Dossier technique. Pompes à chaleur. Vitocal - un chauffage d avenir avec la chaleur de la nature.

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1 Dossier technique Pompes à chaleur Vitocal - un chauffage d avenir avec la chaleur de la nature.

2 Les pompes à chaleur utilisent l'énergie renouvelable de l environnement. La chaleur du soleil, stockée dans le sol, la nappe phréatique et l'air, se transforment en un chauffage confortable grâce à l'énergie électrique. Les pompes à chaleur Vitocal sont à ce point efficaces qu'elles peuvent être utilisées toute l'année comme source de chaleur.

3 Table des matières 1 Introduction Page L'évolution du marché 1.2 Les pompes à chaleur respectent l'environnement 1.3 Domaines d'application des pompes à chaleur 2 Bases Page Principe de Base 2.2 Modèles Pompes à chaleur à compression Pompes à chaleur à sorption Pompes à chaleur Vuilleumier 2.3 Paramètres 3 Technique des pompes à chaleur Page Composants des pompes à chaleur électriques à compression Compresseur Échangeur de chaleur Échangeur de chaleur par gaz aspirés Régulation 3.2 Sources de chaleur Source de chaleur sol Source de chaleur eau Source de chaleur air 3.3 Refroidir avec des pompes à chaleur à compression Réversibilité Natural cooling Refroidissement des locaux : l'air ou l'eau en tant que vecteur de chaleur? 3.4 Fonctionnement des pompes à chaleur Fonctionnement monovalent Fonctionnement monoénergétique Fonctionnement bivalent Tampon 3.5 Production d'eau chaude 4 Utilisation des pompes à chaleur Page Pompes à chaleur pour modernisation Cycle EVI Vitocal Domaine d application élargi 4.2 Pompes à chaleur dans les maisons à faibles besoins énergétiques et maisons passives Maisons à faibles besoins énergétiques Vitocal Vitocal Maisons passives Vitotrol Pompes à chaleur pour grands immeubles Pompes à chaleur à deux compresseurs Vitocal 300 pour des puissances plus importantes 4.4 Prise en compte des pompes à chaleur selon la PEB Influence de la source de chaleur sur les coûts d'investissement de l'installation Chauffage électrique décentralisé de l eau sanitaire 4.5 Rendement des pompes à chaleur 4.6 Installation et fonctionnement Dimensionnement Supplément pour le chauffage de l eau sanitaire 4.7 Subventions 5 Sommaire Page 43

4 1 Introduction 1 Introduction En raison de la conscience écologique grandissante, l'utilisation de l'énergie renouvelable gagne de plus en plus en popularité. Dans le cadre de ce développement, les pompes à chaleur connaissent une renaissance. Les défauts techniques qui ont stoppé l'élan de la première génération des années '80, ont maintenant disparu. Aujourd'hui, les pompes à chaleur sont des systèmes de chauffage fiables, économiques, tournés vers le futur sans oublier qu'ils sont particulièrement écologiques. Ce dossier technique dénonce les principes de base essentiels de la technologie des pompes à chaleur, avec un aperçu des différentes variantes techniques et un éclaircissement au sujet des aspects importants de leur utilisation. Figure 1 : Nouvelles installations de pompes à chaleur, par an, en Allemagne (source : groupement allemand de professionnels de la PAC) 1.1 L'évolution du marché En Suisse, à l'heure actuelle, une nouvelle construction sur trois est déjà équipée d'une pompe à chaleur électrique. En Suède, cela concerne déjà 7 nouvelles constructions sur 10. De même, les taux de croissance pour le marché allemand sont considérables, comme la figure 1 le montre. Le point capital des nouvelles installations se situe au niveau des pompes à chaleur saumure/eau (figure 2), qui tirent leur chaleur du sol. Dès lors, même pendant la saison froide, un fonctionnement monovalent sans source de chaleur complémentaire est possible. Pour les pompes à chaleur air/eau, on constate également une tendance à la croissance (figure 3), puisque celles-ci sont moins chères et plus faciles à installer. En Suisse, 60% des nouvelles installations sont de ce type. Figure 2 : Pompe à chaleur Vitocal 300 saumure/eau et eau/eau

5 Introduction 1.2 Les pompes à chaleur sont écologiques Les combustibles fossiles, tels que le fioul et le gaz, sont limités dans le temps. Les hommes prennent de plus en plus conscience de ce fait et donc, ils sont chaque jour plus nombreux à essayer d'utiliser des sources d'énergie renouvelable pour le chauffage. De même, au niveau politique, de nombreuses mesures sont prises afin de gérer au mieux les combustibles fossiles. En marge de l'épuisement des réserves, la protection du climat joue également un rôle prépondérant. La réduction des émissions de CO 2 et des gaz à effet de serre doit être réalisée d'urgence si on veut s'attaquer au danger imminent des changements climatiques. Maison Passive Maisons à faible besoins énergétique Maisons plurifamiliales Réserve Immeuble de bureaux Exploitation de la chaleur de processus Réseaux de chauffage à distance Températures de départ élevées Tableau 1 : Tableau de sélection Chauffer Refroidir Aération accrue Tous ces arguments plaident pour l'utilisation de ressources d'énergie renouvelable. La pompe à chaleur est une solution particulièrement optimisée de la consommation énergétique tant pour le chauffage d'une habitation que pour le chauffage de l'eau sanitaire. 1.3 Domaines d'application des pompes à chaleur Les pompes à chaleur sont adaptées pour le chauffage de tous les types de bâtiments : maisons unifamiliales et plurifamiliales, hôtels, hôpitaux, écoles, immeubles de bureaux et bâtiments industriels tant pour les nouvelles constructions que pour la rénovation des bâtiments existants. Pour répondre aux exigences requises dans le cadre d'une maison passive, l'installation d'une pompe à chaleur est incontournable. Comme pour les installations de chauffage traditionnelles, il existe des pompes à chaleur adaptées à tous les domaines d'application (tableau 1). Figure 3 : Pompes à chaleur Vitocal 300

6 2 Bases 2.1 Principe de Base Chaque pompe à chaleur, indépendamment de son modèle, peut être considérée comme une installation dans laquelle un vecteur de chaleur adapté s'évapore par le prélèvement de l'énergie environnementale. Le fluide de travail est comprimé à l'aide d'une énergie complémentaire et amené à un niveau de température en fonction des besoins calorifiques (figure 4). Énergie motrice (Électricité) Chaleur environnante (sol, eau, air) Chaleur de chauffage Le type de fonctionnement dépend du modèle spécifique de la pompe à chaleur. Pour les pompes à chaleur qui sont utilisées aujourd'hui pour le chauffage, un fluide de travail adapté est toujours comprimé et détendu, de façon à ce qu'il se produise l'alternance souhaitée entre l'absorption de chaleur et le dégagement de chaleur (figure 5). Figure 4 : Principe de la pompe à chaleur Condensateur Chaleur de chauffage 2.2 Modèles Selon leur modèle et leur principe de fonctionnement, les pompes à chaleur peuvent être réparties en : Soupape de détente Compresseur Scroll Pompes à chaleur à compression Pompes à chaleur à sorption (réparties en Pompes à chaleur à sorption et à adsorption) Pompes à chaleur Vuilleumier Chaleur environnante En outre, il existe encore d'autres solutions techniques, comme par exemple, la thermopompe à chaleur électrique. Toutefois, sous peu, celles-ci ne joueront probablement plus un rôle important pour le chauffage des bâtiments ou de l'eau sanitaire. Figure 5 : Circuit de la pompe de chaleur Évaporateur

7 Principes de Base Pompe à chaleur à compression Les pompes à chaleur à compression sont considérées comme étant à la pointe de la technologie et, dès lors, sont également les plus répandues. Elles fonctionnent comme un réfrigérateur usuel - avec toutefois, un résultat inverse (chauffer à la place de refroidir). Condensateur (3) Dégagement de chaleur (côté système de chauffage) Côté secondaire Pompes à chaleur électriques à compression Lors du prélèvement de la chaleur environnante, le fluide de travail (l'agent frigorigène) se trouve, à basse pression, du côté primaire (côté froid) dans l'évaporateur (1). La température environnementale extérieure autour de l'évaporateur est plus élevée que la température d ébullition du fluide de travail pour la pression produite, de sorte que le fluide de travail s'évapore et ainsi, la chaleur est soustraite de l'environnement. De ce fait, le niveau de la température peut parfaitement se trouver sous 0 C. Le compresseur (2) aspire le fluide de travail évaporé et le comprime, ce qui fait grimper la pression et la température de la vapeur (comme lors de l'utilisation d'une pompe à vélo). Le fluide de travail sous forme gazeuse se retrouve, par l'intermédiaire du compresseur, dans le côté secondaire (côté chaleur côté système de chauffage) dans le condensateur (3) arrosé par l'eau de chauffage. La température de l'eau est inférieure à la température de condensation du fluide de travail, de sorte que la vapeur est refroidie et redevient liquide. La chaleur qui est recueillie dans l'évaporateur est transmise à l'eau de chauffage, conjointement à l'énergie qui a été ajoutée lors de la compression. Soupape de Compresseur (2) détente Figure 6 : Évaporateur (1) Admission de chaleur (environnement) Côté primaire Schéma de fonctionnement d'une pompe à chaleur (pour une animation du fonctionnement du processus, se référer à l'adresse Ensuite, le fluide de travail est renvoyé, par l'intermédiaire d'une soupape de détente (4), vers l'évaporateur. Avec cela, il se produit une détente de la haute pression du condensateur vers la basse pression de l'évaporateur. Le cercle est fermé.

