone climatique, mais aussi de la géologie du sol, ainsi que de l’activité endogène dans une zone donnée de la Terre. Par exemple, dans la partie sud du continent africain, l’élévation de température par kilomètre de profondeur de sol est de 8 ° C, et en Oregon (USA), sur le territoire duquel une activité endogène assez élevée est notée – 150 ° C pour chaque kilomètre de profondeur. Cependant, pour un fonctionnement efficace de la pompe à chaleur, le circuit externe qui lui fournit de la chaleur n’a pas besoin d’être enterré à des centaines de mètres sous terre – tout milieu avec une température supérieure à 0 ° C peut être une source d’énergie thermique..

La pompe à chaleur transfère l’énergie thermique de l’air, de l’eau ou du sol, augmentant la température pendant le transfert à la température requise en raison de la compression (compression) du réfrigérant. Il existe deux principaux types de pompes à chaleur – à compression et à sorption.

Thermopompe à faire soi-même pour le chauffage domestique La structure de base d’une pompe à chaleur à compression: 1 – sol; 2 – circulation de la saumure; 3 – pompe de circulation; 4 – évaporateur; 5 – compresseur; 6 – condensateur; 7 – système de chauffage; 8 – réfrigérant; 9 – starter

Malgré leur nom déroutant, les pompes à chaleur à compression ne sont pas des appareils de chauffage, mais des appareils de réfrigération, car elles fonctionnent sur le même principe que n’importe quel réfrigérateur ou climatiseur. La différence entre une pompe à chaleur et des unités de réfrigération bien connues de nous est que, en règle générale, son fonctionnement nécessite deux circuits – un interne, dans lequel le réfrigérant circule, et un externe, avec une circulation de liquide de refroidissement..

Pendant le fonctionnement de cet appareil, le fluide frigorigène dans le circuit interne passe par les étapes suivantes:

  • le réfrigérant refroidi à l’état liquide entre dans l’évaporateur par l’ouverture capillaire. Sous l’influence d’une diminution rapide de la pression, le fluide frigorigène s’évapore et se transforme en état gazeux. En se déplaçant le long des tubes courbes de l’évaporateur et en contact en cours de déplacement avec un caloporteur gazeux ou liquide, le réfrigérant en reçoit de l’énergie thermique à basse température, après quoi il entre dans le compresseur;
  • dans la chambre du compresseur, le fluide frigorigène est comprimé, tandis que sa pression augmente fortement, ce qui provoque une augmentation de la température du fluide frigorigène;
  • Du compresseur, le réfrigérant chaud suit le circuit dans le serpentin du condenseur, qui agit comme un échangeur de chaleur – ici le réfrigérant dégage de la chaleur (environ 80-130 ° C) vers le liquide de refroidissement circulant dans le circuit de chauffage de la maison. Ayant perdu la majeure partie de l’énergie thermique, le réfrigérant retourne à l’état liquide;
  • lors du passage à travers un détendeur (capillaire) – il est situé dans le circuit interne de la pompe à chaleur, à la suite de l’échangeur de chaleur – la pression résiduelle dans le réfrigérant diminue, après quoi il entre dans l’évaporateur. A partir de ce moment, le cycle de travail se répète.

Dispositif de pompe à chaleur à air Principe de fonctionnement de la pompe à chaleur à air

Ainsi, la structure interne d’une pompe à chaleur est constituée d’un capillaire (détendeur), d’un évaporateur, d’un compresseur et d’un condenseur. Le fonctionnement du compresseur est contrôlé par un thermostat électronique qui coupe l’alimentation électrique du compresseur et arrête ainsi le processus de génération de chaleur lorsque la température de l’air réglée dans la maison est atteinte. Lorsque la température descend en dessous d’un certain niveau, le thermostat allume automatiquement le compresseur.

Les fréons R-134a ou R-600a circulent comme réfrigérant dans le circuit interne de la pompe à chaleur – le premier est à base de tétrafluoroéthane, le second est à base d’isobutane. Ces deux réfrigérants sont sans danger pour la couche d’ozone terrestre et respectueux de l’environnement. Les pompes à chaleur à compression peuvent être entraînées par un moteur électrique ou un moteur à combustion interne.

Les pompes à chaleur à sorption utilisent l’absorption – un processus physico-chimique au cours duquel un gaz ou un liquide augmente de volume en raison d’un autre liquide sous l’influence de la température et de la pression.

