Comment concevoir une pompe à chaleur

Indications générales sur la façon de concevoir une pompe à chaleur, accompagnées de références à un logiciel complet et fonctionnel. D'une excellente aide pour ceux qui doivent faire un choix du type de machine et de son bon dimensionnement.

La conception d'une pompe à chaleur est un processus fascinant qui combine des connaissances scientifiques, techniques et pratiques pour créer un système très efficace capable d'exploiter les ressources thermiques du milieu environnant pour chauffer ou rafraîchir les espaces de vie. Ce guide créé par Itieffe a été conçu pour offrir un aperçu complet et approfondi de ce sujet crucial dans le domaine du génie thermique et de l'efficacité énergétique.

Les pompes à chaleur représentent une solution durable pour chauffer et refroidir les bâtiments, car elles utilisent une quantité minimale d'électricité pour transférer la chaleur d'une source froide à une source chaude ou vice versa. Cette approche innovante réduit non seulement les coûts énergétiques, mais contribue également à atténuer l'impact environnemental en réduisant les émissions de gaz à effet de serre associées aux systèmes de chauffage et de refroidissement traditionnels.

Objectif du guide

Ce guide a été créé par Itieffe pour être un point de référence pour les ingénieurs, les concepteurs, les étudiants et les passionnés de l'industrie souhaitant comprendre en profondeur les principes de base et avancés de la conception des pompes à chaleur.

Nous commencerons par un aperçu des principales fonctionnalités et composants nécessaires à son fonctionnement.

La conception d’une pompe à chaleur est un processus multidisciplinaire qui nécessite une expertise en thermodynamique, dynamique des fluides, génie électrique et bien plus encore. Cependant, avec les connaissances et les conseils appropriés, il est possible de relever ce défi de manière efficace et durable.

J'espère que ce guide vous fournira une base solide pour comprendre et aborder la conception de pompes à chaleur avec confiance et succès. Bonne lecture et bon travail dans le monde fascinant et de plus en plus actuel des pompes à chaleur.

Comment fonctionne une pompe à chaleur et comment la dimensionner

Voulant réfléchir sur la technologie : "Pompes à chaleur", on constate qu'enfin en Italie, tous les techniciens ont commencé à faire des calculs en W ou kW.

Les BTU (British Thermal Units) ont enfin disparu et c'est ainsi qu'il faut voir que dans notre système (SI) les calculs sont strictement en W (ou kW).

Qu'est-ce qu'une pompe à chaleur

La pompe à chaleur est une machine constituée d'un circuit fermé à l'intérieur duquel circule un gaz réfrigérant, capable de soustraire de la chaleur d'un environnement pour la transférer dans un autre. par la chaleur latente d'évaporation et de condensation et par l'action du compresseur (rappelons qu'il n'y a pas de machines qui produisent du froid mais seulement celles qui soustraient de la chaleur).

En été, il extrait la chaleur de l'intérieur de la pièce via l'évaporateur et la transfère vers l'extérieur via le condenseur, provoquant une baisse de la température.

En hiver la situation est inversée, l'évaporateur devient un condenseur et inversement grâce à une vanne (quatre voies), il y aura donc une soustraction de chaleur de l'extérieur qui sera rejetée dans l'environnement provoquant une augmentation de la température (voir : Circuit frigorifique - Les bases).

Coefficient de performance

Ce transfert d'énergie amène la pompe à chaleur à multiplier l'énergie électrique utilisée par le système, ce qui se traduit par un coefficient de performance (COP - Coefficient of Performance) supérieur à un.
Grâce à son COP élevé, cette technologie est donc la solution idéale capable de concilier coûts et consommation d'énergie et durabilité environnementale. Chaque kW absorbé par la machine en fournit environ 3,5 à l'environnement (avec un COP égal à 3,5).

compresseur
condensateur
évaporateur
détendeur (plastifieuse)
vanne à quatre voies

La vanne à quatre voies permet à l'évaporateur et au condenseur d'échanger les rôles afin qu'en hiver le condenseur soit placé à l'intérieur de l'environnement, lui donnant la chaleur prélevée à l'extérieur par l'évaporateur. A l'inverse, en été, le condenseur restitue de la chaleur vers l'extérieur si l'évaporateur prélève de la chaleur à l'intérieur de l'environnement.