8 Principes de Base L'agent frigorigène adapté, par ex. le R 407C est constitué d'un mélange ternaire. En outre, chaque substance possède sa propre température d'évaporation. L'évaporation complète (à 100%) de chacun des composants est garantie par l'utilisation d'un échangeur de chaleur par gaz aspirés. De ce fait, aucun liquide ne pénètre dans le compresseur et le rendement du circuit de froid est plus élevé. Condensateur Dégagement de chaleur (côté système de chauffage) Évaporateur Le principe se fonde sur le fait qu'une partie de la chaleur encore contenue dans le fluide de travail est transférée, par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur complémentaire du côté vapeur (devant le compresseur). Par là, les gouttes de liquide résiduelles s'évaporent. Ce transfert thermique conduit à une surpression du côté froid et à une réduction de pression du côté chaud. Cette réduction de la pression différentielle entre les deux côtés a pour effet qu'un moindre travail de compression doit être fourni. La consommation d électricité baisse et le rendement de la pompe à chaleur augmente de 5% (figure 7). Soupape de détente Figure 7 : Évaporateur Échangeur de chaleur par gaz aspirés Surchauffe Admission de chaleur (environnement) Pompe à chaleur avec échangeur de chaleur par gaz aspirés pour la surchauffe de l'agent frigorigène. (pour une animation du fonctionnement du processus, se référer à l'adresse

9 Principes de Base Les pompes à chaleur modernes qui sont alimentées par le réseau électrique, couvrent environ trois quart de la chaleur de chauffage environnante. Le quart restant est fourni par le courant électrique au compresseur. Parce que cette énergie électrique se transforme - in fine - également en chaleur, elle peut également être utilisée pour le chauffage. Le rendement (COP) se calcule selon le rapport entre la chaleur utile (y compris la chaleur provenant de l'apport d'électricité au compresseur), divisée par la consommation d'énergie (l'apport d'électricité) et dans le cas présent : (3 + 1)/ 1 = 4. Ce rapport décrit l'efficacité de la pompe à chaleur (figure 9). Lorsqu'un courant électrique provenant de sources renouvelables est utilisé, comme c'est le cas pour les fournisseurs d'énergie qui le proposent spécialement pour les pompes à chaleur, la chaleur de chauffage peut être constituée entièrement de sources renouvelables. Dans ce cas, la pompe à chaleur est, en marge de l'énergie solaire, le seul système de chauffage qui ne libère aucune émission de CO 2. Puissance électrique dépensée Puissance calorifique Puissance de chauffage de l'environnement : utile : Rendement (COP) Rendement = Rendement annuel = Figure 9 : Distribution du rendement Puissance de chauffage utile Puissance électrique dépensée information du fabricant, valeur de laboratoire selon DIN EN rapport de la chaleur gagnée sur une année entière, divisée par l'énergie utilisée

10 Principes de Base Diagramme h, log pour pompes à chaleur Les valeurs pour la température et la pression d'un cycle mono-étagé sont généralement présentées sous la forme d'un "diagramme h, log". Pour le processus de base d'une pompe à chaleur, les étapes séparées sont illustrées par les lignes - évaporation (1-2), compression (2-3), condensation (3-4) et expansion (4-1) à la figure 10. En outre, le rendement ε peut être déterminé : il traduit le rapport de la puissance de chauffage utile du moment sur la puissance électrique absorbée. La plus grande partie du transfert thermique au système de chauffage a lieu dans la partie encadrée rouge de la vapeur du fluide de travail (figure 10). Donc, dans cet exemple, la température maximale correcte est à environ 45 C, pour une température d'entrée d'air de -10 C. En théorie, des températures plus élevées peuvent être atteintes lorsque l'agent frigorigène est encore plus comprimé (prolongement de l'étape de processus 2-3 va plus loin que le point 3) (voir 3.1.3). Tableau de performance Les tableaux de performance montre le lien entre la puissance calorifique, la puissance de réfrigération et la puissance électrique d'une part et les conditions de température d'autre part (température d'entrée du "fluide source" et la température de départ du chauffage). Dans l'exemple de la figure 11, une pompe à chaleur possède une puissance de réfrigération de QK = 8,4 kw pour des températures B 0/W 35 (B 0 = température de départ saumure de 0 C, W 35 = température de sortie eau de chauffage de 35 C). La puissance électrique mesurée est de 2,4 kw, de sorte que la puissance de chauffage, la somme des deux, produit au total 10,8 kw. A partir de ces diagrammes, il est par conséquent, possible de déterminer, pour diverses températures de départ, la puissance calorifique que la pompe à chaleur met à disposition ainsi que la puissance de réfrigération requise. Pression p absolue [bars] Figure 10 : Puissance [kw] Puissance de chauffage Puissance de réfrigération Puissance électrique mesurée Enthalpie h [kj/kg] Vapeur Condensation Evaporation Compression vapeur surchauffée Le cycle d'une pompe à chaleur air/eau traditionnelle dans le "diagramme h, log" (représentation simplifiée pour une température extérieure de -10 C (entrée d'air) et 45 C de température de départ). Figure 11 : Vitocal 300, Type BW 110 Expansio n

11 Principes de Base Pompe à chaleur à compression entraînée par moteur à gaz En principe, les pompes à chaleur à compression peuvent également être alimentées en gaz naturel, gasoil ou biomasse (huile de colza, biogaz). Pour la mise en marche du compresseur, un moteur à combustion est utilisé. En sus des frais complémentaires pour l'insonorisation du moteur à combustion de même que pour le conduit d'évacuation des fumées, il faut également prévoir un approvisionnement en carburant. Pour les pompes à chaleur à compression au gaz, l'utilisation de l'énergie primaire est plus avantageuse que dans le cas des pompes à chaleur électriques parce que la chaleur perdue du processus de combustion peut être utilisée pour le chauffage, alors que celle perdue lors de la production d'électricité retourne en général dans l'environnement Pompes à chaleur à sorption Par absorption, il faut entendre les processus physicochimiques pendant lesquels un liquide ou un gaz est recueilli par un autre liquide (absorption) ou est retenu à la surface d'un corps solide (adsorption). Ces processus se rencontrent dans des conditions physiques particulières (pression, température) et peuvent être annulés. Voici quelques exemples de ces processus qui se rencontrent dans la vie quotidienne : l'acide carbonique qui est absorbée dans l'eau minérale (dissout), se libère à nouveau à l'ouverture de la bouteille (réduction de la pression). Le filtrage des odeurs et substances nocives de l'air respirable au moyen de charbon actif (adsorption). Dégagement de chaleur (côté système de chauffage) Condensateur Pompes à chaleur à sorption Les Pompes à chaleur à sorption sont généralement alimentées en gaz naturel. Un compresseur thermique est installé en lieu et place d'un compresseur mécanique. Elles utilisent les mêmes principes de base physiques que les pompes à chaleur à compression. Au contraire d'une pompe à chaleur à compression, un compresseur mécanique est utilisé à la place d'un compresseur thermique. En outre, un agent frigorigène déjà en ébullition à basse température, comme par exemple l'ammoniac, est utilisé. La figure 12 point (1) montre l'évaporation de l'agent à basse température et à basse pression au moment du prélèvement de la chaleur environnante. La vapeur de l'agent frigorigène s'échappe dans l'absorbeur (2), où ce dernier est absorbé ou dissout par un solvant, par ex. eau, sous l'effet du dégagement de la chaleur de dissolution. Générateur Admission Soupape de Soupape de chaleur détente de détente Évaporateur Absorbeur Admission de chaleur (environnement) Figure 12 : Schéma d'une pompe à chaleur à absorption Compresseur thermique Pompe à solvant Dégagement de chaleur (côté système de chauffage) La chaleur ainsi libérée est injectée dans le circuit de chauffage par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur. La solution des deux substances est alors envoyée vers le compresseur thermique (4), via la pompe à solvants (3). Les deux substances se distinguent par des températures d'ébullition différentes. Cela signifie que, l'agent frigorigène dissout s'évapore à nouveau lors de l'admission de chaleur d'un brûleur gaz, par exemple, parce que ce dernier possède la plus basse température d'ébullition entre les deux substances. La vapeur de l'agent frigorigène à haute pression et température élevée s'échappe dans le condensateur (5) et se liquéfie sous l'effet du dégagement de la chaleur de condensation. Dès lors, la chaleur de condensation est transmise au circuit de chauffage. L'agent frigorigène liquide est détendu par la soupape de détente (6) et amenée à la pression et à la température d'origine. Le procédé sera identique dans le processus de compression avec le solvant (7).

