Comment fabriquer une pompe à chaleur pour chauffer une maison de vos propres mains : principe de fonctionnement et schémas de montage

Les premières versions de pompes à chaleur ne pouvaient satisfaire que partiellement les besoins en énergie thermique.Les variétés modernes sont plus efficaces et peuvent être utilisées pour les systèmes de chauffage. C'est pourquoi de nombreux propriétaires tentent d'installer une pompe à chaleur de leurs propres mains.

Nous vous expliquerons comment choisir la meilleure option pour une pompe à chaleur, en tenant compte des géodonnées de la zone où il est prévu de l'installer. L'article proposé à l'examen décrit en détail le principe de fonctionnement des systèmes « d'énergie verte » et énumère les différences. Avec nos conseils, vous choisirez sans aucun doute un type efficace.

Pour les artisans indépendants, nous présentons la technologie de montage d'une pompe à chaleur. Les informations présentées pour examen sont complétées par des diagrammes visuels, des sélections de photos et une instruction vidéo détaillée en deux parties.

Qu'est-ce qu'une pompe à chaleur et comment fonctionne-t-elle ?

Le terme pompe à chaleur désigne un ensemble d’équipements spécifiques. La fonction principale de cet équipement est de collecter l'énergie thermique et de la transporter jusqu'au consommateur. La source d'une telle énergie peut être n'importe quel corps ou environnement avec une température de +1º ou plus.

Il existe suffisamment de sources de chaleur à basse température dans notre environnement. Il s'agit de déchets industriels provenant d'entreprises, de centrales thermiques et nucléaires, d'eaux usées, etc. Pour faire fonctionner les pompes à chaleur pour le chauffage domestique, trois sources naturelles auto-régénérées sont nécessaires : l'air, l'eau et la terre.

Les pompes à chaleur tirent leur énergie de processus qui se produisent régulièrement dans l'environnement.Le flux des processus ne s'arrête jamais, car les sources sont reconnues comme inépuisables selon les critères humains

Les trois fournisseurs d’énergie potentiels répertoriés sont directement liés à l’énergie du soleil qui, en chauffant, déplace l’air avec le vent et transfère l’énergie thermique à la terre. C'est le choix de la source qui constitue le principal critère selon lequel les systèmes de pompe à chaleur sont classés.

Le principe de fonctionnement des pompes à chaleur repose sur la capacité des corps ou des milieux à transférer de l'énergie thermique vers un autre corps ou environnement. Les récepteurs et les fournisseurs d’énergie dans les systèmes de pompes à chaleur travaillent généralement par paires.

On distingue les types de pompes à chaleur suivants :

• L'air est de l'eau.
• La Terre est de l'eau.
• L'eau est de l'air.
• L'eau est de l'eau.
• La Terre est de l'air.
• L'eau l'eau
• L'air est de l'air.

Dans ce cas, le premier mot détermine le type de milieu à partir duquel le système prélève de la chaleur à basse température. La seconde indique le type de support auquel cette énergie thermique est transférée. Ainsi, dans les pompes à chaleur, l’eau est de l’eau, la chaleur est extraite du milieu aquatique et le liquide est utilisé comme liquide de refroidissement.

De par leur conception, les pompes à chaleur sont des unités à compression de vapeur. Ils extraient la chaleur de sources naturelles, la transforment et la transportent jusqu'aux consommateurs (+)

Les pompes à chaleur modernes utilisent trois source d'énergie thermique. Ce sont le sol, l'eau et l'air. La plus simple de ces options est pompe à chaleur aérothermique. La popularité de tels systèmes est due à leur conception assez simple et à leur facilité d'installation.

Cependant, malgré une telle popularité, ces variétés ont une productivité plutôt faible. De plus, l’efficacité est instable et dépend des fluctuations saisonnières de température.

À mesure que la température baisse, leurs performances diminuent considérablement. De telles options de pompes à chaleur peuvent être considérées comme un complément à la principale source d’énergie thermique existante.