Il existe plusieurs variétés de pompes à chaleur qui diffèrent les unes des autres dans la façon dont les fluides sont échangés.

1 - Pompes à chaleur air-eau

C'est le plus courant pour les utilisateurs domestiques. Comme source d'énergie, l'air extérieur est utilisé. La chaleur absorbée de l'air extérieur par l'évaporateur est transférée à l'eau du circuit de chauffage.

La température externe optimale pour le fonctionnement régulier du système ne doit pas être inférieure à 2 ÷ 4 ° C.

En dessous de cette température, vous remarquerez des variations dans les performances de la machine proportionnelles à la température elle-même. Plus la température extérieure est basse, moins la machine fournira des performances acceptables.

Pompe à chaleur
kit hydronique
ballon d'eau chaude sanitaire
plancher radiant
radiateurs

Ce type de machine est proposé par les constructeurs dans diverses configurations.

Au niveau de l'usine, il existe des modèles monoblocs et split qui peuvent également être fournis avec un stockage intégré. La configuration de machine la plus couramment utilisée est la split car étant équipée d'un module hydraulique pouvant être installé sur le mur à l'intérieur de la maison, elle permet de minimiser la partie externe.

En termes de performances, il existe des modèles standards, pour les climats rudes, et pour les eaux à haute température.

2 - Pompes à chaleur eau-eau

L'eau est utilisée comme source d'énergie. Celui provenant des puits ou de la nappe phréatique peut être utilisé.

L'eau conserve une température stable tout au long de l'année (sa température est toujours largement supérieure à 4°C).

Cela implique de maintenir d'excellentes performances de fonctionnement de la machine en toute saison.

aquifère (ou puits)
Pompe à chaleur

3 - Pompes à chaleur géothermiques

Un autre système d'échange de chaleur sont les sondes géothermiques. Le sol a sa propre chaleur même en hiver.

Grâce à des sondes géothermiques placées en profondeur, il est possible de capter cette chaleur puis de la transférer à l'eau du circuit de chauffage (évidemment via la pompe à chaleur).

plancher radiant
réservoir de stockage
Pompe à chaleur
sonde géothermique

Quelle voiture choisir

Pour choisir la machine la mieux adaptée à vos besoins, les évaluations suivantes doivent être prises en considération : type, configuration, taille et installation.

1 - Typologie

Le choix du type de machine qui convient le mieux à vos besoins repose davantage sur la température à laquelle elle devra fonctionner, c'est-à-dire la température de refoulement requise par les bornes du circuit de chauffage.

Il existe sur le marché des machines fonctionnant à basse ou haute température. La sélection peut être faite sur la base du schéma suivant :

1 - Radiateur 2 - Ventilo-convecteur 3 - Système rayonnant

Température de fonctionnement 65°C Température de fonctionnement 50°C Température de fonctionnement 35°C

Machine haute température Machine standard ou climats froids Machine standard ou climats froids

Machines à haute température

Peut être utilisé à la place de la chaudière dans les habitations équipées de radiateurs avec une température de fonctionnement d'environ 65°C. Ils permettent de maintenir la distribution et les terminaux du système inchangés. Ces machines sont capables de produire de l'eau chaude jusqu'à 65°C. Le COP atteint est assez élevé. Ils viennent fonctionner avec des températures d'air extérieur jusqu'à -15°C.

Machines standards

Peut être utilisé dans les nouvelles installations et pour les maisons à faible consommation d'énergie. Ils sont capables de produire de l'eau chaude jusqu'à 55 ° C atteignant des valeurs COP élevées.
Bien que capables de produire de la chaleur avec des températures d'air extérieur jusqu'à -20°C, dans le cas de températures de conception rigides les performances doivent être vérifiées car en dessous de 2°C ces machines subissent une diminution significative des performances de la puissance réellement délivrée.

Machines pour climat froid

Peut être utilisé dans des environnements très froids. Ils sont l'option idéale pour garantir le maintien de la capacité de chauffage même à des températures très basses.
Ces machines sont capables de produire de la chaleur avec des températures de l'air extérieur aussi basses que -28°C.