12 Principes de Base La dépense énergétique (électricité) pour la pompe à solvants est particulièrement faible. L'énergie pour le compresseur thermique est amenée sous forme de chaleur (combustion de gaz). En marge des brûleurs au gaz naturel, d'autres générateurs de chaleur peuvent être utilisés. 1. Phase (désorption) 2. Phase (adsorption) Admission de chaleur Dégagement de chaleur L'avantage de la pompe à chaleur à absorption se situe dans une exploitation efficace des ressources énergétiques primaires ainsi que dans le fait que, mise à part la pompe à solvants, aucune pièce mobile n'est utilisée. Brûleur gaz Échangeur de chaleur avec Zéolite Dégagement de chaleur (côté système de chauffage) Brûleur gaz Échangeur de chaleur aveczéolite Les agrégats à absorption à haute puissance (supérieure à 50 kw) représentent le dernier cri des machines frigorifiques. De plus petites puissances jusqu'à environ 2 kw se retrouvent, par exemple, dans des frigidaires de camping au gaz propane. Une paire de matériaux est nécessaire comme fluide de travail. Généralement, l'eau est utilisée comme solvant et l'ammoniac comme agent frigorigène. Pour les installations de chauffage de moyenne puissance, il n'existe, pour l'instant encore, aucune solution de série. Pompe à chaleur à adsorption La pompe à chaleur à adsorption fonctionne avec des combustibles solides, comme par exemple le charbon actif, le gel de silice (silicate vitreux) ou la zéolite. La zéolite minérale ou, littéralement, "pierre bouillante" a la propriété d'absorber et de lier (adsorber) les vapeurs d'eau. Elle rend donc une plage de température de chaleur jusqu'à environ 300 C. On parle alors d'une réaction exothermique. Comme pour les pompes à chaleur décrites plus haut, le processus d'absorption de chaleur et de dégagement de chaleur se produit également, pour la pompe à chaleur à adsorption, en un cycle thermodynamique bien que son fonctionnement soit périodique. Une exécution possible de ce type de construction est illustrée à la figure 13. L'ajout d'un système à vide est requis Vapeur Échangeur de chaleur (comme condensateur) Dégagement de chaleur (côté système de chauffage) Figure 13 : Fonctionnement d'une pompe à chaleur à adsorption pour les pompes à chaleur à adsorption de ce type. Dans la première phase (appelée phase de désorption), la chaleur est acheminée vers l'échangeur de chaleur recouvert de gel de silice ou de zéolite (1) avec un brûleur gaz (2) par exemple. De ce fait, l'eau reliée à ce combustible solide est libérée sous forme de vapeur et s'échappe vers le second échangeur de chaleur (3). Cet échangeur de chaleur a une double fonction : dans la première phase, il transmet la chaleur, maintenant libérée par la condensation de la vapeur, au système de chauffage. Cette première phase est terminée lorsque la zéolite ne contient plus d'eau ou lorsqu'elle a atteint le taux de dessiccation souhaité et que l'eau qui se trouve dans le second échangeur de chaleur est condensée. Le brûleur se coupe maintenant. La seconde phase commence alors, lorsque l'échangeur de chaleur (3) agit comme évaporateur, en amenant la chaleur environnante à l'eau. Puisque dans cette phase, une pression d'environ 6 mbars domine dans le système, l'agent frigorigène, l'eau, Vapeur Échangeur de chaleur (comme évaporateur) Admission de chaleur (environnement) s'évapore sous l'effet du prélèvement de la chaleur environnante. Les vapeurs d'eau retournent vers l'échangeur de chaleur (1) et sont à nouveau recueillies (adsorbées) par le gel de silice ou la zéolite. La chaleur délivrée ainsi par le gel de silice ou la zéolite, arrive par l'échangeur de chaleur (1) dans le système de chauffage. Lorsque les vapeurs d'eau sont entièrement adsorbées, une période complète du cycle calorifique est terminée. La pompe à chaleur à adsorption pour le chauffage des habitations unifamiliales et bifamiliales est encore, à l'heure actuelle, en développement. Le déploiement d'énergie est important puisque la technologie du vide doit être utilisée. La pompe à chaleur à absorption décrite ci-avant, est utilisée depuis longtemps déjà, pour ce type de construction, en tant que machine frigorifique à haute puissance.

13 Principes de Base Pompes à chaleur Vuilleumier De même, la pompe à chaleur Vuilleumier est alimentée au gaz naturel (figure 14). Cette pompe à chaleur fonctionne selon le principe d'un cycle calorifique thermique au gaz à régénération comme pour le cycle de Stirling. L'hélium, gaz inerte respectueux de l'environnement, est utilisé comme fluide de travail. Le cycle de Vuilleumier se fonde sur un brevet octroyé en Amérique, en 1918, à Rudolph Vuilleumier. La particularité de ce processus est basée sur le fait qu'il est possible d'utiliser deux sources de chaleur à des températures différentes. La "mise en marche" du cycle mono-étagé s'effectue au moyen d'un brûleur gaz et un échangeur de chaleur qui, par exemple, extrait la chaleur de l'air extérieur, est utilisé comme seconde source de chaleur. Même lorsque les températures extérieures sont à -20 C, il est possible d'obtenir des températures de départ jusqu'à 75 C. Par conséquent, la pompe à chaleur Vuilleumier peut être installée dans un parc immobilier. Selon les exigences du système, des rendements normalisés (comparables avec le rendement normalisé des chaudières) ont été mesurés jusqu'à 162% dans des installations pilotes. Des systèmes actuellement en cours de développement, indiquent que des économies sur les ressources énergétiques primaires peuvent atteindre 44% comparée à la technique de la chaudière mixte à condensation à gaz. En principe, les pompes à chaleur Vuilleumier développent une puissance thermique comprise entre 15 et 45 kw. Des prototypes pour des essais de laboratoire ont déjà été conçus avec une puissance de 33 kw. Si les conditions économiques de base le permettent, le perfectionnement pour la production en série pourrait être terminé d'ici quelques années. Du point de vue énergétique, la pompe à chaleur Vuilleumier comparée à la pompe à chaleur d'absorption et de compression représente l'alternative la plus avantageuse. Régénérateur de chaleur Régénérateur de froid 2.3 Paramètres Pour pouvoir apprécier une pompe à chaleur ou une installation complète de pompes à chaleur, des indices ont été introduits, indices définis avec précision par la norme DIN EN pour les pompes à chaleur à compression. Les indices les plus importants pour les pompes à chaleur à alimentation électrique sont le rendement et le rendement annuel. Le rendement ε décrit le rapport entre la puissance de chauffage et la puissance motrice (voir aussi figure 9). Un rendement de 4 signifie donc qu'il y a quatre fois autant de chaleur absorbée qu'il y a d'énergie électrique. Le rendement est une valeur mesurée en régime stationnaire soumis aux conditions de service (le point de fonctionnement). Pour les pompes à chaleur saumure/eau, par exemple, le point de fonctionnement B0/W35 signifie : température d entrée de la saumure 0 C et température de sortie de l'eau de chauffage 35 C. Pour toutes les pompes à chaleur, il est vrai que, plus la différence de Admission de chaleur (brûleur gaz) Admission de chaleur (environnement) Figure 14 : Principe d'une pompe à chaleur Vuilleumier Volume de gaz utile chaud pistons d'éviction Volume de gaz utile chaud Dégagement de chaleur (côté chauffage) pistons d éviction Volume de gaz utile froid température entre l'eau de chauffage et de la source de chaleur est petite, meilleur sera le rendement et donc, l'efficacité. C'est pourquoi, les pompes à chaleur se prêtent parfaitement aux systèmes de chauffage à basse température comme par exemple les systèmes de chauffage par le sol. Les pompes à chaleur électriques modernes atteignent un rendement de 3,5 à 5,5, selon la source de chaleur et la température du système de chauffage. Cela signifie que pour chaque kwh utilisé, de 3,5 à 5,5 kwh de chaleur de chauffage sont livrés. Dès lors, l'inconvénient écologique qui apparaît en raison de l'utilisation du courant de secteur (avec un rendement actuel de centrales électriques, en Allemagne, d'environ 34%) est plus que compensé. Le rendement annuel moyen β est une valeur mesurée déterminée pour une installation complète de pompes à chaleur sur une période d'un an. Elle exprime le rapport entre la chaleur utile et l'énergie utilisée pour la mise en marche, y compris pour les circulateurs et les régulateurs électroniques.

14 3 Technique des pompes à chaleur 3.1 Composants des pompes à chaleur électriques à compression Aujourd'hui, les pompes à chaleur électriques à compression modernes sont des installations compactes et, tant en matière d'esthétique qu'au niveau technologique, ne sont plus comparables avec les pompes à chaleur des années ' Compresseur Le coeur d'une pompe à chaleur est le compresseur qui sert à transférer la température du côté froid (source de chaleur) vers le côté chaud (circuit de chauffage), comme illustré à la figure 15. Les compresseurs Scroll modernes, entièrement hermétiques pour les pompes à chaleur électriques, se distinguent des compresseurs à pistons utilisés jadis, par leur longévité et leur fonctionnement particulièrement silencieux. Aujourd'hui, ils sont considérés comme le standard industriel en Europe, au Japon et aux EU. Déjà 12 millions d'installations ont été réalisées avec succès. Le calfeutrage hermétique du compresseur garantit une utilisation pendant de nombreuses années et un fonctionnement sans entretien (fig.16). La condensation du fluide de travail s'effectue par l'intermédiaire d'un compresseur à spirales (scroll) utilisant deux spirales d'archimède. Deux volumes se trouvant l'un en face de l'autre en forme de demi-lune sont, à chaque fois, enfermés par l'entraînement excentrique d'une des spirales et poussés de l'extérieur vers l'intérieur, ce qui réduit le volume enveloppé. Les masses déplacées sont réduites à un certain nombre de pièces qui effectuent un mouvement rotatif. Les vibrations sont réduites au minimum grâce à une production minutieuse et par la suppression des masses oscillantes. Figure 15 : Compresseur Scroll Aucun élément d'étanchéité n'est nécessaire grâce à la finition particulièrement précise des extrémités des spirales, parce que la densité des différents volumes enveloppés est assurée par un film d'huile. Une réduction acoustique de 6 db(a) est atteinte en comparaison avec les compresseurs conventionnels à pistons, ce qui correspond à une réduction d'un quart du bruit éprouvé. L'agent frigorigène utilisé dans le circuit de la pompe à chaleur est aujourd'hui, habituellement, du R 407C, R 410 A, R 404 A et R 134 A, sans CFC et HCFC, non toxiques, biodégradables et ininflammables. Figure 16 : Paire de spirales Scroll

