Pompe à chaleur air-air : principe de fonctionnement, conception, sélection et calculs
Souhaitez-vous installer un chauffage par convecteur dans votre maison, où une pompe à chaleur air-air est utilisée pour chauffer le liquide de refroidissement, permettant ainsi des économies significatives sur les coûts de chauffage ? Convenez qu'obtenir un chauffage à part entière dans une entreprise avec de l'eau chaude pratiquement gratuitement est une entreprise très tentante.
Mais vous ne savez pas comment construire un tel système pour chauffer les pièces de manière alternative et obtenir de l’eau chaude pour les besoins domestiques ?
Nous vous aiderons à résoudre ce problème - l'article couvre le principe de fonctionnement et la conception de la pompe. Un tel système ne devra dépenser de l'énergie que pour le fonctionnement du compresseur, et la majeure partie de la chaleur sera simplement extraite de la rue et de l'atmosphère, pour laquelle on ne nous a pas encore demandé de payer.
Les avantages de sa mise en œuvre dans le système et ses inconvénients importants sont également pris en compte. Une attention particulière est portée au choix et au calcul de la pompe.
Et pour ceux qui aiment tout faire de leurs propres mains, nous suggérons de construire vous-même une telle pompe, en utilisant les matériaux disponibles. Pour vous aider, nous fournissons du matériel photographique et des recommandations vidéo sur la conception et le fonctionnement d'une pompe à chaleur à air.
Le contenu de l'article :
Caractéristiques de la pompe à chaleur air-air
Toute pompe à chaleur appartient à un équipement de la sphère énergie alternative. Il prélève l'énergie thermique des masses d'air de la rue, de l'espace environnant à l'intérieur, afin de chauffer avec elle des objets résidentiels et non résidentiels.
Il n'utilise aucun combustible combustible.
Pompe à chaleur externe (TN) l'air-air est similaire à un climatiseur inverseur, système divisé du bloc externe et interne.
Et selon le principe de fonctionnement, il rappelle davantage un réfrigérateur, sauf qu'il agit « à l'envers ». Mais contrairement aux deux, cette pompe à chaleur est capable à la fois de refroidir et de réchauffer les masses d’air de la maison.
Principe de fonctionnement et structure interne
Le fonctionnement d'une PAC air-air repose sur un phénomène physique simple de thermodynamique : lorsqu'un liquide s'évapore, il refroidit la surface à partir de laquelle il est dispersé. Par exemple, la vapeur sur une tasse de thé chaud démontre le même effet.
Un réfrigérateur ordinaire fonctionne sur ce principe. À l’intérieur se trouvent des tubes dans lesquels le réfrigérant circule sous haute pression. Il prend la chaleur de l’intérieur du congélateur et devient légèrement plus chaud.
Ensuite, la chaleur collectée est rejetée dans l’air de la pièce via un échangeur de chaleur (la grille située à l’arrière du réfrigérateur).
Et pour que le réfrigérant refroidisse jusqu'aux températures de fonctionnement, il est comprimé dans un compresseur. De plus, pendant le cycle de fonctionnement du fréon à l'intérieur du système compresseur-condenseur-évaporateur passe constamment du gazeux au liquide et vice-versa.
Une pompe à chaleur aérothermique fonctionne exactement de la même manière. Seulement, il prend la chaleur de la rue et non d'un congélateur fermé. Même s’il fait glacial dehors, il reste encore beaucoup d’énergie thermique dans l’atmosphère.
Une pompe à chaleur air-air se compose des éléments suivants :
- compresseur;
- évaporateur avec ventilateur à air pulsé ;
- Soupape de détente;
- tuyaux en cuivre pour pomper le fréon entre la rue et la maison ;
- condenseur avec ventilateur fournissant de l'air chauffé à la pièce.
Les trois premiers éléments constituent l’unité extérieure et le dernier appartient à la partie interne de la pompe à chaleur. Les tubes en cuivre isolés thermiquement sont conçus pour le mouvement continu du liquide de refroidissement entre ces modules du système divisé.
