Pompe à chaleur - Heat pump

Échangeur de chaleur externe d'une pompe à chaleur aérothermique

Une pompe à chaleur est un dispositif utilisé pour réchauffer et parfois aussi refroidir des bâtiments en transférant l' énergie thermique d'un espace plus frais vers un espace plus chaud en utilisant le cycle de réfrigération , étant la direction opposée dans laquelle le transfert de chaleur aurait lieu sans l'application d'une alimentation externe. Les types d'appareils courants comprennent les pompes à chaleur à air , les pompes à chaleur géothermiques , les pompes à chaleur à eau et les pompes à chaleur à air extrait . Les pompes à chaleur sont également souvent utilisées dans les systèmes de chauffage urbain .

L'efficacité d'une pompe à chaleur est exprimée en coefficient de performance (COP), ou coefficient de performance saisonnier (SCOP). Plus le nombre est élevé, plus une pompe à chaleur est efficace et moins elle consomme d'énergie. Lorsqu'ils sont utilisés pour le chauffage des locaux, ces appareils sont généralement beaucoup plus éconergétiques que les simples radiateurs électriques à résistance . Les pompes à chaleur ont une empreinte carbone plus faible que les systèmes de chauffage utilisant des combustibles fossiles tels que le gaz naturel , mais ceux alimentés à l'hydrogène sont également à faible émission de carbone et peuvent devenir des concurrents.

Histoire

Jalons :

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

Les types

Unité extérieure de la pompe à chaleur aérothermique fonctionnant dans des conditions de gel

Pompe à chaleur aérothermique

Les pompes à chaleur aérothermiques sont utilisées pour déplacer la chaleur entre deux échangeurs de chaleur, l'un à l'extérieur du bâtiment qui est équipé d'ailettes à travers lesquelles l'air est forcé à l'aide d'un ventilateur et l'autre qui chauffe directement l'air à l'intérieur du bâtiment ou chauffe l'eau qui est ensuite mise en circulation autour du bâtiment grâce à des émetteurs de chaleur qui libèrent la chaleur dans le bâtiment. Ces appareils peuvent également fonctionner en mode froid où ils extraient la chaleur via l'échangeur de chaleur interne et l'éjectent dans l'air ambiant à l'aide de l'échangeur de chaleur externe. Ils sont normalement également utilisés pour chauffer l'eau de lavage qui est stockée dans un ballon d'eau chaude sanitaire.

Les pompes à chaleur à air sont relativement faciles et peu coûteuses à installer et ont donc été historiquement le type de pompe à chaleur le plus largement utilisé. Par temps doux, le COP peut être d'environ 4,0, tandis qu'à des températures inférieures à environ 0 °C (32 °F), une pompe à chaleur aérothermique peut toujours atteindre un COP de 2,5. Le COP moyen sur la variation saisonnière est généralement de 2,5 à 2,8, avec des modèles exceptionnels capables de dépasser cela dans les climats doux.

Pompe à chaleur géothermique (solaire)

Une pompe à chaleur géothermique (anglais nord-américain ) ou géothermique ( anglais britannique ) tire la chaleur du sol ou des eaux souterraines qui restent à une température relativement constante toute l'année en dessous d'une profondeur d'environ 30 pieds (9,1 m). Une pompe à chaleur géothermique bien entretenue aura généralement un COP de 4,0 au début de la saison de chauffage et un COP saisonnier d'environ 3,0 lorsque la chaleur est extraite du sol. Les pompes à chaleur géothermiques sont plus chères à installer en raison de la nécessité de percer des trous de forage pour le placement vertical de la tuyauterie de l'échangeur de chaleur ou le creusement de tranchées pour le placement horizontal de la tuyauterie qui transporte le fluide caloporteur (eau avec un peu d'antigel).

Une pompe à chaleur géothermique peut également être utilisée pour refroidir les bâtiments pendant les journées chaudes, transférant ainsi la chaleur de l'habitation dans le sol via la boucle souterraine. Des capteurs solaires thermiques ou des tuyaux placés dans le tarmac d'un parking peuvent également être utilisés pour reconstituer la chaleur souterraine.

Pompe à chaleur air extrait

Les pompes à chaleur à air extrait extraient la chaleur de l'air extrait d'un bâtiment et nécessitent une ventilation mécanique . Il existe deux classes de pompes à chaleur air extrait.