Options d'équipement utilisant chaleur du sol, sont considérés comme plus efficaces. Le sol reçoit et accumule l'énergie thermique non seulement du Soleil, mais il est constamment chauffé par l'énergie du noyau terrestre.

Autrement dit, le sol est une sorte d’accumulateur de chaleur dont la puissance est pratiquement illimitée. De plus, la température du sol, surtout à une certaine profondeur, est constante et fluctue dans des limites insignifiantes.

Champ d'application de l'énergie générée par les pompes à chaleur :

La constance de la température de la source est un facteur important pour le fonctionnement stable et efficace de ce type d'équipement électrique. Les systèmes dans lesquels le milieu aquatique constitue la principale source d’énergie thermique présentent des caractéristiques similaires. Le collecteur de ces pompes est situé soit dans un puits, où il aboutit dans un aquifère, soit dans un réservoir.

La température annuelle moyenne des sources telles que le sol et l'eau varie de +7º à + 12º C. Cette température est largement suffisante pour assurer un fonctionnement efficace du système.

Les plus efficaces sont les pompes à chaleur qui extraient l'énergie thermique de sources ayant des indicateurs de température stables, c'est-à-dire de l'eau et du sol

Éléments de conception de base des pompes à chaleur

Pour que l'installation de production d'énergie fonctionne selon les principes de fonctionnement d'une pompe à chaleur, sa conception doit contenir 4 unités principales, à savoir :

• Compresseur.
• Évaporateur.
• Condensateur.
• La soupape d'étranglement.

Un élément important de la conception d’une pompe à chaleur est le compresseur. Sa fonction principale est d'augmenter la pression et la température des vapeurs formées lors de l'ébullition du réfrigérant. Les compresseurs scroll modernes sont notamment utilisés pour les équipements de climatisation et les pompes à chaleur.

Les liquides à bas point d'ébullition sont utilisés comme fluide de travail qui transfère directement l'énergie thermique. En règle générale, l'ammoniac et les fréons sont utilisés (+)

Ces compresseurs sont conçus pour fonctionner à des températures inférieures à zéro. Contrairement à d’autres types, les compresseurs scroll produisent peu de bruit et fonctionnent à la fois à de basses températures d’ébullition des gaz et à des températures de condensation élevées. Un avantage incontestable est leur taille compacte et leur faible poids spécifique.

Presque toute l’énergie d’une pompe à chaleur est dépensée pour transporter l’énergie thermique de l’extérieur vers l’intérieur de la pièce. Il faut donc environ 1 unité d'énergie pour faire fonctionner les systèmes lors de la production de 4 à 6 unités (+)

L'évaporateur en tant qu'élément structurel est un récipient dans lequel le réfrigérant liquide est converti en vapeur. Le fluide frigorigène, circulant en circuit fermé, traverse l'évaporateur. Dans celui-ci, le réfrigérant se réchauffe et se transforme en vapeur.La vapeur résultante est dirigée vers le compresseur sous basse pression.

Dans le compresseur, les vapeurs du réfrigérant sont mises sous pression et leur température augmente. Le compresseur pompe la vapeur chauffée sous haute pression vers le condenseur.

Le compresseur comprime le fluide circulant dans le circuit, entraînant une augmentation de sa température et de sa pression. Ensuite, le fluide comprimé entre dans l'échangeur de chaleur (condenseur), où il est refroidi, transférant la chaleur à l'eau ou à l'air.

Le prochain élément structurel du système est le condensateur. Sa fonction se réduit à la libération d'énergie thermique vers le circuit interne du système de chauffage.

Les échantillons en série fabriqués par des entreprises industrielles sont équipés d'échangeurs de chaleur à plaques. Le matériau principal de ces condensateurs est l’acier allié ou le cuivre.