Avec une température extérieure de -20°C, ils maintiennent constante la puissance réellement délivrée sans avoir besoin d'un surchauffeur électrique supplémentaire.

2 - Configuration

Afin de répondre à tous les besoins d'ingénierie et d'installation des installations, les pompes à chaleur sont produites avec différentes configurations : monobloc, split et tour également appelées "tout en un".

- Monobloc :

c'est le plus simple et le moins invasif à installer. C'est une seule unité qui doit être installée à l'extérieur de la maison, elle ne nécessite pas la création de raccordements dans le circuit de gaz qui arrive donc déjà complet et testé par le fabricant, facilitant l'installation.
Un inconvénient à considérer est celui de devoir réaliser les raccordements des conduites de refoulement et de retour de l'eau chaude à l'extérieur de l'habitation. En saison hivernale, des précautions doivent être trouvées pour éviter la formation de glace lorsque la machine est inopérante.

Des câbles chauffants pourraient également être utilisés, ce qui, cependant, diminue en fait les performances de la machine car ils s'ajoutent à la consommation d'électricité de la maison.

- Diviser:

c'est le plus répandu parmi ceux disponibles. Équipé d'un compresseur à installer à l'extérieur de la maison et d'un module hydraulique à installer à l'intérieur.
Le module hydraulique interne contient la partie condensation du fluide frigorigène et le refoulement de l'eau chaude donc il ne génère aucun bruit puisqu'il est sans compresseur.
Les dimensions sont également réduites, permettant une installation dans les espaces qui étaient auparavant occupés par la chaudière. Dans ce cas, cependant, l'installateur doit réaliser les raccordements départ et retour du circuit frigorifique entre les unités intérieure et extérieure.

A - groupe de condensation pour pompe à chaleur

B - module hydraulique

1 ÷ 2 - débit de gaz réfrigérant - tuyau de retour

3 - tuyau d'alimentation en eau chaude du système et de l'utilisateur (hiver)

4 - tuyau de retour d'eau chaude système et utilisateur (hiver)

Pour compléter les deux systèmes, il existe sur le marché des solutions complètes : groupe de condensation, module hydraulique, volant thermique (voir comment calculer un réservoir tampon) et ballon de stockage d'eau chaude sanitaire (ECS).

Cette solution implique un gain considérable en temps de mise en oeuvre et une faible possibilité de commettre des erreurs d'installation.

3 - Taille

Quelle taille la machine doit-elle avoir

Calcul de la puissance calorifique nominale

La pompe à chaleur doit réintégrer l'énergie thermique dispersée par le complexe afin de maintenir constante la température interne.

Trois méthodes sont indiquées ci-dessous qui peuvent aider à calculer la taille de machine la plus adaptée à ses besoins, même pour ceux qui ne sont pas vraiment dans le secteur.

1 - Première méthode

Il est nécessaire de disposer de données précises pour effectuer le calcul.

Cela commence par le besoin annuel en énergie thermique pour la climatisation hivernale.

ETH - Besoin annuel d'énergie thermique pour la climatisation hivernale : l'énergie thermique nécessaire, pendant la saison de chauffage, pour la climatisation hivernale. Disponible dans le Certificat de Performance Energétique (APE).

S - Surface utile : la surface nette praticable des pièces chauffées du bâtiment hors cloisons et murs extérieurs, y compris les seuils des portes et les espaces sous les terminaux du système. Disponible dans les données du projet de maison.
gg - Degrés jour: la somme des seules différences positives entre la température intérieure fixée conventionnellement à 20 ° C par rapport à celle extérieure, pendant une période de chauffage hivernal établie en fonction de la zone climatique du lieu lui-même. Disponible à l'annexe A du décret présidentiel 412/93 et révisions ultérieures (voir Zones climatiques e Données indicatives par pays).
T_{EST -} Température extérieure de conception (T₂) : la température extérieure minimale à laquelle le générateur de chaleur fournit l'énergie thermique dans tous les cas suffisante pour garantir que la température intérieure reste stationnaire. Les données sont disponibles en consultant la norme UNI 5364 et ses révisions ultérieures ou la norme UNI 10339 (voir Températures externes du projet).
h - Heures de fonctionnement journalières : les heures de fonctionnement journalières maximales du chauffage (voir Zones climatiques).