L'algorithme de fonctionnement d'une pompe à chaleur air-air est le suivant :
- L'air extérieur est aspiré dans l'unité extérieure par un ventilateur et forcé à travers les ailettes de l'évaporateur externe. Le fréon circulant dans l'échangeur de chaleur absorbe l'énergie thermique qui y est disponible, tout en passant à l'état gazeux.
- Le gaz entre ensuite dans le condenseur où il est comprimé. Et puis il est pompé via des tuyaux en cuivre jusqu'à l'unité intérieure.
- Dans un condenseur situé dans la maison, le gaz redevient liquide, transférant ainsi la chaleur à l’air intérieur.
- Ensuite, l'excès de pression est évacué par le détendeur et le fréon liquide est à nouveau envoyé vers l'évaporateur primaire.
La température du fréon entrant dans l'unité extérieure est toujours inférieure à la température ambiante. Par conséquent, il prélève toujours de la chaleur dans l’atmosphère.
Mais le niveau de « refroidissement » du liquide de refroidissement dans le système est constant et la température extérieure fluctue constamment.Pour cette raison, en cas de fortes gelées, le TN perd de son efficacité.
Pour augmenter la puissance de la pompe à chaleur, les surfaces du condenseur et de l'évaporateur sont rendues aussi grandes que possible. Et pour un fonctionnement ininterrompu en hiver, l'échangeur thermique externe est équipé de son propre système de dégivrage.
Avantages et inconvénients d'une pompe à chaleur à air
Chaque système techniquement complexe présente ses propres avantages et inconvénients. Les brochures publicitaires sont une chose, mais en réalité, les propriétaires de pompes à chaleur courent le risque de rencontrer certains problèmes.
Les unités de chauffage/refroidissement air-air sont bénéfiques pour plusieurs raisons.
Les principaux avantages comprennent :
- Polyvalence. Les systèmes permettent de chauffer et de rafraîchir des pièces en fonction de la destination de la pièce, des besoins et de la saison climatique.
- Respect de l'environnement. Ils permettent d'arrêter complètement la combustion du gaz naturel, du charbon, du bois de chauffage, etc., qui polluent le milieu naturel par les produits de combustion.
- Facile à installer. Assembler un système à partir de composants produits en usine n’est pas difficile. Vous pouvez construire vous-même une pompe à chaleur en utilisant les matériaux disponibles.
- La sécurité incendie. Le processus de génération de chaleur n’implique pas l’utilisation de combustible. Même des perturbations dans le fonctionnement de l'installation ne provoqueront pas d'incendies.
- Économique. Ils sont attractifs en raison de leur coefficient de transfert thermique élevé à des coûts minimes (pour 1 kW d'électricité consommée, ils produisent 4 à 5 kW de chaleur). De plus, ils s’amortissent rapidement.
- Abordabilité. Le coût des systèmes fabriqués en usine permet à presque tout le monde d’acheter une pompe à chaleur. Une installation faite maison sera pratiquement gratuite.
- Facilité d'utilisation. L'appareil le plus techniquement complexe du système est le compresseur, dont la maintenance est difficile à gérer. Avec la charge typique des pompes à chaleur, les compresseurs tombent rarement en panne avant le délai promis par le fabricant.
Pour organiser le chauffage dans une pièce, il suffit installer un système split, accrochant un module extérieur sur la façade, et un convecteur sur le mur intérieur. Pour chauffer plusieurs pièces, vous devrez installer des canaux de distribution d'air chauffé.
Tout le contrôle de la pompe à chaleur air-air est effectué par un automatisme intégré. Vous n’aurez pas à accorder une attention particulière au fonctionnement et à la configuration de ce système. Il vous suffira de nettoyer régulièrement les filtres à air et de les changer de temps en temps.
Parmi les aspects négatifs des pompes à chaleur figurent :
- bien qu'insignifiant, mais toujours un bruit de fond ;
- dépendance directe de l'efficacité du système à la température extérieure ;
- augmentation de la consommation d'énergie lorsqu'il fait froid dehors ;
- poussière constamment suspendue dans l'air en raison du fonctionnement continu du ventilateur et de la convection de l'air dans la pièce ;
- dépendance à l'alimentation électrique (pour un fonctionnement ininterrompu, un générateur sera nécessaire).