Pour fabriquer votre propre échangeur de chaleur, un tube en cuivre d'un diamètre d'un demi-pouce convient. L'épaisseur de paroi des tuyaux utilisés pour fabriquer l'échangeur de chaleur doit être d'au moins 1 mm

La vanne thermostatique, ou autrement papillon, est installée au début de la partie du circuit hydraulique où le fluide en circulation haute pression est converti en fluide basse pression. Plus précisément, un papillon couplé à un compresseur divise le circuit de la pompe à chaleur en deux parties : l'une avec des paramètres haute pression, l'autre avec des paramètres basse pression.

Lors du passage dans le papillon d'expansion, le liquide circulant dans un circuit fermé s'évapore partiellement, ce qui entraîne une chute de pression et de température. Il entre ensuite dans un échangeur de chaleur qui communique avec l'environnement. Là, il capte l'énergie de l'environnement et la retransmet dans le système.

Le papillon des gaz régule le débit de réfrigérant vers l’évaporateur. Lors du choix d'une vanne, vous devez prendre en compte les paramètres du système. La vanne doit répondre à ces paramètres.

Lors du passage à travers la vanne de régulation de chaleur, le liquide de refroidissement s'évapore partiellement et la température de départ diminue (+)

Sélection d'un type de pompe à chaleur

Le principal indicateur de ce système de chauffage est la puissance. Les coûts financiers liés à l'achat d'équipements et au choix de l'une ou l'autre source de chaleur à basse température dépendront principalement de la puissance. Plus la puissance du système de pompe à chaleur est élevée, plus le coût des composants est élevé.

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

S'il y a un étang à proximité de votre propriété personnelle, le choix le plus rentable et le plus productif serait une pompe à chaleur eau-eau.

Tout d'abord, vous devez étudier la zone prévue pour l'installation de la pompe. La condition idéale serait la présence d'un réservoir dans cette zone. Usage option de type eau-eau réduira considérablement le volume des travaux d’excavation.

L’utilisation de la chaleur de la terre implique au contraire un grand nombre de travaux liés à l’excavation. Les systèmes qui utilisent des milieux aqueux comme chaleur de faible qualité sont considérés comme les plus efficaces.

La conception d’une pompe à chaleur extrayant l’énergie thermique du sol nécessite un travail d’excavation impressionnant. Le collecteur est posé en dessous du niveau de congélation saisonnier

L’énergie thermique du sol peut être utilisée de deux manières. La première consiste à forer des puits d'un diamètre de 100 à 168 mm. La profondeur de ces puits, selon les paramètres du système, peut atteindre 100 m ou plus.

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

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

Une structure de collecte d'énergie thermique avec un puits profond peut s'avérer légèrement moins chère que de creuser une fosse. Mais un avantage non négligeable est le gain de place important, ce qui est important pour les propriétaires de petites parcelles

S'il existe un horizon d'eau souterraine élevé sur le site, des échangeurs de chaleur peuvent être installés dans deux puits situés à une distance d'environ 15 m l'un de l'autre.

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

Le système de pompe à chaleur le plus simple et le moins cher consiste à extraire l’énergie thermique de l’air. Il est autrefois devenu la base des réfrigérateurs ; plus tard, les climatiseurs ont été développés selon ses principes.

Le système de pompe à chaleur le plus simple reçoit l’énergie de la masse d’air. En été, il participe au chauffage, en hiver à la climatisation.L'inconvénient du système est que l'unité autonome n'a pas assez de puissance.

L’efficacité des différents types de cet équipement n’est pas la même. Les pompes utilisant de l’air ont les performances les plus faibles. De plus, ces indicateurs dépendent directement des conditions météorologiques.

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

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

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

Le coefficient de conversion d'une pompe à chaleur est exprimé par le rapport entre le flux de chaleur et la puissance électrique dépensée pour faire fonctionner le compresseur.