Après avoir obtenu ces données, il est possible de calculer la puissance calorifique nominale de la machine à l'aide de la formule suivante :

où:

P_tn = Puissance calorifique nominale de la machine en kW

ETH = Besoin annuel en énergie thermique pour la climatisation hivernale

S = Surface utile en m²

T₁ = Température interne en ° C

T₂ = Température extérieure en °C

gg = Degrés jour

h = heures de fonctionnement par jour.

Prenons un exemple

Pays = Rome (zone climatique D)
Degrés jour = 1415
Température extérieure de conception = 0 ° C
Surface utile = 90 m²
ETH = 75
h = 12

Application de la formule :

La puissance utile nominale de la machine est donc égale à 7,95 kW

Prenons un autre exemple :

Pays = Milan (zone climatique E)
Degrés jour = 2404
Température extérieure de conception = -5 ° C
Surface utile = 90 m²
ETH = 75
h = 16

Application de la formule :

Bien que cela puisse sembler étrange à certains, en analysant les données, il est à noter que la puissance thermique que la pompe à chaleur doit utiliser pour maintenir des valeurs de température optimales pour le même type d'environnements dans deux villes avec des températures différentes, à Rome est égale à 7,95 , 4,39 kW, tandis qu'à Milan, il est égal à XNUMX kW.

Voir: "Dimensionnement de la pompe à chaleur - méthode"

2 - Deuxième méthode

Il est possible de calculer le besoin annuel en énergie thermique pour la climatisation hivernale (ETH) en tenant compte des données de consommation indiquées sur la facture de gaz.

Pour réaliser cette opération, la consommation de gaz doit être disponible au moins sur les 4 dernières années consécutives afin d'obtenir une consommation moyenne fiable.

La formule suivante peut être appliquée :

où:

ETH = Besoin annuel en énergie thermique pour la climatisation hivernale

C = consommation de gaz exprimée en sm³ (mètre cube standard)

Q = puissance obtenue par sm³ (mètre cube standard) de gaz (9,6 kWh pour le méthane et 24,5 kWh pour le GPL).

remarque : le GPL est généralement acheté en litres. Il a un pouvoir calorifique inférieur de 12.790 6.500 W / kg - 24.500 XNUMX W / litre et XNUMX XNUMX W / sm³

η = efficacité de la chaudière (0,82 chambre ouverte - 0,86 chambre fermée - 0,97 condensation).

N = est le nombre d'utilisateurs pour la consommation ECS

500 = consommation énergétique annuelle par habitant pour la production d'ECS (eau chaude sanitaire) exprimée en kWh

S = surface utile : surface nette praticable des pièces chauffées du bâtiment.

Prenons un exemple

C = 833 m³

Q = 10,5 kW / H

h = 0,97

N = 4 personnes

ECS = consommation 500 kW/h

S = 90 m²

Application de la formule :

Avec la valeur ETH calculée de cette manière, il est possible, en utilisant la méthode précédente, de revenir à la puissance calorifique nominale (P._tn) de la machine exprimée en kW.

Voir: "Dimensionnement de la pompe à chaleur - méthode"

3 - Troisième méthode

Méthode qui prend en considération les facteurs environnementaux en donnant comme réponse l'exigence thermique nécessaire pour chaque environnement individuel.

Plus cher que les méthodes précédentes mais, à notre humble avis, le plus fiable et qui indique extrêmement le besoin de chaleur divisé pour chaque environnement.

Les temps de chauffage d'une pièce sont raccourcis, la vitesse de consigne est atteinte en premier mais cela implique évidemment une charge plus importante.

La valeur demandée doit être saisie dans chaque cellule. Il est nécessaire de saisir les dimensions réelles en largeur, longueur et hauteur de chaque pièce individuelle, l'exposition cardinale, le type de construction, la température extérieure. Les résultats peuvent être demandés dans les unités de mesure indiquées.