  • Les pompes à chaleur air-air extrait transfèrent la chaleur à l'air aspiré.
  • Les pompes à chaleur air-eau extraits transfèrent la chaleur à un circuit de chauffage qui comprend un ballon d'eau chaude sanitaire.

Pompe à chaleur solaire

Une pompe à chaleur à assistance solaire est une machine qui représente l'intégration d'une pompe à chaleur et de panneaux solaires thermiques dans un seul système intégré. Typiquement, ces deux technologies sont utilisées séparément (ou fonctionnent 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. L'objectif de ce système est d'obtenir un COP élevé, puis de produire de l'énergie de manière plus efficace et moins coûteuse.

Pompe à chaleur eau chaude

Échangeur de chaleur à eau en cours d'installation

Une pompe à chaleur à eau fonctionne de la même manière qu'une pompe à chaleur géothermique, sauf qu'elle prend la chaleur d'un plan d'eau plutôt que du sol. Le plan d'eau doit cependant être suffisamment grand pour pouvoir résister à l'effet de refroidissement de l'unité sans geler ou créer un effet néfaste pour la faune.

Pompe à chaleur hybride

Les pompes à chaleur hybrides (ou jumelées) puisent la chaleur de différentes sources en fonction de la température de l'air extérieur. Lorsque l'air extérieur est supérieur à 4 à 8 degrés Celsius (40 à 50 degrés Fahrenheit, selon la température de la nappe phréatique), ils utilisent de l'air ; à des températures plus froides, ils utilisent la source souterraine. Ces systèmes à double source peuvent également stocker la chaleur estivale en faisant circuler de l'eau de source souterraine dans l'échangeur d'air ou dans l'échangeur de chaleur du bâtiment, même lorsque la thermopompe elle-même ne fonctionne pas. Cela présente deux avantages : il fonctionne comme un système peu coûteux pour le refroidissement de l'air intérieur 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 d'élévation de température de la source au sol.

Applications

L' Agence internationale de l'énergie a estimé qu'en 2011, il y avait 800 millions de pompes à chaleur installées sur Terre. Ils sont utilisés dans des climats avec des besoins modérés de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) et peuvent également fournir des fonctions d'eau chaude domestique et de séchage du linge. Les frais d'achat sont pris en charge dans divers pays par des remises aux consommateurs.

Chauffage et refroidissement des bâtiments et des véhicules

Dans les applications CVC, une pompe à chaleur est généralement un dispositif de réfrigération à compression de vapeur qui comprend une vanne d'inversion et des échangeurs de chaleur optimisés afin que la direction du flux de chaleur (mouvement de l'énergie thermique) puisse être inversée. La vanne d'inversion change la direction du réfrigérant tout au long du cycle et, par conséquent, la pompe à chaleur peut fournir du chauffage ou du refroidissement à un bâtiment. Dans les climats plus froids, le réglage par défaut de la vanne d'inversion est le chauffage.

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

Chauffage à 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 à usage domestique et industriel. 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 source de chaleur pour le chauffage urbain . Les sources de chaleur possibles pour de telles applications sont les eaux usées , l'eau ambiante (par exemple, l'eau de mer, de lac et de rivière), la chaleur résiduelle industrielle , l'énergie géothermique , les gaz de combustion , la chaleur résiduelle du refroidissement urbain et la chaleur du stockage de chaleur solaire . En Europe, plus de 1500 MW ont été installés depuis les années 1980, dont environ 1000 MW étaient utilisés en Suède en 2017. Les pompes à chaleur à grande échelle pour le chauffage urbain combinées au stockage d'énergie thermique offrent une grande flexibilité pour l'intégration des énergies renouvelables variables. Par conséquent, ils sont considérés comme une technologie clé pour les systèmes énergétiques intelligents avec des parts élevées d' énergie renouvelable jusqu'à 100 % et des systèmes de chauffage urbain avancés de 4e génération. Ils sont également un élément crucial des systèmes de chauffage urbain froid .

Chauffage industriel

Il existe un grand potentiel de réduction de la consommation d'énergie et des émissions de gaz à effet de serre associées dans l'industrie grâce à l'utilisation de pompes à chaleur industrielles. Un projet de collaboration internationale achevé en 2015 a collecté au total 39 exemples de projets de R&D et 115 études de cas dans le monde. L'étude montre que de courtes périodes d'amortissement de moins de 2 ans sont possibles, tout en atteignant une forte réduction des émissions de CO2 (dans certains cas plus de 50 %).