Schéma de principe d'une pompe à chaleur à absorption Schéma de principe d’une pompe à chaleur à absorption: 1 – eau chauffée; 2 – eau refroidie; 3 – vapeur de chauffage; 4 – eau chauffée; 5 – évaporateur; 6 – générateur; 7 – condensateur; 8 – gaz non condensables; 9 – pompe à vide; 10 – chauffage du condensat de vapeur; 11 – échangeur de chaleur à solution; 12 – séparateur de gaz; 13 – absorbeur; 14 – pompe à mortier; 15 – pompe à liquide de refroidissement

Les pompes à chaleur à absorption sont équipées d’un compresseur thermique au gaz naturel. Dans leur circuit, il y a un réfrigérant (généralement de l’ammoniac), qui s’évapore à basse température et pression, tout en absorbant l’énergie thermique de l’environnement entourant le circuit de circulation. À l’état vapeur, le réfrigérant entre dans l’échangeur-absorbeur de chaleur, où, en présence d’un solvant (généralement de l’eau), il est absorbé et la chaleur est transférée au solvant. Le solvant est fourni au moyen d’un thermosiphon qui circule à travers la différence de pression entre le réfrigérant et le solvant, ou une pompe basse énergie dans les installations à haute capacité.

En raison de la combinaison du réfrigérant et du solvant, dont les points d’ébullition sont différents, la chaleur fournie par le réfrigérant provoque l’évaporation des deux. Le fluide frigorigène à l’état vapeur, à température et pression élevées, entre dans le condenseur le long du circuit, se transforme en état liquide et dégage de la chaleur vers l’échangeur de chaleur du réseau de chauffage. Après avoir traversé le détendeur, le réfrigérant entre dans son état thermodynamique d’origine, de la même manière que le solvant revient à son état d’origine.

Les avantages des pompes à chaleur à absorption sont la capacité de fonctionner à partir de n’importe quelle source d’énergie thermique et l’absence totale d’éléments mobiles, c’est-à-dire l’absence de bruit. Inconvénients – moins de puissance par rapport aux unités de compression, coût élevé, en raison de la complexité de la conception et de la nécessité d’utiliser des matériaux résistants à la corrosion et difficiles à traiter.

Unité pompe à chaleur à absorption Unité pompe à chaleur à absorption

Les pompes à chaleur à adsorption utilisent des matériaux solides tels que le gel de silice, le charbon actif ou la zéolite. Lors de la première étape de travail, appelée phase de désorption, de l’énergie thermique est fournie à la chambre de l’échangeur de chaleur, qui est recouverte de sorbant de l’intérieur, à partir d’un brûleur à gaz par exemple. Le chauffage provoque la vaporisation du fluide frigorigène (eau), la vapeur résultante est acheminée vers le deuxième échangeur de chaleur, qui dans la première phase dégage la chaleur obtenue lors de la condensation de la vapeur vers le système de chauffage. Le séchage complet du sorbant et l’achèvement de la condensation de l’eau dans le deuxième échangeur de chaleur achèvent la première étape du travail – l’alimentation en énergie thermique de la chambre du premier échangeur de chaleur s’arrête. Au deuxième étage, l’échangeur de chaleur à eau condensée devient un évaporateur, fournissant de l’énergie thermique de l’environnement extérieur au réfrigérant. En raison du rapport de pression atteignant 0,6 kPa, au contact de la chaleur de l’environnement extérieur, le réfrigérant s’évapore – la vapeur d’eau retourne dans le premier échangeur de chaleur, où elle est adsorbée dans le sorbant. La chaleur dégagée par la vapeur pendant le processus d’adsorption est transférée au système de chauffage, après quoi le cycle est répété. Il est à noter que les pompes à chaleur à adsorption ne sont pas adaptées à un usage domestique – elles sont destinées uniquement aux grands bâtiments (à partir de 400 m2), des modèles moins puissants sont encore en développement.

Types de collecteurs de chaleur pour pompes à chaleur

Les sources d’énergie thermique pour les pompes à chaleur peuvent être différentes – géothermie (type fermé et ouvert), air, utilisant la chaleur secondaire. Examinons chacune de ces sources plus en détail..

Les pompes à chaleur géothermiques consomment de l’énergie thermique du sol ou des eaux souterraines et sont divisées en deux types: fermées et ouvertes. Les sources de chaleur fermées sont subdivisées en:

  • Horizontal, tandis que le collecteur collectant la chaleur est situé dans des anneaux ou des zigzags dans des tranchées d’une profondeur de 1,3 mètre ou plus (en dessous de la profondeur de congélation). Cette méthode de placement du circuit collecteur de chaleur est efficace pour une petite surface terrestre.