Assembler soi-même une pompe à chaleur

Connaissant le schéma de fonctionnement et la structure de la pompe à chaleur, assemblez-la et installez-la vous-même système de chauffage alternatif tout à fait possible. Avant de commencer les travaux, il est nécessaire de calculer tous les principaux paramètres du futur système. Pour calculer les paramètres de la future pompe, vous pouvez utiliser un logiciel conçu pour optimiser les systèmes de refroidissement.

L'option la plus simple à construire est système air-eau. Il ne nécessite pas de travaux complexes de construction d'un circuit externe, inhérents aux pompes à chaleur à eau et au sol. Pour l'installation, vous n'aurez besoin que de deux canaux, dont l'un fournira de l'air et le second évacuera la masse de déchets.

Le moyen le plus simple est de construire de vos propres mains une pompe à chaleur qui extrait la chaleur de la masse d'air. Un ventilateur extérieur souffle de l'air vers l'évaporateur

En plus du ventilateur, vous devez vous procurer un compresseur de la puissance requise. Pour une telle unité, le compresseur équipé de systèmes divisés. Il n'est pas nécessaire d'acheter une nouvelle unité.

Vous pouvez le retirer d'un ancien équipement ou l'utiliser vieux composants de réfrigérateur. Il est conseillé d'utiliser la variété en spirale. Ces options de compresseur, en plus d’être très efficaces, créent des pressions élevées qui produisent des températures plus élevées.

Pour installer un condensateur, vous aurez besoin d'un conteneur et d'un tuyau en cuivre. Une bobine est fabriquée à partir d'un tuyau. Pour sa fabrication, tout corps cylindrique du diamètre requis est utilisé. En enroulant un tuyau en cuivre autour, vous pouvez réaliser facilement et rapidement cet élément structurel.

La bobine finie est montée dans un récipient préalablement coupé en deux. Pour la fabrication de conteneurs, il est préférable d'utiliser des matériaux résistants aux processus de corrosion. Après y avoir placé le serpentin, les moitiés du réservoir sont soudées.

La surface de la bobine est calculée à l'aide de la formule suivante :

MT/0,8 RT,

Où:

• MT - la puissance de l'énergie thermique produite par le système.
• 0,8 — coefficient de conductivité thermique lorsque l'eau interagit avec le matériau du serpentin.
• RT — différence de température de l'eau à l'entrée et à la sortie.

Lorsque vous choisissez un tuyau en cuivre pour fabriquer vous-même un serpentin, vous devez faire attention à l'épaisseur de la paroi. Il doit être d'au moins 1 mm. Sinon, le tuyau sera déformé lors de l'enroulement. Le tuyau par lequel entre le réfrigérant est situé dans la partie supérieure du conteneur.

Un échangeur de chaleur à tube de cuivre est fabriqué en enroulant un tube de cuivre sur un objet de forme cylindrique. Plus la surface du serpentin est grande, plus les performances de la pompe sont élevées

L'évaporateur de la pompe à chaleur peut être réalisé en deux versions - sous la forme d'un conteneur dans lequel se trouve un serpentin et sous la forme d'un tuyau dans un tuyau. La température du liquide dans l'évaporateur étant basse, le récipient peut être constitué d'un fût en plastique. Un circuit constitué de tuyaux en cuivre est placé dans ce conteneur.

Contrairement à un condenseur, le serpentin du serpentin de l'évaporateur doit correspondre au diamètre et à la hauteur du récipient sélectionné. La deuxième option d’évaporateur : tuyau dans tuyau. Dans ce mode de réalisation, le tube réfrigérant est placé dans un tuyau en plastique de plus grand diamètre à travers lequel circule l'eau.

La longueur d'un tel tuyau dépend de la puissance prévue de la pompe. Cela peut aller de 25 à 40 mètres. Un tel tuyau est enroulé en spirale.

La vanne thermostatique fait référence aux raccords de canalisation d'arrêt et de contrôle. Une aiguille est utilisée comme élément de fermeture dans le détendeur. La position de l'élément d'arrêt de la vanne est déterminée par la température dans l'évaporateur.