En saisissant le COP (Coefficient de Performance), il est également possible de tracer la consommation électrique en kW.

Le COP est un coefficient de performance et indique la qualité de la machine. Plus sa valeur est élevée, plus la machine fournira des performances élevées. En d'autres termes, si le COP est égal à 3.5, pour chaque kW d'énergie absorbée par la machine, elle fournira à l'environnement une énergie thermique égale à 3,5 kW dont 1 kW d'électricité consommée et 2,5 kW tirés du milieu extérieur.

Les classes d'efficacité énergétique selon les pompes à chaleur sont indiquées dans la directive européenne 2002/31/CE.

Voir: "Dimensionnement pompe à chaleur - calculateur"

3 - installation

Production d'ACS

Les pompes à chaleur standard et climat froid sont conçues pour fonctionner avec des fluides frigorigènes tels que R410 ou R32 (voir "Rapport de pression de température du réfrigérant") pour ceux de la dernière génération. Ils sont capables de produire de l'eau chaude jusqu'à 55°C et peuvent également être utilisés pour la production d'eau chaude sanitaire. En raison de la température inférieure à 60 ° C, ils ne sont pas en mesure d'effectuer les cycles de désinfection thermique nécessaires pour éviter la formation éventuelle de colonies bactériennes (légionelles).

Il est conseillé de les utiliser uniquement pour le chauffage et/ou le refroidissement (dans le cas d'une machine réversible), en laissant la production d'ECS à une unité indépendante plus spécifique, par exemple un chauffe-eau pompe à chaleur qui, grâce à l'utilisation du R134a réfrigérant est capable d'effectuer les cycles de désinfection.

Si, par contre, vous disposez d'une machine de production d'eau à haute température fonctionnant avec le réfrigérant R407C (ou avec une machine spécifique pour le chauffage et la production d'ECS au moyen d'un deuxième étage de compression avec du R134a), alors c'est possible et pratique pour maintenir toute la production de chaleur au sein d'une même unité.

Accumulation du volant thermique

Même si la pompe à chaleur est une machine modulante, il est toujours conseillé d'insérer un ballon tampon de compensation de charge thermique (ballon tampon ou volant thermique) dans le circuit pour les raisons suivantes :

assure des conditions de fonctionnement optimales de la pompe à chaleur en optimisant les cycles d'arrêt - démarrage (marche - arrêt) du compresseur avec une diminution conséquente de la consommation.

permet le raccordement entre différents circuits de chauffage.
il permet un découplage hydraulique entre la pompe à chaleur et l'installation afin que les deux circuits puissent fonctionner avec le débit et le différentiel de température les mieux adaptés. Les pompes à chaleur fonctionnent généralement avec DT = 5°C tandis que, selon les bornes du système présentes, le circuit de distribution pourrait fonctionner avec DT encore plus élevé.

Si la machine est équipée d'un compresseur scroll (on - off), la mémoire inertielle est obligatoire. Le dimensionnement type du volume de stockage peut être obtenu directement à partir du "Calcul du réservoir inertiel« Et c'est un minimum de 5.5 litres par kW de puissance calorifique pouvant être fournie par la machine.

Vase d'expansion

Le vase d'expansion est un « poumon » qui est relié au réseau d'eau ; sert à supporter la variation de volume causée par le chauffage/refroidissement de l'eau à l'intérieur du système (voir "Masse et volume d'eau". Cela élimine les désagréments désagréables dus aux brusques augmentations de pression telles que : l'ouverture des soupapes de sécurité ou la rupture des joints et des tuyaux de distribution.

Pour dimensionner un vase d'expansion, se référer au programme : "Calcul du volume du vase d'expansion ».

Pour connaître les litres d'eau circulant à l'intérieur du système, reportez-vous au programme : "Calcul du volume d'eau du système ».

Alimentation

Pour la partie électrique du système, pour concevoir les lignes électriques, vous pouvez utiliser le programme : Dimensionnement des câbles électriques - calculatrice.

Pour décider d'adopter un système monophasé ou triphasé, se référer au programme suivant : Calcul des courants de puissance et de moteur

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