Chauffage géothermique avec collecteur de chaleur horizontal Chauffage géothermique avec collecteur de chaleur horizontal

  • Vertical, c’est-à-dire que le collecteur du collecteur de chaleur est placé dans des puits verticaux immergés dans le sol à une profondeur de 200 m. Cette méthode de placement du collecteur est utilisée dans les cas où il n’est pas possible de poser le contour horizontalement ou il y a une menace de perturbation du paysage.

Chauffage géothermique avec collecteur de chaleur vertical Chauffage géothermique avec collecteur de chaleur vertical

  • De l’eau, tandis que le collecteur du circuit est situé de manière en zigzag ou annulaire au fond du réservoir, en dessous du niveau de son gel. Par rapport au forage de puits, cette méthode est la moins chère, mais elle dépend de la profondeur et du volume total d’eau dans le réservoir, selon la région..

Les pompes à chaleur de type ouvert utilisent de l’eau pour l’échange de chaleur, qui, après avoir traversé la pompe à chaleur, est rejetée dans le sol. Il n’est possible d’utiliser cette méthode que si l’eau est chimiquement pure et si l’utilisation des eaux souterraines dans ce rôle est autorisée du point de vue de la loi.

Chauffage géothermique de type ouvert Chauffage géothermique de type ouvert

Dans les circuits d’air, respectivement, l’air est utilisé comme source d’énergie thermique.

Chauffage par pompe à chaleur aérothermique Chauffage par pompe à chaleur aérothermique

En règle générale, les sources de chaleur secondaires (dérivées) sont utilisées dans les entreprises dont le cycle d’exploitation est associé à la production d’énergie thermique tierce (parasite) qui nécessite une utilisation supplémentaire.

Les premiers modèles de pompes à chaleur étaient tout à fait similaires à la conception décrite ci-dessus, inventée par Robert Webber – les tuyaux en cuivre du circuit, qui agissaient simultanément comme externes et internes, avec le fluide frigorigène qui y circulaient, étaient immergés dans le sol. L’évaporateur dans une telle conception était situé sous terre à une profondeur dépassant la profondeur de congélation ou dans des puits coudés ou verticaux forés à un angle (40 à 60 mm de diamètre) sur une profondeur de 15 à 30 m. Le circuit d’échange direct (il a reçu ce nom) lui permet d’être placé sur petite surface et lors de l’utilisation de tuyaux de petit diamètre, se passer d’un échangeur de chaleur intermédiaire. L’échange direct ne nécessite pas de pompage forcé du liquide de refroidissement, car il n’y a pas besoin de pompe de circulation, alors moins d’électricité est dépensée. De plus, une pompe à chaleur avec un circuit d’échange direct peut être utilisée efficacement même à basse température – tout objet émet de la chaleur si sa température est supérieure à zéro absolu (-273,15 ° C), et le réfrigérant peut s’évaporer à des températures allant jusqu’à -40 ° C. Inconvénients d’un tel circuit: besoins importants en réfrigérant; coût élevé des tuyaux en cuivre; une connexion fiable des sections en cuivre n’est possible que par soudure, sinon les fuites de réfrigérant ne peuvent pas être évitées; la nécessité d’une protection cathodique dans les sols acides.

L’extraction de la chaleur de l’air est la plus adaptée aux climats chauds, car à des températures inférieures à zéro, son efficacité diminuera considérablement, ce qui nécessitera des sources de chauffage supplémentaires. L’avantage des pompes à chaleur à air est qu’il n’est pas nécessaire de forer des puits coûteux, car le circuit externe avec un évaporateur et un ventilateur est situé dans une zone non loin de la maison. À propos, tout système de climatisation monobloc ou split est un représentant d’une pompe à chaleur à air à circuit unique. Le coût d’une pompe à chaleur à air d’une capacité de, par exemple, 24 kW est d’environ 163000 roubles.

Pompe à chaleur aérothermique Pompe à chaleur aérothermique

L’énergie thermique du réservoir est extraite par la pose d’un circuit constitué de tuyaux en plastique au fond d’une rivière ou d’un lac. Profondeur de pose à partir de 2 mètres, les tuyaux sont pressés vers le bas avec une charge à raison de 5 kg par mètre de longueur. Environ 30 W d’énergie thermique sont extraits de chaque mètre courant d’un tel circuit, c’est-à-dire qu’une pompe à chaleur de 10 kW aura besoin d’un circuit d’une longueur totale de 300 m.Les avantages d’un tel circuit sont un coût relativement faible et une facilité d’installation, les inconvénients – en cas de gel sévère, il est impossible d’obtenir de l’énergie thermique.