À des températures extérieures allant jusqu'à -10°C, tout fonctionne parfaitement : la chaleur extraite de la rue est largement suffisante pour créer des conditions confortables dans la maison. Mais avec un refroidissement supplémentaire, l'efficacité de la pompe de découpe diminue.
Si le chalet est construit dans une région au climat froid et aux fortes gelées en hiver, vous ne pouvez pas vous passer d'une chaudière ou d'une cheminée supplémentaire.
Pour disposition du chauffage de l'air De tels systèmes sont idéaux. Consommation d'énergie minimale, efforts d'installation et problèmes de maintenance. Mais ils ne peuvent pas chauffer l’eau. Pour ce faire, vous devrez en plus installer une chaudière ou vous connecter à des réseaux centralisés.
Les pompes à chaleur air-air constituent le moyen optimal de chauffer des bâtiments en bois ou en SIP. De tels bâtiments ont de faibles pertes de chaleur et la capacité des pompes à chaleur à air pour les chauffer est abondante.
Différences fondamentales avec la climatisation
Extérieurement, une pompe à chaleur air-air s’apparente à un climatiseur domestique. Mais il a ses propres caractéristiques de conception et caractéristiques techniques.
Le premier appareil est utilisé comme principale source de chauffage, fonctionnant toute l'année. Et le second est davantage destiné à rafraîchir l’air lors des chaleurs estivales.
La fonction principale d’une pompe à chaleur est le chauffage. Cependant, de nombreux modèles sont également capables de rafraîchir l’air intérieur. Mais dans ce mode de fonctionnement, ils sont nettement inférieurs au climatiseur en termes d'efficacité énergétique. Il s'agit plutôt d'un cas extrême de leur utilisation.
D’un autre côté, beaucoup climatiseurs inverseurs peut chauffer l’air intérieur. Mais elles consomment bien plus d’électricité que les pompes à chaleur. Chaque appareil a son propre objectif.
L’utilisation de la HP air-air constitue avant tout une transition vers des sources d’énergie renouvelables.
Ces systèmes sont rentables, malgré l’investissement initial important. La réduction des factures de chauffage couvre tous les coûts initiaux.
Sélection et calculs d'une pompe à chaleur
Une pompe à chaleur air-air ne sera efficace que si elle est correctement sélectionnée. Il est nécessaire de calculer sa puissance à l'avance en fonction de la superficie de la maison. Et alors seulement, regardez les prix des différents fabricants.
Les calculs utilisent le coefficient d'efficacité énergétique COP (le rapport entre la puissance HP et l'énergie dépensée).
Dans des « conditions de serre », il atteint souvent 4 à 5 points, et les modèles les plus modernes atteignent 7 à 8. Cependant, lorsque la température extérieure descend entre -15 et 20 °C, ce chiffre chute brusquement et n'est plus que de deux.
À calcul du chauffage de l'air il faut prendre en compte :
- isolation thermique et insolation des locaux;
- superficie des pièces;
- nombre de personnes vivant dans le chalet ;
- conditions climatiques générales de la zone où se trouve la maison.
Pour la plupart des maisons, environ 0,7 kW de puissance de pompe à chaleur sont nécessaires pour dix mètres carrés. Mais tout ici est assez arbitraire. Si les plafonds dépassent 2,7 m ou si les murs et les fenêtres sont mal isolés, il faudra alors plus de chaleur.
Il existe de nombreux fabricants de pompes à chaleur air-air en Asie et en Europe.
Les systèmes ont de bonnes critiques de Daikin, Dimplex, Hitachi, Vaillant, Mitsubishi, Fujitsu, Transporteur, Aertec, Panasonic Et Toshiba. Presque tous leurs modèles sont adaptés aux conditions d'exploitation domestiques et ont fait leurs preuves.
Même en cas de surtensions, ils ne se cassent pas et continuent de fonctionner correctement après la mise sous tension.
Le prix des pompes à chaleur à air en fonctionnement varie de 90 000 à 450 000 roubles. Ici, beaucoup dépend non seulement de la puissance de l'unité, mais également de la fonctionnalité supplémentaire et du pays de fabrication.