15 Technique des pompes à chaleur Échangeur de chaleur Avec les pompes à chaleur, des échangeurs de chaleur à plaques en acier inoxydable sont utilisés pour l'évaporateur (exception : pompes à chaleur air/eau) et surtout pour le condensateur. Évaporation Au contraire des échangeurs de chaleur à faisceau tubulaire, les échangeurs de chaleur à plaques en acier inoxydable possèdent un profil d'écoulement turbulent et non laminaire. Cela conduit à un meilleur transfert thermique. En outre, la conception est très compacte ce qui apporte un gain de place. Pression p abso lue [bars] Liquide Expansio n Vapeur vapeur surchauffée Échangeur de chaleur par gaz aspirés Dans la pratique et selon le fluide de travail utilisé, une surchauffe de ce même fluide de travail est appliquée avant l'entrée du compresseur (voir aussi ).Lorsque l'agent frigorigène sort du condensateur, sa température est plus élevée que lorsqu'il sort de l'évaporateur. Dans l'échangeur de chaleur par gaz aspirés, une partie de cette chaleur est utilisée pour la surchauffe de l'agent frigorigène provenant de l'évaporateur. Par là, les gouttes de liquide résiduelles s'évaporent. Les pompes à chaleur Vitocal 300 possèdent un échangeur de chaleur par gaz aspirés (figure 18). Les différentes étapes du processus sont illustrées dans un "diagramme h, log" (figure 17) par les lignes - évaporation (1-2), surchauffe (2-3), condensation (3-4), expansion (4-5) et expansion (5-1) (Fig. 7) Dans l'exemple, 64% de l'énergie provient de l'environnement contre 36% provenant d'une consommation de courant. En outre, le rendement ε, tel que décrit, peut être défini : il traduit le rapport de la puissance de chauffage utile du moment sur la puissance électrique absorbée. Enthalpie h [kj/kg] Chaleur de vaporisation de l'environnement (64%) pompe à chaleur mono-étagée Type AW : A 15 C / W 45 C 1 2 Évaporation 2 3 Surchauffe 3 4 Compression 4 5 Condensation 5 1 Expansion Figure 17: diagramme h, log pour échangeur de chaleur intermédiaire Énergie électrique pour la mise en marche du compresseur (36%) Vanne magnétique Filtre déshydrateur Échangeur de chaleur par gaz aspirés Regard Figure 18: Échangeur de chaleur par gaz aspirés dans la pompe à chaleur Vitocal 300

16 Technique des pompes à chaleur Régulation En marge des fonctions connues de la technologie de chauffage comme la régulation en fonction de la température extérieure, le choix de la courbe de chauffage, les fonctions de minuterie pour l'utilisation au ralenti et les vacances,... aujourd'hui, de nouvelles possibilités sont offertes comme les messages d erreur et de fonctionnement, spécifiques à la pompe à chaleur et écrits en texte complet. De grands écrans graphiques, des menus d'aide, des commandes par menus et des raccords de BUS assurent une régulation conviviale. Les toutes dernières régulations disposent également de fonctions pour l'intégration de capteurs solaires et de "Natural cooling" (figure 19) de même que pour la représentation graphique du schéma complet d'installation. Figure 19 : Régulation numérique CD 70 de pompe à chaleur, dépendant des conditions atmosphériques. 3.2 Sources de chaleur Pour l'utilisation de la chaleur environnante, les sources de chaleur sol, eaux souterraines et de surface, air environnant ou chaleur perdue sont disponibles (figure 20). La source de chaleur la mieux adaptée s'analyse au cas par cas et dépend des circonstances locales, de la situation du bâtiment et des besoins caloriques. En règle générale, plus la différence de température (également appelée "chute de température") entre la source de chaleur et le système de chauffage est faible, moins il faudra d'énergie dans le compresseur et plus le rendement sera meilleur. Source de chaleur air : Fiabilité excellente, faibles coûts d'investissement, généralement à alimentation mono-énergétique bivalente (élément de chauffage électrique pour les basses températures extérieures) Source de chaleur sol : En grande partie pour des systèmes nouvellement installés, fonctionnement monovalent, à haut rendement Source de chaleur eau : Important : Attention à la qualité de l'eau, rendement particulièrement élevé, fonctionnement monovalent Source de chaleur perdue : Dépend de la disponibilité, de la quantité et de la température de la chaleur perdue, la plus petite part du marché. Efficacité Disponibilité Chaleur Eau Chaleur Air perdue souterraine du sol Figure 20 : Sources de chaleur pour pompes à chaleur

17 Technique des pompes à chaleur Source de chaleur sol Le sol est un bon accumulateur de chaleur parce que les températures sont relativement régulières toute l'année et se situent entre 7 et 13 C (à 2 m de profondeur). Grâce aux collecteurs horizontaux (figure 22) ou aux sondes verticales placées dans le sol, la chaleur stockée est transportée, au moyen d'un mélange d'eau et d'antigel (saumure), vers l'évaporateur de la pompe à chaleur saumure/eau (saumure dans le circuit primaire, eau dans le circuit secondaire (circuit de chauffage). Profondeur [m] Température [ C] Surface terrestre L'extraction de la chaleur du sol s'effectue par l'intermédiaire de systèmes étendus de tubes souterrains en matière synthétique. Lorsqu'il est question de "sol", pour une source de chaleur, il faut comprendre la couche supérieure de terre jusqu'à une profondeur d'environ 5 m. La production de la chaleur s'obtient par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur placé sous la surface non construite à côté du bâtiment. La chaleur s'échappant des couches plus profondes, n'atteint que 0,063 à 0,1 W/m 2 et peut donc être négligée comme source de chaleur pour les couches supérieures. Le collecteur horizontal se régénère grâce au rayonnement du soleil, par la pluie et l'eau de condensation, etc. ou utilise l'énergie qui en découle. Les tubes en matière synthétique (PE) sont placés dans le sol à une profondeur de 1,2 à 1,5 m. Les lignes de tube séparés ne peuvent être supérieures à 100 m parce que les pertes de charge et, de ce fait, la puissance requise de la pompe augmenteraient trop. De lignes de tube doivent, à chaque fois, avoir la même longueur de façon à atteindre des pertes de charge identiques et, par conséquent, des conditions d'écoulement analogues. Ainsi, le champ de capteurs solaires puise la chaleur du sol de façon régulière. Les tuyaux sont rassemblés à leurs extrémités dans un collecteur d'amenée et de retour (purge) situé un peu plus haut. Chaque ligne doit pouvoir être fermée individuellement. La saumure doit être pompée avec un circulateur par le système de tubes en matière synthétique ; en outre, elle emmagasine la chaleur du sol. Figure 21 : Variation de la température au sol sur un an séjour cave Vitocal 300 Ballons d eau chaude Figure 22 : Vitocal 300 puise la chaleur du sol à l'aide de collecteurs horizontaux salle de bain/ WC

18 Technique des pompes à chaleur Chambre collectrice avec distributeur de saumure Chauffage basse température Distributeur de saumure (amenée) Collecteur horizontal Distributeur de saumure Pompe à chaleur (retour) Vitocal 300 / 350 Figure 23 : Récupération de chaleur avec collecteurs horizontaux Un léger givrage temporaire dans le sol autour des tuyaux n'a aucune conséquence néfaste pour l'installation ou la croissance des plantes. Toutefois, aucune plante à enracinement profond ne sera plantée autour des tuyaux de saumure. La régénération de la terre refroidie a lieu au printemps et en été par les rayons croissants du soleil et les précipitations. Dès lors, le sol emmagasinera suffisamment de chaleur pour le chauffage aux périodes plus froides de l'année. La surface audessus des collecteurs horizontaux ne peut être bâtie ou recouverte (fig. 23). Le déplacement des sols pour une nouvelle construction ne requière généralement pas de surcoûts importants mais, il en va tout autrement pour les bâtiments existants pour lesquels les frais complémentaires sont tellement élevés que ces travaux ne sont pas pris en considération lors de rénovation. La quantité de chaleur utile et, avec elle, la grandeur de la surface requise dépend fortement des propriétés thermophysiques du sol et du rayonnement énergétique, en d'autres termes, du climat. Pour ce qui concerne les propriétés du sol, sont principalement importants : la quantité de l'eau, la quantité des composés de minéraux, comme le quartz ou le feldspath, de même que le nombre et les dimensions des pores remplis d air. Pour simplifier, on peut dire que la capacité d infiltration et la conductivité calorifique sont d'autant plus importantes lorsque la terre est enrichie avec de l'eau et des minéraux. Plus le sol en contient, moins il y aura de pores remplis d air. La puissance pouvant être extraite du sol se situe entre environ 10 et 35 W/m 2. Sol sablonneux sec q E = 10 à 15 W/m 2 Sol sablonneux humide q E = 15 à 20 W/m 2 Sol argileux sec q E = 20 à 25 W/m 2 Sol argileux humide Sol sablonneux sec q E = 25 à 30 W/m 2 Sol eaux souterraine q E = 30 à 35 W/m 2 Figure 24 : Collecteur horizontal Figure 25 : Distributeur de saumure