Performance

Lorsque l'on compare les performances des pompes à chaleur, le terme « performance » est préféré à « l'efficacité », le coefficient de performance (COP) étant utilisé pour décrire le rapport entre le mouvement de chaleur utile et l'apport de travail. Un appareil de chauffage à résistance électrique a un COP de 1,0, ce qui est considérablement inférieur à celui d'une pompe à chaleur bien conçue qui se situe généralement entre 3 et 5 COP avec une température externe de 10 °C et une température interne de 20 °C. Une pompe à chaleur géothermique est généralement plus performante qu'une pompe à chaleur aérothermique.

Le « coefficient de performance saisonnier » (SCOP) est une mesure de la mesure globale de l'efficacité énergétique sur une période d'un an qui est très dépendante du climat de la région. Un cadre pour ce calcul est donné par le règlement (UE) n° 813/2013 de la Commission :

Aux États-Unis, les performances de fonctionnement d'une pompe à chaleur en mode refroidissement sont caractérisées soit par son ratio d'efficacité énergétique (EER) soit par son ratio d'efficacité énergétique saisonnier (SEER), qui ont tous deux des unités de BTU/(h·W) (notez que 1 BTU/ (h·W) = 0,293 W/W) et des valeurs plus élevées indiquent de meilleures performances. Les performances réelles varient et dépendent de nombreux facteurs tels que les détails de l'installation, les différences de température, l'élévation du site et la maintenance.

Variation du COP avec la température de sortie
Type de pompe et source Utilisation typique 35 °C
(par ex. chape chauffante )
45 °C
(par ex. chape chauffante)
55 °C
(par ex. plancher chauffant en bois)
65 °C
(ex : radiateur ou ECS )
75 °C
(par exemple radiateur et eau chaude sanitaire)
85 °C
(par ex. radiateur et eau chaude sanitaire)
Pompe à chaleur aérothermique à haut rendement (ASHP), air à −20 °C 2.2 2.0
ASHP à deux étages, air à −20 °C Basse température de la source 2.4 2.2 1.9
ASHP haute efficacité, air à 0 °C Basse température de sortie 3.8 2.8 2.2 2.0
Prototype de CO transcritique
2
(R744) pompe à chaleur avec refroidisseur de gaz tripartite, source à 0 °C
Température de sortie élevée 3.3 4.2 3.0
Pompe à chaleur géothermique (GSHP), eau à 0 °C 5.0 3.7 2.9 2.4
GSHP, broyé à 10 °C Basse température de sortie 7.2 5.0 3.7 2.9 2.4
Limite théorique du cycle de Carnot , source −20 °C 5.6 4.9 4.4 4.0 3.7 3.4
Limite théorique du cycle de Carnot , source 0 °C 8.8 7.1 6.0 5.2 4.6 4.2
Limite théorique du cycle de Lorentzen ( CO
2
pompe), retour fluide 25 °C, source 0 °C
10.1 8.8 7.9 7.1 6.5 6.1
Limite théorique du cycle de Carnot , source 10 °C 12.3 9.1 7.3 6.1 5.4 4.8

Opération

Figure 2 : Diagramme température-entropie du cycle de compression de vapeur.
Une vue interne de l'unité extérieure d'une pompe à chaleur aérothermique Ecodan

La compression de vapeur utilise un réfrigérant liquide en circulation comme moyen qui absorbe la chaleur d'un espace, la comprime, augmentant ainsi sa température avant de la relâcher dans un autre espace. Le système comporte normalement 8 composants principaux : un compresseur , un réservoir, une vanne d'inversion qui sélectionne entre le mode chauffage et refroidissement, deux détendeurs thermiques (un utilisé en mode chauffage et l'autre en mode refroidissement) et deux échangeurs de chaleur, l'un associé à la source/puits de chaleur externe et l'autre à l'intérieur. En mode chauffage, l'échangeur de chaleur externe est l'évaporateur et l'échangeur interne est le condenseur ; en mode refroidissement, les rôles sont inversés.

Le réfrigérant en circulation pénètre dans le compresseur dans l'état thermodynamique connu sous le nom de vapeur saturée et est comprimé à une pression plus élevée, ce qui entraîne également une température plus élevée. La vapeur chaude et comprimée est alors dans l'état thermodynamique connu sous le nom de vapeur surchauffée et elle est à une température et une pression auxquelles elle peut être condensée avec de l'eau de refroidissement ou de l'air de refroidissement circulant à travers le serpentin ou les tubes. En mode chauffage, cette chaleur est utilisée pour chauffer le bâtiment à l'aide de l'échangeur de chaleur interne, et en mode de refroidissement, cette chaleur est rejetée via l'échangeur de chaleur externe.