Cet élément important du système a une conception plutôt complexe. Il comprend:

• Thermocouple.
• Diaphragme.
• Tube capillaire.
• Ballon thermique.

Ces éléments peuvent devenir inutilisables à des températures élevées.Par conséquent, lors des travaux de soudure sur le système, la vanne doit être isolée avec un tissu en amiante. La vanne de régulation doit correspondre à la capacité de l'évaporateur.

Après avoir effectué les travaux de fabrication des principales pièces structurelles, vient le moment crucial de l'assemblage de l'ensemble de la structure en un seul bloc. L'étape la plus critique est processus d'injection de réfrigérant ou du liquide de refroidissement dans le système.

Il est peu probable qu'une personne ordinaire soit en mesure d'effectuer une telle opération de manière indépendante. Ici, vous devrez vous tourner vers des professionnels qui réparent et entretiennent les équipements de climatisation.

Les travailleurs dans ce domaine disposent généralement de l’équipement nécessaire. En plus de charger du réfrigérant, ils peuvent tester le fonctionnement du système. L'injection de réfrigérant vous-même peut entraîner non seulement une défaillance structurelle, mais également des blessures graves. De plus, un équipement spécial est également requis pour faire fonctionner le système.

Lorsque le système démarre, une charge de démarrage maximale se produit, généralement autour de 40 A. Par conséquent, le démarrage du système sans relais de démarrage est impossible. Après le premier démarrage, un réglage de la vanne et de la pression du réfrigérant est nécessaire.

Le choix du réfrigérant doit être pris très au sérieux. Après tout, c'est cette substance qui est essentiellement considérée comme le principal « porteur » d'énergie thermique utile. Parmi les réfrigérants modernes existants, les fréons sont les plus populaires. Ce sont des dérivés de composés hydrocarbonés dans lesquels certains atomes de carbone sont remplacés par d’autres éléments.

À la suite de l'assemblage des éléments individuels de la pompe à chaleur, une boucle fermée doit être obtenue à travers laquelle circule le fluide de travail.

Grâce à ce travail, un système en boucle fermée a été obtenu. Le fluide frigorigène y circulera, assurant la sélection et le transfert de l'énergie thermique de l'évaporateur vers le condenseur. Lors du raccordement des pompes à chaleur au système de chauffage domestique, il convient de tenir compte du fait que la température de l'eau sortant du condenseur ne dépasse pas 50 à 60 degrés.

En raison de la basse température de l'énergie thermique générée par la pompe à chaleur, des appareils de chauffage spécialisés doivent être sélectionnés comme consommateurs de chaleur. Il peut s'agir d'un plancher chaud ou de radiateurs volumétriques à faible inertie en aluminium ou en acier avec une grande surface de rayonnement.

Les options de pompes à chaleur faites maison sont considérées comme des équipements auxiliaires qui soutiennent et complètent le fonctionnement de la source principale.

Chaque année, la conception des pompes à chaleur est améliorée. Les conceptions industrielles destinées à un usage domestique utilisent des surfaces de transfert de chaleur plus efficaces. En conséquence, les performances du système augmentent constamment.

Un facteur important qui stimule le développement d’une telle technologie pour la production d’énergie thermique est la composante environnementale. De tels systèmes, en plus d’être assez efficaces, ne polluent pas l’environnement. L'absence de flamme nue rend son fonctionnement absolument sûr.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Vidéo n°1. Comment fabriquer une simple pompe à chaleur maison avec un échangeur de chaleur à partir de tuyaux PEX :

Vidéo n°2. Suite de l'enseignement :

Les pompes à chaleur sont utilisées depuis longtemps comme système de chauffage alternatif.Ces systèmes sont fiables, ont une longue durée de vie et, surtout, sont respectueux de l’environnement. Ils commencent à être sérieusement considérés comme la prochaine étape vers le développement de systèmes de chauffage efficaces et sûrs.

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