Les modèles sélectionnés complètent :
• filtres pour la purification et la désinfection de l'air ;
• des chauffages d'appoint ;
• générateurs électriques ;
• Modules GSM pour la gestion du système ;
• ioniseurs et ozoniseurs.
La pratique montre qu'en cas de gelées inférieures à -15°C, les pièces chauffées uniquement par une pompe à air chaud deviennent fraîches. Et sans chauffage d'appoint, les pièces ne sentent franchement pas confortable.
Cependant, dans les régions du sud, où de telles gelées sont rares, la HP est assez efficace et justifie largement l'argent dépensé pour économiser les ressources énergétiques.
Fait maison à partir d'un vieux réfrigérateur
Il est assez difficile d'assembler une pompe à chaleur air-air à partir de compresseurs et de condenseurs individuels sans connaissances techniques spécialisées. Mais pour une petite pièce ou une serre, vous pouvez utiliser un vieux réfrigérateur.
Pour ce faire, vous devez percer deux trous dans la porte d'entrée du réfrigérateur. Par le premier, l'air de la rue entrera dans le congélateur et par le second, en bas, il sera rejeté dans la rue.
Parallèlement, lors de son passage dans la chambre intérieure, il cèdera une partie de la chaleur qu'il contient au fréon.
Vous pouvez également simplement encastrer la machine frigorifique dans le mur avec la porte ouverte vers l'extérieur et l'échangeur de chaleur à l'arrière dans la pièce. Mais il convient de garder à l’esprit que la puissance d’un tel appareil de chauffage sera faible et qu’il consomme beaucoup d’électricité.
L'air de la pièce est chauffé par un échangeur de chaleur situé à l'arrière du réfrigérateur. Cependant, une telle pompe à chaleur ne peut fonctionner qu'à des températures extérieures non inférieures à plus cinq degrés Celsius.
Ces appareils électroménagers sont destinés à un usage intérieur uniquement.
L’installation d’une pompe à chaleur air-air est extrêmement simple. Il est nécessaire d'installer les blocs externes et internes, puis de les connecter entre eux avec un circuit avec liquide de refroidissement.
La première partie du système est installée à l'extérieur : directement sur la façade, sur le toit ou à côté du bâtiment. Le deuxième de la maison peut être placé au plafond ou au mur.
Il est recommandé d'installer l'unité extérieure à quelques mètres de l'entrée du chalet et à l'écart des fenêtres ; n'oubliez pas le bruit produit par le ventilateur.
Et l'intérieur est installé de manière à ce que le flux d'air chaud qui en émane se propage uniformément dans toute la pièce.
Si vous envisagez de chauffer une maison comportant plusieurs pièces réparties sur différents étages à l'aide d'une pompe à chaleur air-air, vous devrez installer un système de conduits de ventilation à air pulsé.
Dans ce cas, il est préférable de commander le projet auprès d'un ingénieur compétent, sinon la puissance du radiateur risque de ne pas suffire pour tous les locaux.
Le compteur électrique et le dispositif de protection doivent pouvoir résister aux pics de charge générés par la pompe à chaleur. Lorsqu'il y a une soudaine vague de froid à l'extérieur, le compresseur commence à consommer de l'électricité plusieurs fois plus que d'habitude.
Il est préférable de poser une conduite d'alimentation séparée du panneau de distribution pour un tel aérotherme.
Une attention particulière doit être portée à l'installation de tuyaux de fréon. Même les moindres éclats à l’intérieur peuvent endommager l’équipement du compresseur.
Ici, vous ne pouvez pas vous passer de compétences en soudure de cuivre. En général, le remplissage de réfrigérant doit être confié à un professionnel pour éviter des problèmes de fuite de réfrigérant ultérieurement.
Les instructions étape par étape pour fabriquer une pompe à chaleur à partir d'un réfrigérateur sont décrites dans Cet article.
Conclusions et vidéo utile sur le sujet
Principe de fonctionnement du système split thermique air-air :
Pompe à chaleur à air dans le système de chauffage d'une maison à deux étages :
Climatiseur Inverter ou pompe à chaleur à air : quel est le meilleur ?