19 Technique des pompes à chaleur Si, pendant la pose des collecteurs horizontaux, des déplacements de terre de plus d'1 m de profondeur sont nécessaires (figure 24), l'installation de la sonde géothermique avec des appareils de forage modernes se fait en quelques heures (figure 27). Pour les installations à sondes verticales (fig. 26), la disposition et la profondeur de forage sont particulièrement importantes. Pour ce faire, il existe des géologues et des sociétés spécialisées en forage avec des connaissances professionnelles spécifiques ainsi que des logiciels pour la pose et l'optimisation. En outre, il est possible de conclure avec ces entreprises spécialisées, une convention de garantie de prélèvement (par ex. pour 10 ans). De telles installations doivent obtenir, en Allemagne, une homologation par le service de l Agence de l eau. Le service de l'agence de l'eau est compétent pour les forages jusqu'à 100 m de profondeur. De plus, les forages plus profonds doivent être agréés par le service compétent en matière d'industrie minière. On introduit dans le forage une sonde préfabriquée. Ensuite, la cavité entre la protection de sonde et le forage est pressée avec de la matière de remplissage. Le plus souvent, seul un maximum de quatre tuyaux parallèles est utilisé (doubles protections de sonde en U). Les frais pour l'exécution d'un forage, y compris la sonde et selon la nature du sol vont de 30 à 60 /m. Pour une maison unifamiliale typique qui répond aux normes de la maison à basse consommation d énergie, une pompe à chaleur avec une puissance calorifique d'environ 6 kw est nécessaire pour un chauffage confortable. De plus, il faut également une profondeur de forage d'environ 95 m. Les frais de forage correspondants se situent entre et Pour la planification et l'introduction des sondes verticales, il est impératif d'avoir une connaissance exacte de la nature du sol, de la succession stratigraphique, la résistance du sol et la présence d'eau souterraine ou de nappes souterraines avec, en outre, également la définition du niveau d'eau et de la direction d'écoulement. L'installation de sondes géothermiques peut se faire dans des conditions d'hydrogéologie normales, Chambre collectrice Distributeur d'eau glycolée (départ) Distributeur d'eau glycolée (retour) en partant d'une puissance de sonde moyenne de 50 W/m (conforme VDI 4640). Si la sonde se trouve dans un aquifère fertile, des puissances d'extraction encore plus élevées peuvent être atteintes (tableau 2). L'eau glycolée s'échappe vers le bas, par deux tuyaux du distributeur et est, à nouveau, renvoyé vers le haut, par deux autres tuyaux vers le collecteur (figure 25). L'eau glycolée (mélange d'eau et d'antigel) est utilisée comme fluide de travail dans le collecteur horizontal ou dans la sonde géothermique, si bien qu'il n'y a aucun risque de gel. Sonde géothermique (sonde duplex) Figure 26 : Récupération de chaleur avec la sonde géothermique Sous-sol spécifique Chaudière basse température Valeurs indicatives générales Mauvais sous-sol (sédiment sec) [λ < 1,5 W/(m K)] Sous-sol normal avec assise rocheuse et sédiments saturés en eau [λ < 1,5 3,0 W/(m K)] Assise rocheuse avec conductivité thermique élevée [λ > 3,0 W/(m K)] Roches isolées Gravier, sable, sec Gravier, sable, aquifère Argile, limon, humide Calcaire (massif) Grès Magmatite acide (par ex. granit) Magmatite basique (par ex. basalte) Gneiss Tableau 2 : Pompe à chaleur Vitocal 300 / 350 Puissance d'extraction 20 W/m 50 W/m 70 W/m < 20 W/m W/m W/m W/m W/m W/m W/m W/m Puissance possible spécifique d'extraction pour sondes de géothermie (doubles protections de sonde en U) selon VDI 4640, page 2 Figure 27 : Placement d'une sonde géothermique

20 Technique des pompes à chaleur Source de chaleur eau L'eau est, en effet, un bon moyen de stockage de la chaleur solaire. Même pendant les journées froides d'hiver, les eaux souterraines maintiennent une température constante comprise entre 7 et 12 C. Par l'intermédiaire d'un puits d'extraction, les eaux souterraines sont aspirées et amenées vers l'évaporateur de la pompe à chaleur eau/eau. Ensuite, l'eau refroidie est transportée dans un puits de rejet (figure 28). La qualité de l'eau souterraine ou de surface doit répondre aux limites établies par le fabricant de la pompe à chaleur. Lorsque les limites sont dépassées, un échangeur de chaleur adapté doit être utilisé dans un circuit intermédiaire préconisé généralement en raison des variations de la qualité de l'eau parce que les échangeurs de chaleur à plaques à haut rendement à l'intérieur de la pompe à chaleur sont sensibles aux variations de la qualité de l'eau. Les échangeurs de chaleur vissés, en acier inoxydable, ont fait leurs preuves pour les circuits intermédiaires. La pompe à chaleur est protégée par le circuit intermédiaire et le processus se déroule de façon plus uniforme. La raison en est que le processus de transfert thermique dans le circuit intermédiaire des eaux souterraines sur la saumure s'effectue de façon plus uniforme que pour les eaux souterraines qui s'évaporent directement sur l'agent frigorigène dans la pompe à chaleur (figure 29). Lorsque la consommation de la pompe du circuit intermédiaire est prise en considération, le COP chute de 6 à 9%. En raison de la dispersion modifiée de la température, la puissance calorifique diminue de 2 à 4% par rapport à une pompe à chaleur sans échangeur de chaleur intermédiaire. De même, l'utilisation d'eau souterraine ou de surface doit être agréée par les instances compétentes, en général, le service de l'agence de l'eau. Habituellement, la qualité de l'eau doit correspondre aux limites déterminées, selon le matériau utilisé dans l'échangeur de chaleur, acier inoxydable (1.4401) ou cuivre. Lorsque les limites sont respectées, le mouvement des sources d'eau se fera sans problème. Figure 28 : Schéma du circuit intermédiaire Puits de rejet Dégagement de chaleur (côté système de chauffage) Puits d'extraction avec pompe aspirante Puits de rejet Échangeur de chaleur circuit intermédiaire Circulateur circuit intermédiaire Pompe à chaleur eau/eau Admission Vitocal 300 ou Vitocal 350 de chaleur Puits d'extraction avec pompe aspirante Direction d'écoulement eaux souterraines Figure 29 : Récupération de chaleur depuis les eaux souterraines Chaudière basse température Échangeur de chaleur Pompe à chaleur circuit intermédiaire Vitocal 300 / 350

21 Technique des pompes à chaleur Source de chaleur air Air extérieur L'air extérieur ne nécessite qu'une faible dépense pour la mise en valeur d'une source de chaleur. Cet air est aspiré par l'intermédiaire d'un tuyau, refroidi dans l'évaporateur de la pompe à chaleur et, ensuite, retransmis à l'environnement (figures 30 et 31). Une pompe à chaleur air/eau moderne peut encore fournir de la chaleur de chauffage jusqu'à une température extérieure de -20 C. Toutefois, elle ne peut couvrir complètement les besoins caloriques d'une installation optimisée pour ces basses températures extérieures. Un chauffage électrique dans le tampon d'eau chaude chauffe, pendant les journées très froides, l'eau qui est préchauffée par la pompe à chaleur jusqu'à une température de départ réglée. Parce que les pompes à chaleur air/eau déplacent un volume d'air relativement important (3000 à 4000 m 3 /h), il faut tenir compte de la génération éventuelle de bruit lors de l'agencement des orifices d'air dans le bâtiment et à l'extérieur. Canal d'évacuation d'air Pompe à chaleur Vitocal 350 Chaudière basse température Figure 30 : Récupération de la chaleur de l'air environnant (air extérieur) Tampon d'eau chaude Régulation Canal d'amenée d'air Air d'évacuation Les pompes à chaleur qui utilisent l'air d'évacuation comme source de chaleur, devront être installées plus souvent, à l'avenir, dans des maisons à faibles besoins caloriques (maisons passives). Avec de tels appareils compacts, la pompe à chaleur doit être employée avec un dispositif de ventilation contrôlée. Ici, la pompe à chaleur intégrée air/eau utilise la chaleur de l'air d'évacuation, provenant des pièces d'habitation, qui ne peut être regagnée par le dispositif de ventilation. Cet air est utilisé pour le préchauffage de l'air d'évacuation ou le chauffage de l eau sanitaire. En Suède, environ 8000 pompes à chaleur à air de ce type sont installées annuellement. Selon les dimensions de la pompe à chaleur à air d'évacuation, les besoins caloriques nécessaires sont assurés par un éventuel chauffage électrique complémentaire. Figure 31 : Puissance calorifique pompe à chaleur air/eau : 11,0 à 18,5 kw