Pose du circuit de pompe à chaleur dans un réservoir Pose du circuit de pompe à chaleur dans un réservoir

Pour extraire la chaleur du sol, une boucle de tuyau en PVC est placée dans une fosse, creusée à une profondeur dépassant la profondeur de congélation d’au moins un demi-mètre. La distance entre les tuyaux doit être d’environ 1,5 m, le liquide de refroidissement qui y circule est de l’antigel (généralement de l’eau salée). Le fonctionnement efficace du contour du sol est directement lié à la teneur en humidité du sol au point de son placement – si le sol est sableux, c’est-à-dire incapable de retenir l’eau, la longueur du contour doit être approximativement doublée. Une pompe à chaleur peut extraire en moyenne 30 à 60 W d’énergie thermique d’un mètre courant du contour du sol, selon la zone climatique et le type de sol. Une pompe à chaleur de 10 kW nécessitera un circuit de 400 mètres posé sur une parcelle de 400 m22. Le coût d’une pompe à chaleur avec circuit au sol est d’environ 500000 roubles.

Pose d'un circuit pompe à chaleur horizontal Pose du contour horizontal dans le sol

La récupération de la chaleur de la roche nécessitera soit la pose de puits d’un diamètre de 168 à 324 mm sur une profondeur de 100 mètres, soit la réalisation de plusieurs puits de moindre profondeur. Un contour est abaissé dans chaque puits, composé de deux tuyaux en plastique reliés au point le plus bas par un tuyau métallique en forme de U qui agit comme un poids. L’antigel circule dans les tuyaux – seulement une solution à 30% d’alcool éthylique, car en cas de fuite, il ne nuira pas à l’environnement. Le puits avec le contour installé finira par se remplir d’eau souterraine, qui fournira de la chaleur au liquide de refroidissement. Chaque mètre d’un tel puits donnera environ 50 W d’énergie thermique, c’est-à-dire que pour une pompe à chaleur d’une puissance de 10 kW, il faudra forer 170 m de puits. Pour obtenir plus d’énergie thermique, il n’est pas rentable de forer un puits plus profond que 200 m – il est préférable de faire plusieurs petits puits à une distance de 15 à 20 m entre eux. Plus le diamètre du trou de forage est grand, moins il doit être foré, tout en obtenant en même temps un apport d’énergie thermique plus important – environ 600 W par mètre courant.

Sonde géothermique Installation d’une sonde géothermique

Par rapport aux contours placés dans le sol ou un réservoir, le contour du puits occupe un minimum d’espace sur le site, le puits lui-même peut être réalisé dans tout type de sol, y compris la roche. Le transfert de chaleur du circuit de puits sera stable à tout moment de l’année et par tous les temps. Cependant, le retour sur investissement d’une telle pompe à chaleur prendra plusieurs décennies, car son installation coûtera au propriétaire plus d’un million de roubles..

À la fin

L’avantage des pompes à chaleur est leur rendement élevé, car ces unités ne consomment pas plus de 350 watts d’électricité par heure pour obtenir un kilowatt d’énergie thermique par heure. A titre de comparaison, le rendement des centrales électriques qui produisent de l’électricité en brûlant du combustible ne dépasse pas 50%. Le système de pompe à chaleur fonctionne en mode automatique, les coûts de fonctionnement pendant son utilisation sont extrêmement faibles – seule l’électricité est nécessaire pour faire fonctionner le compresseur et les pompes. Les dimensions hors tout de l’installation de pompe à chaleur sont approximativement égales aux dimensions d’un réfrigérateur domestique, le niveau sonore pendant le fonctionnement coïncide également avec le même paramètre d’un groupe frigorifique domestique.

Pompe à chaleur Pompe à chaleur « eau glycolée »

Vous pouvez utiliser une pompe à chaleur à la fois pour obtenir de l’énergie thermique et pour l’éliminer – en commutant le fonctionnement des circuits sur le refroidissement, tandis que l’énergie thermique des locaux de la maison sera évacuée par le circuit externe dans le sol, l’eau ou l’air.

Le seul inconvénient d’un système de chauffage à pompe à chaleur est son coût élevé. En Europe, ainsi qu’aux États-Unis et au Japon, les installations de pompes à chaleur sont assez courantes – en Suède il y en a plus d’un demi-million, et au Japon et aux États-Unis (en particulier dans l’Oregon) – plusieurs millions. La popularité des pompes à chaleur dans ces pays est due à leur soutien des programmes gouvernementaux sous forme de subventions et de compensation aux propriétaires qui ont installé de telles installations..

Il ne fait aucun doute que dans un proche avenir, les pompes à chaleur cesseront également d’être quelque chose d’extraordinaire en Russie, étant donné l’augmentation annuelle des prix du gaz naturel, qui est aujourd’hui le seul concurrent des pompes à chaleur en termes de coûts financiers pour obtenir de l’énergie thermique..

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