Le réfrigérant liquide condensé, à l'état thermodynamique dit liquide saturé , est ensuite acheminé à travers un détendeur où il subit une brusque réduction de pression. Cette réduction de pression entraîne l' évaporation flash adiabatique d'une partie du réfrigérant liquide. L'effet d'auto-réfrigération de l'évaporation flash adiabatique abaisse la température du mélange réfrigérant liquide et vapeur à un niveau plus froid que la température de l'espace clos à réfrigérer.

Le mélange froid est ensuite acheminé à travers le serpentin ou les tubes dans l'évaporateur. Un ventilateur fait circuler l'air chaud dans l'espace clos à travers le serpentin ou les tubes transportant le liquide réfrigérant froid et le mélange de vapeur. Cet air chaud évapore la partie liquide du mélange réfrigérant froid. En même temps, l'air circulant est refroidi et abaisse ainsi la température de l'espace clos à la température souhaitée. L'évaporateur est l'endroit où le réfrigérant en circulation absorbe et élimine la chaleur qui est ensuite rejetée dans le condenseur et transférée ailleurs par l'eau ou l'air utilisé dans le condenseur.

Pour terminer le cycle de réfrigération , la vapeur de réfrigérant de l'évaporateur est à nouveau une vapeur saturée et est renvoyée dans le compresseur.

Au fil du temps, l'évaporateur peut recueillir de la glace ou de l'eau provenant de l' humidité ambiante . La glace est fondue grâce au cycle de dégivrage . L'échangeur de chaleur interne est utilisé soit pour chauffer/refroidir l'air intérieur directement, soit pour chauffer de l'eau qui circule ensuite à travers des radiateurs ou un circuit de chauffage par le sol pour chauffer ou refroidir les bâtiments.

Choix du réfrigérant

Jusqu'aux années 1990, les pompes à chaleur, ainsi que les réfrigérateurs et autres produits connexes, utilisaient des chlorofluorocarbures (CFC) comme réfrigérants qui causaient des dommages importants à la couche d'ozone lorsqu'ils étaient rejetés dans l' atmosphère . L'utilisation de ces produits chimiques a été interdite ou sévèrement restreinte par le Protocole de Montréal d'août 1987. Les substituts, y compris le R-134a et le R-410A , sont des hydrofluorocarbures aux propriétés thermodynamiques similaires avec un potentiel d'appauvrissement de la couche d'ozone insignifiant, mais un potentiel de réchauffement planétaire problématique . Le HFC est un puissant gaz à effet de serre qui contribue au changement climatique. Les réfrigérateurs plus récents incluent le difluorométhane (R32) et l' isobutane (R600A) qui n'appauvrissent pas l'ozone et sont également beaucoup moins nocifs pour l'environnement. L'éther diméthylique (DME) a ​​également gagné en popularité en tant que réfrigérant.

Incitatifs gouvernementaux

Royaume-Uni

A partir de 2021 : les pompes à chaleur sont taxées au taux réduit de 5% au lieu du niveau habituel de TVA de 20% pour la plupart des autres produits.

États Unis

Crédits d'énergie alternative dans le Massachusetts

L'Alternative Energy Portfolio Standard (APS) a été développée en 2008 pour exiger qu'un certain pourcentage de l'approvisionnement en électricité du Massachusetts provienne de sources d'énergie alternatives spécifiques. En octobre 2017, le Massachusetts Department of Energy (DOER) a rédigé des règlements, conformément au chapitre 251 des lois de 2014 et au chapitre 188 des lois de 2016, qui ont ajouté l'énergie thermique renouvelable, les piles à combustible et l'énergie thermique des déchets à la APS.

Les crédits d'énergie alternative (AEC) sont délivrés à titre d'incitation aux propriétaires d'installations d'énergie thermique renouvelable éligibles, à raison d'un crédit par mégawattheure équivalent (MWhe) d'énergie thermique produite. Les fournisseurs d'électricité au détail peuvent acheter ces crédits pour se conformer aux normes de conformité APS. L'APS étend les mandats renouvelables actuels à un plus large éventail de participants, alors que l'État continue d'élargir son portefeuille de sources d'énergie alternatives.

Les références

Liens externes