22 Technique des pompes à chaleur 3.3 Refroidir avec des pompes à chaleur à compression Certaines pompes à chaleur proposent une fonction complémentaire permettant également le refroidissement d'un bâtiment. Il existe deux méthodes différentes de refroidissement au moyen d'une pompe à chaleur : Réversibilité (refroidissement actif) : Le fonctionnement de la pompe à chaleur est inversé de sorte qu'elle agit comme un réfrigérateur. Les pompe à chaleur qui refroidissent de cette manière sont souvent appelées "pompe à chaleur réversibles". Soupape de détente Condensateur Évaporateur Dégagement de chaleur (côté système de chauffage) Compresseur Refroidissement direct (refroidissement passif) : l'eau glycolée et/ou l'eau souterraine recueillent, par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur, la chaleur provenant du circuit de chauffage et la transportent à l'extérieur. Par cette fonction, appelée également "Natural cooling", la pompe à chaleur est coupée depuis le réglage jusqu'aux pompes de circulation Réversibilité En général, en Allemagne où il y a le plus d'installations avec pompes à chaleur, seuls sont chauffés le bâtiment et l'eau sanitaire. Pour le refroidissement du bâtiment, un dispositif de refroidissement est installé s'il y a lieu. Cette possibilité permettant d'alterner ces deux fonctions chauffage et refroidissement avec un seul appareil, n'est encore que peu connue en Allemagne. Par contre, aux États- Unis, les pompes à chaleur pouvant fonctionner tant comme installation de chauffage que comme dispositif de refroidissement, ont acquis une place enviée sur le marché et sont, par conséquent, fortement répandues. Admission de chaleur (environnement) Figure 32 : Schéma de fonctionnement simplifié d'une pompe à chaleur à réversibilité Comme déjà expliqué ci-dessus, les pompes à chaleur à compression et les frigidaires fonctionnent selon le même principe. Les pièces les plus importantes (évaporateur, compresseur, condensateur et soupape de détente) sont également fondamentalement identiques dans les deux applications. Elles se distinguent principalement par l'optimisation de leurs différentes tâches ; d'une part, pour ce qui concerne l'augmentation de la température et d'autre part, dans le cas d'une baisse de température. Pour pouvoir également utiliser une pompe à chaleur à compression pour refroidir, il suffit, en principe, de renverser la direction d'écoulement du compresseur et la soupape de détente, de façon à ce que l'agent frigorigène et donc, également la chaleur, s'échappent dans l'autre direction. Cependant, pour une installation techniquement correcte, une vanne à quatre voies et une seconde soupape de détente doivent être intégrées dans le circuit frigorifique. La commutation de la direction d'écoulement peut être réglée automatiquement pour l'entièreté de l'installation par l'intermédiaire de cette vanne à quatre voies. En intégrant une vanne à quatre voies, le compresseur peut conserver, indépendamment de la fonction réelle (chauffer ou refroidir), sa direction d'écoulement d'origine. Pendant le chauffage, le compresseur transporte l'agent frigorigène gazeux à l'échangeur de chaleur du système de chauffage. L'agent frigorigène se condense à cette étape et délivre, en outre, la chaleur au système de chauffage (chauffage à eau chaude à air) (figure 32).

23 Technique des pompes à chaleur Pour le refroidissement, la direction d'écoulement est inversée à l'aide de la vanne à quatre voies. A ce stade, le fluidifiant originel est l'évaporateur qui transfère, sur l'agent frigorigène, la chaleur du système de chauffage qui a une nouvelle fois recueillit la chaleur de la pièce. L'agent frigorigène sous forme gazeuse arrive à nouveau par l'intermédiaire de la vanne à quatre voies au compresseur et, de là, à l'échangeur de chaleur qui renvoie la chaleur dans l'environnement (figure 33). Soupape de détente Évaporateur Admission de chaleur (depuis le système de chauffage ou les locaux) Compresseur Les pompes à chaleur qui fonctionnent de cette façon sont proposées, entre autres, en tant que solution compacte pour les maisons passives. Avec un appareil compact Vitotres 343 pour maisons passives (figure 34), il s'agit par exemple d'une pompe à chaleur air/eau combinée à une ventilation mécanique. Pendant le chauffage (puissance calorifique nominale 1,5 kw), la pompe à chaleur utilise la chaleur de l'amenée d'air frais qui ne peut être utilisée par la récupération de chaleur et l'utilise pour le postchauffage de l'air d'amenée ou pour la production d'eau chaude sanitaire. Les jours d'été chaud, avant tout, l'échangeur de chaleur de la ventilation mécanique qui sert à récupérer la chaleur, est ponté avec un circuit de dérivation dans le Vitotres 343. Ainsi, par exemple, l'air extérieur plus frais par rapport à l'air intérieur chaud est dirigé, la nuit, directement dans l'habitation. Si l'utilisateur désire un air encore plus frais, la pompe à chaleur air/eau commute automatiquement en ordre inversé. Maintenant, la chaleur de l'air d'amenée est soutirée activement dans l'évaporateur de la pompe à chaleur. L'appareil compact atteint alors une puissance frigorifique de maximum 1 kw. L'air chaud contenu dans les locaux est alors aspiré par le système. Condensateur La puissance calorifique des pompes à chaleur réversibles à compression est toujours légèrement supérieure à la puissance frigorifique. Pendant le chauffage, l'absorption d'énergie qui est utilisée pour la commande du compresseur se transforme en chaleur utile. Pendant le refroidissement, cette chaleur apparaît également parce qu'ici aussi, le compresseur doit être utilisé. La chaleur qui apparaît donc immanquablement diminue la puissance frigorifique théorique possible. Les COP réalisables des pompes à chaleur réversibles sont donc, un rien inférieurs pendant le refroidissement que pendant le chauffage. Dégagement de chaleur (environnement) Figure 33 : Schéma de fonctionnement simplifié d'une pompe à chaleur à réversibilité pendant le refroidissement Figure 34 : Vitotres 343 appareil compact pour maisons passives combiné avec une ventilation mécanique et ballon d eau chaude.

24 Technique des pompes à chaleur Natural cooling En été, les températures dans les bâtiments sont généralement plus élevées que dans le sol ou l'eau souterraine. Alors, les sources de chaleur à basses températures qui, pendant l'hiver, sont utilisées comme source de chaleur, comme la terre ou l'eau souterraine, sont employés en direct pour le refroidissement naturel des bâtiments. Certaines pompes à chaleur disposent pour ce faire, d'un réglage appelé "Natural cooling". Sur base de températures extérieures élevées pendant l'été, cette fonction n'est pas disponible dans le cas des pompes à chaleur air/eau. La fonction "Natural cooling" peut être activée avec seulement quelques composants complémentaires (échangeur de chaleur, vanne à trois voies et circulateur). Les pompes à chaleur Vitocal disposent donc d'une fonction complémentaire agréable. Cette fonction de refroidissement est totalement différente des climatiseurs ou des centrales de production d'eau glacée. La puissance frigorifique dépend de la taille, de la température de la source de chaleur et des variations saisonnières. Vers la fin de l'été, la terre a emmagasiné plus de chaleur. Ainsi, la puissance frigorifique sera légèrement plus basse. Avec la fonction "Natural cooling", le réglage active uniquement la pompe primaire (B) (le compresseur de la pompe à chaleur reste coupé), ouvre la vanne à trois voies (C et G) à chaque fois vers l'échangeur de chaleur (D) et met en marche le circulateur secondaire (E) (figure 35). Ainsi, l'eau relativement chaude provenant du chauffage par le sol (F) dans l'échangeur de chaleur (D) peut transmettre la chaleur à l'eau glycolée du circuit primaire. La chaleur est alors soustraite des locaux raccordés. Figure 35 : Schéma d'installation simplifié pour le "Natural cooling" avec système de chauffage par le sol (animation du fonctionnement du processus à l'adresse Pour le refroidissement direct des locaux, les dispositifs suivants peuvent être raccordés : Ventilo-convecteurs Plafonds réfrigérants Systèmes de chauffage par le sol Activation des composants structurels de construction (températion par noyau de béton) par ex. sonde géothermique Pompe primaire Vanne à trois voies chauffage/refroidissement (circuit primaire) Échangeur de chaleur refroidissement Circulateur refroidissement Système de chauffage par le sol Vanne à trois voies chauffage/ refroidissement (circuit secondaire) Pompe secondaire Pompe à chaleur Vitocal 300 ou Vitocal 350 Le "Natural cooling" est une méthode particulièrement écologique et avantageuse pour le refroidissement des bâtiments parce que seule une faible consommation d électricité est nécessaire pour les circulateurs et donc, la terre froide ou l'eau souterraine peut être utilisée pour le refroidissement. Pendant le refroidissement, la pompe à chaleur ne s'enclenche que pour la préparation de l'eau chaude sanitaire. La commande de tous les circulateurs et vannes d'inversion nécessaires de même que l'enregistrement des températures requises et la surveillance du point de rosée s'effectuent par la régulation de la pompe à chaleur. Avec cette méthode de refroidissement, on obtient des COP frigorifiques compris entre 15 et 20.