Les pompes à chaleur air-air sont des appareils très efficaces. Ils sont faciles à entretenir, pratiques à utiliser et économiques.
Il existe désormais une vaste gamme de systèmes similaires en vente ; vous pouvez choisir une installation de chauffage pour n'importe quelle maison. Il vous suffit de calculer correctement sa puissance, il servira alors efficacement pendant de nombreuses années.
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En raison de la hausse constante des prix de l’énergie, nous avons finalement réfléchi à la manière dont nous pouvons utiliser la technologie pour économiser sur ce type de dépenses. Une pompe à chaleur aérothermique a aussi ses inconvénients, mais ils sont largement compensés par l’effet positif qu’elle apporte. Seul point négatif : si la région est dominée par des journées à basses températures, alors cette pompe n'est pas pour vous.
Nous avons de nombreux endroits avec un climat suffisamment chaud pour de telles pompes. Prenons l'exemple de la côte de la mer Noire : il n'y a pas de gel et l'approvisionnement en gaz, surtout dans les contreforts, est très cher. Ici, une telle pompe est parfaite !
Une pompe à chaleur air-air utilise l’atmosphère comme source d’énergie.C'est là que le chien est enterré, plus la température de l'air est basse, moins d'énergie est générée pour chauffer l'intérieur. Cette propriété limite l'utilisation rentable de la pompe aux zones avec t>-10 C. Si l'hiver est rigoureux dans votre région, faites attention à notre terre mère (en dessous du niveau de congélation), vous pouvez utiliser un plan d'eau à proximité ( rivière de préférence, lavage naturel des canalisations). C'est un coût supplémentaire, mais garder votre maison au chaud en vaut la peine.
Les pompes à chaleur ont une caractéristique : la plus grande efficacité est obtenue lorsque le liquide de refroidissement est chauffé à des températures relativement basses - environ 45 °C. Pour travailler avec des radiateurs de chauffage classiques, cette température n'est pas suffisante, ou il faudra installer de grosses batteries de 20 sections. Mais pour les planchers chauffants, cette température est parfaite. Dans les systèmes conventionnels (avec une chaudière à gaz par exemple), il est spécialement abaissé à de telles valeurs afin de ne pas surchauffer le sol et, par conséquent, la pièce.
Et Victor et Alexandre, vous n'avez pas tout à fait raison. Par exemple, une application rentable à -10 est une information obsolète. Les ingénieurs travaillent, inventent et ont désormais atteint un COP du système air-air > 3 à -15 degrés. Et le travail a été testé à des températures > -30 degrés (avec naturellement une légère diminution de l'efficacité et du COP). Autrement dit, cela sera rentable en quelques années maximum !
Ensuite, à propos du chauffage du liquide de refroidissement. Ici aussi, les ingénieurs ont travaillé dur. Par exemple, ils ont réussi à insérer des compresseurs plus puissants sur aimants en samarium dans la taille des anciennes unités (ce qui a immédiatement permis de réduire presque de moitié la consommation d'énergie avec la même puissance que les moteurs à cage d'écureuil), et l'efficacité a également augmenté grâce à l'utilisation des compresseurs scroll (de 10 pour cent).Les ailettes internes (!) des tuyaux de fréon et la tuyauterie à double rangée des radiateurs eux-mêmes (le dernier Daikin haut de gamme dispose d'un radiateur à cinq rangées de l'unité intérieure) ont permis de maximiser l'efficacité des radiateurs des deux les unités externes et internes. Tout cela a permis de réduire la différence de températures de fonctionnement entre les unités externes et internes, et d'augmenter par conséquent le COP. Et transférez également les pompes à chaleur vers la zone d’efficacité énergétique A+++ !
Ainsi, en été, vous disposerez d'un climatiseur très économique, ce qui accélère également le retour sur investissement !
Je voudrais poser une question : que se passe-t-il si vous placez l'unité extérieure sous terre et lui confectionnez une chemise d'eau, ou si vous la placez dans un récipient contenant de l'eau ?