25 Technique des pompes à chaleur Refroidissement des locaux : l'air ou l'eau en tant que vecteur de chaleur? Avec des climatiseurs traditionnels, l'air refroidi est soufflé par l'intermédiaire d'une ou de plusieurs conduites dans les locaux et l'air chaud est transporté. Les appareils compacts des maisons passives fonctionnent selon le même principe. Dans les deux cas, il s'agit d'installations de traitement de l'air où les débits d'air sont utilisés pour l'échange de chaleur. Les pompes à chaleur réversibles et les pompes à chaleur avec fonction "Natural cooling" sont, par contre, généralement raccordées à un système de chauffage à eau chaude. Lorsque les journées sont froides, ce système transmet la chaleur de l'eau de chauffage aux pièces à chauffer par l'intermédiaire de surfaces d'échange. (par ex. un système de chauffage par le sol). Les radiateurs sont mal adaptés au refroidissement des pièces d'habitation. En raison de la relativement faible différence de température entre l'eau et les températures ambiantes en été ainsi que la relativement petite surface des radiateurs, seul un transfert thermique limité a lieu par convection et rayonnement de chaleur. De même, l'utilisation de surfaces d'échange proches du sol est déconseillée parce que l'air plus chaud, comme chacun le sait, s'accumule sous le plafond. En outre, les radiateurs, en raison de leur conception, sont particulièrement sensibles à la formation de condensats. Figure 36 : Plafonds climatisés (photo : firme EMCO) La chaleur peut être transportée plus efficacement encore, par l'intermédiaire d'un plafond réfrigérant. L'air chaud se rassemble sous le plafond et se refroidit à sa surface. Dès lors, il descend vers le sol et la chaleur s'en échappe. Par le cycle thermodynamique qui en découle, des quantités plus importantes d'air, comparativement au refroidissement par le sol, sont conduites le long de la surface. Les plafonds réfrigérants (figure 36) ne remplacent normalement pas le système de chauffage. C'est pourquoi, ils sont, le plus souvent intégrés en plus des radiateurs ou d'un chauffage par le sol. Ils sont intégrés hydrauliquement et séparés par un échangeur de chaleur. Indépendamment de la méthode de refroidissement réversibilité ou "Natural cooling", un contrôle du point de rosée par le réglage de la pompe à chaleur est nécessaire dans tous les cas. Ainsi, la température de surface du chauffage par le sol ne peut être inférieure à 20 C pendant le refroidissement. Le contrôle du point de rosée maintient la température de départ du système de chauffage tellement haut qu'elle ne descend pas sous la température de rosée admise et, par conséquent, il n'y a aucun risque que l'humidité de l'air ne se dépose sur le sol. Le chauffage par le sol est mieux adapté en raison de sa plus grande surface. Toutefois, l'air refroidi se rassemble au-dessus du sol et ne monte pas. Pour un système de chauffage par le sol, l'absorption de chaleur s'effectue, par conséquent, exclusivement par rayonnement. Pour ce faire, le sol en entier est disponible de sorte que cela influence positivement la température ambiante. Le rendement du refroidissement par chauffage par le sol peut être augmenté et ce, grâce à une bonne aération du logement et donc un bon balayage de l'air. Les ventilo-convecteurs (figure 37) sont particulièrement efficaces parce qu'ils fonctionnent comme une turbine régulant le débit d'air. Ainsi, de plus grands volumes d'air peuvent être conduits le long des surfaces d'échange de chaleur ce qui, à court terme, assure un refroidissement efficace des locaux. La possibilité supplémentaire de varier le débit par l'intermédiaire de la turbine permet un refroidissement très précis de la pièce. Les ventilo-convecteurs sont, en outre, insensibles aux éventuels écoulements de condensats. Figure 37 : Ventilo-convecteurs (photo : firme EMCO)

26 Technique des pompes à chaleur 3.4 Fonctionnement des pompes à chaleur Lors de l'intégration des pompes à chaleur, on distingue trois types de fonctionnement : monovalent, monoénergétique et bivalent Fonctionnement monovalent Un "fonctionnement monovalent" signifie que la pompe à chaleur est la source de chaleur unique pour l'ensemble des besoins caloriques. Ce fonctionnement est à privilégier d'un point de vue énergétique parce qu'il permet d'atteindre des rendements élevés. Il faut pour cela que les systèmes à raccorder qui assurent la répartition de la chaleur, fonctionnent à une température inférieure à la température maximale de départ de la pompe à chaleur et que les besoins caloriques ne soient pas supérieurs à la capacité maximale de la pompe à chaleur (figure 38). Les domaines d'application typiques pour les systèmes monovalents sont les maisons unifamiliales et plurifamiliales de même que les bâtiments industriels. Deux différents circuits de chauffage peuvent être placés séparément (par ex. chauffage par le sol et radiateurs) La pompe secondaire (4) doit garantir que le débit minimal de la pompe à chaleur s'écoule par le réservoir tampon. Il est possible d'utiliser des circulateurs (7) et (8) contrôlés par une pression différentielle. Lorsque la température réelle, mesurée dans la sonde supérieure de température (2) du tampon de l'eau de chauffage (3), est inférieure à la température réglée au niveau du régulateur de température, la pompe à chaleur (1), les pompes primaires et la pompe secondaire (4) se mettent en marche. La pompe à chaleur (1) fournit alors de la chaleur au circuit de chauffage. La température de départ de l'eau de chauffage et donc, du circuit de chauffage est contrôlée par le dispositif de réglage intégré dans la pompe à chaleur (1). La pompe secondaire (4) amène ensuite l'eau de chauffage par la vanne d'inversion (5) soit vers le ballon d'eau chaude (6), soit vers le tampon Figure 38 : Schéma d'installation pour le fonctionnement monovalent pour eau de chauffage (3). Le débit nécessaire est extrait vers le circuit de chauffage par les pompes du circuit de chauffage (7) et (8). Le débit dans le circuit de chauffage est contrôlé par l'ouverture et la fermeture des vannes thermostatiques des radiateurs ou par les vannes du distributeur du chauffage par le sol et/ou par un dispositif de réglage externe du circuit de chauffage. De cette manière, le débit lors de la pose des pompes du circuit de chauffage (7) et (8) peut s'écarter du débit du circuit de la pompe à chaleur (pompe secondaire (4)). Pour pouvoir compenser l'écart entre ces quantités d'eau, il a été prévu, en parallèle, un tampon pour eau de chauffage (3). L'eau qui n'est pas recueillie par les circuits de chauffage, est emmagasinée dans le tampon (3). En outre, un fonctionnement uniforme de la pompe à chaleur est réalisé (longues durées de parcours). Lorsque la température réglée est atteinte dans la sonde de température inférieure (9) du tampon pour eau de chauffage (3), la pompe à chaleur (1) se coupe. Ensuite, les circuits de chauffage sont approvisionnés en chaleur par le tampon (3). Ce n'est que lorsque la température chute sous la température réglée de la sonde de température supérieure (2) du tampon (3) que la pompe à chaleur (1) s'enclenche à nouveau. La production d'eau chaude sanitaire par la pompe à chaleur (1) est habituellement prioritaire par rapport au circuit de chauffage et s'effectue de préférence la nuit. La sonde de limitation de température et le dispositif de réglage déterminent l'amenée de l'eau de chauffage et la commutation de la vanne à trois voies (5). La température de départ est portée par le dispositif de réglage à la valeur requise pour la production d'eau chaude sanitaire. Le post-chauffage de l'eau sanitaire peut se faire au moyen d'un chauffage électrique complémentaire. Lorsque la valeur réelle dans la sonde de température dépasse la valeur réglée par le dispositif de réglage, alors ce dernier fait passer, par la vanne à trois voies(5), l'eau chauffée vers le circuit de chauffage.

27 3.4.2 Fonctionnement monoénergétique Lors d'un fonctionnement monoénergétique, une seconde source de chaleur est enclenchée avec la même forme d énergie. Par exemple : en marge d'une pompe à chaleur électrique à compression, on installe un corps de chauffe électrique pour l'arrivée d'eau ou un élément de chauffage électrique dans le tampon d'eau chaude (le plus souvent par des pompes à chaleur air/eau). Cette solution représente un bon compromis entre l'efficacité énergétique et les coûts d'investissement. Des installations mono-énergétiques sont surtout installées dans des maisons unifamiliales ou de petites bifamiliales avec une consommation collective et avec chauffage par le sol (figure 39). Le débit minimal de la pompe à chaleur est garanti par la pompe secondaire (2) et la soupape de décharge. Les tuyaux de chauffage et la soupape de décharge doivent être adaptés les uns aux autres. Lorsque la température mesurée par la sonde de température de retour dans la pompe à chaleur (1) est inférieure à la température réglée par le dispositif de réglage, la pompe à chaleur (1) et la pompe secondaire (2) se mettent en marche. La pompe à chaleur (1) fournit alors de la chaleur au circuit de chauffage. La température de départ de l'eau de chauffage et donc, du circuit de chauffage est contrôlé par le dispositif de réglage intégré dans la pompe à chaleur (1). La pompe secondaire (2) amène l'eau de chauffage par l'intermédiaire de la sonde à trois voies (3) soit vers le ballon d'eau chaude (4), soit vers le circuit de chauffage. Le corps de chauffe (5) sert à couvrir les pics lors des basses températures extérieures (par ex. < 10 C). Le débit dans le circuit de chauffage est contrôlé par l'ouverture et la fermeture Figure 39 : Schéma d'installation pour fonctionnement mono-énergétique des vannes thermostatiques des radiateurs ou des vannes du distributeur du chauffage par le sol. La distribution du circuit de chauffage Divicon (6) est équipée d'une soupape de décharge assurant un débit constant dans le circuit de la pompe à chaleur. Le ballon d'eau chaude (7) intégré du côté retour met à disposition le volume de circulation de la pompe à chaleur (1), de façon à garantir une durée de parcours minimale de la pompe à chaleur. Lorsque la sonde de température de retour mesure une valeur supérieure à celle fixée par le dispositif de réglage, la pompe à chaleur (1), la pompe primaire et la pompe du circuit intermédiaire se coupent. Le chauffage de l'eau sanitaire s'effectue de façon identique au fonctionnement monovalent.

28 Technique des pompes à chaleur Fonctionnement bivalent Dans une installation bivalente de chauffage, la pompe à chaleur est combinée avec au moins un autre appareil de chauffage à combustible solide, liquide ou gazeux (parallèle ou alternatif). Il peut s'agir de chaudières à biomasse, fioul ou au gaz (figure 40). Soit les deux appareils de chauffage sont utilisés simultanément (en parallèle), soit ils fonctionnent de manière alternative, selon la disposition. En fonctionnement alternatif, la pompe à chaleur se charge, au-dessus d'une température extérieure fixée, de la production totale de chaleur. Lorsque la température extérieure chute, la puissance de la pompe à chaleur ne suffit plus en raison de son exécution. L'installation de chauffage se branche alors sur le second appareil de chauffage qui reprend la production totale de chaleur. La pompe à chaleur se coupe Tampon L'intégration d'un tampon d'eau chaude est recommandée pour une durée de parcours optimisée et par là, également une augmentation du rendement annuel. Il sert au découplage hydraulique des débits entre le circuit de la pompe à chaleur et le circuit de chauffage. Parce que la puissance calorifique de la pompe à chaleur n'est pas toujours identique aux besoins caloriques du moment, un fonctionnement uniforme est obtenu par l'intégration d'un tampon d'eau chaude, c.-à-d. qu'on évite des arrêtsenclenchement intempestifs. Si par exemple, le débit dans le circuit de chauffage diminue par les vannes thermostatiques, le débit dans le circuit de la pompe à chaleur restera constant. En outre, des capteurs solaires sont de plus en plus souvent utilisés pour soutenir la production d'eau chaude sanitaire et le chauffage. La chaleur solaire obtenue doit pouvoir être apportée dans le système global. Ballon d eau chaude Pompe à chaleur Tampon d'eau Chaudière à Vitocal chaude bois Vitolig Figure 40 : Schéma d'installation pour fonctionnement mono-énergétique Pour l'intégration du tampon d'eau chaude, il faut en outre : un débit constant de la pompe à chaleur aucun remplacement du circulateur n'est nécessaire en cas de rénovation de l'installation de chauffage. aucun bruit dans les répartiteurs de chaleur. Le volume du tampon doit être suffisamment important de façon à pouvoir outrepasser sans problème, les temps de coupure occasionnés par les fournisseurs d'énergie, sans que le bâtiment ne refroidisse. Ceci vaut particulièrement pour les répartiteurs de chaleur sans tampons complémen- taires (par ex. radiateurs). Pour un chauffage par le sol, le plancher reprend, au contraire, une partie du stockage de la chaleur. S'il n'y a aucun temps de coupure alors, pour une optimisation de la durée de parcours de la pompe à chaleur, il faut un volume de tampon de : V HP = Q G (20 à 25 litres)

29 Technique des pompes à chaleur 3.5 Production d'eau chaude Le chauffage de l eau sanitaire, comparé à une installation de chauffage, pose fondamentalement d'autres exigences puisqu'il doit se faire toute l'année avec des besoins calorifiques identiques et à des températures constantes. La production d'eau chaude sanitaire doit s'effectuer, de préférence, à fonctionnement réduit. La totalité de la puissance calorifique est alors disponible toute la journée pour le chauffage. Les pompes à chaleur délivrent habituellement des températures d'eau sanitaire comprises entre 45 et 50 C de façon à ce que la capacité de stockage corresponde avec les besoins journaliers. Vitocell-V 100 La Vitocell-V 100, Type CVW (figure 41), a été conçue spécialement pour la production d'eau chaude sanitaire combinée à une pompe à chaleur. L'échangeur de chaleur est particulièrement grand, avec une surface de quatre mètres carrés. Ceci assure un transfert thermique très efficace. De plus, le ballon d eau chaude est muni d'un raccord complémentaire pour une installation solaire et l'encastrement d'un ou de deux éléments de chauffage électrique pour le post-chauffage. Vitocell-B 100 Vitocell-B 300 Les ballons d eau chaude Vitocell-B 300 (figure 42, à droite) en acier inoxydable répondent aux exigences les plus élevées en matière d'hygiène. Ce n'est pas pour rien que l'acier inoxydable est utilisé dans les cuisines, laboratoires, hôpitaux et l'industrie agroalimentaire. Les surfaces homogènes en acier inoxydable restent impeccables même après des années d'utilisation. Grandes surfaces d'échange, puissance calorifique élevée Les surfaces d'échange du ballon d eau chaude bivalent Vitocell-B sont raccordées en série afin de pouvoir transmettre, en continu, la puissance de la pompe à chaleur. De plus, les surfaces d'échange se prolongent profondément jusqu'au fond du ballon d'eau chaude. Ceci assure un réchauffage régulier de toute la capacité en eau. Garants d une mise en service simple et d un fonctionnement fiable, les serpentins d échange sont orientés de Figure 41 : Dans la Vitocell-V 100 manière à pouvoir être purgés vers le haut et vidangés vers le bas. Une isolation efficace en mousse rigide de polyuréthane sans CFC assure une remarquable protection du ballon contre les déperditions calorifiques. La Vitocell-B 100 (figure 42, à gauche) à émaillage Céraprotect répond aux exigences en matière de production d'eau chaude sanitaire confortable et économique. Elle prend la position de tête dans le domaine des ballons d eau chaude émaillés. L'émaillage Céraprotect avec anode de protection protège en continu le ballon d eau chaude de la corrosion. Figure 42 : Ballons d eau chaude Vitocell-B 100 et Vitocell-B 300

30 4 Utilisation des pompes à chaleur 4.1 Pompes à chaleur pour modernisation Bien qu'on estime à environ deux millions les anciennes installations de chauffage sujettes à rénovation, les pompes à chaleur ne jouent qu'un rôle minime sur ce marché. Ce remplacement sporadique d'une chaudière par une pompe à chaleur, est dû au fait que comparativement, les anciens bâtiments nécessitent des températures de départ plus élevées que les nouvelles constructions. Condensateur Soupape de détente Refroidisseur cascade Dégagement de chaleur (côté système de chauffage) Compresseur 2. Étape Les pompes à chaleur usuelles à une étape de compression fournissent des températures de départ jusqu'à maximum 55 C avec des agents frigorigènes étalonnés (R 407 C, R 404 A etc.). C'est trop peu élevé pour obtenir, avec des radiateurs de dimension normale, une chaleur suffisante dans les locaux. Si on essaie d'obtenir des températures de départ élevées, on atteint rapidement les limites de température et de pression de cet agent. De plus, le rendement du processus baissera également. Cependant, pour pouvoir employer des pompes à chaleur à compression économiquement pour la rénovation, il existe deux cycles monoétagé plus perfectionnés. Tous deux ont pour objectif d'atteindre, avec les agents frigorigènes usuels, des températures supérieures à 55 C, tout en obtenant un bon rendement. La première de ces possibilités est le montage en cascade qui permet d'obtenir de hautes températures de départ avec les agents frigorigènes usuels. Deux circuit de la thermopompe sont connectés, l'un après l'autre, dans un appareil où ils sont en contact par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur thermique (figure 43). Cet échangeur de chaleur (1) central est le condensateur de la première étape et, simultanément l'évaporateur de la seconde étape. Soupape de détente Évaporateur Figure 43 : Principe d'une pompe à chaleur Vuilleumier La chaleur qui a été mesurée à la première étape est transmise à la seconde étape plus élevée et enfin, délivrée au système de chauffage. Les deux cycles thermodynamiques contiennent normalement deux agents frigorigènes différents, par exemple le R 404 A à l'étape inférieure et le R 134 A à l'étape supérieure. Dans cette exécution, les deux étapes doivent toujours fonctionner en continu puisque seule la première étape peut recueillir la chaleur environnante et seule la second étape est équipée pour délivrer de la chaleur au système de chauffage. Compresseur Admission de chaleur (environnement) Cycle EVI 1. Étape L'autre solution technique pour atteindre des températures de départ élevées avec l'agent frigorigène R 407 C est de modifier le circuit frigorifique en une étape avec injection de vapeur. Par cette méthode appelée Cycle EVI (de l'anglais "Enhanded Vapour Injection") une petite quantité d'agent frigorigène est soutirée, après le condensateur et selon les besoins, au moyen d'une vanne magnétique. Cet agent liquide mais sous pression élevée, est détendu dans une soupape de détente à la pression de réglage des injecteurs et s'évapore dans un échangeur de chaleur séparé. Depuis cet échangeur de chaleur séparé, l'agent frigorigène sous forme de vapeur est transporté vers le compresseur où il est injecté directement dans le processus de condensation (figure 44).

31 Utilisation des pompes à chaleur Une pompe à chaleur avec cycle EVI fonctionne quasi comme une pompe à chaleur simple. L'injection de vapeur ne s'applique que pour des demandes élevées de chaleur ou pour de hautes températures jusqu'à 65 C. Grâce à l'injection de vapeur, la puissance et donc aussi le rendement augmentent fortement jusqu'à un niveau comparable à celui du cycle mono-étagé usuel. L'énergie électrique nécessaire pour la commande du compresseur, est nettement inférieure pour le processus avec EVI à celle qui est nécessaire pour un compresseur théoriquement comparable sans injection de vapeur. La figure 45 montre le "diagramme h, log" du Cycle EVI avec l'agent frigorigène R 407 C (pour comparer, le cycle calorifique usuel est également représenté par une ligne de traits). L'agent frigorigène est refroidi par la vapeur injectée. La baisse de pression qui se produit, en principe, en raison du refroidissement de l'agent est, dès lors, entièrement compensée par quantité d'agent frigorigène injectée, ce qui fait que la ligne de points (4) est tirée horizontalement vers le (5). L'agent frigorigène peut être comprimé plus fortement par le refroidissement, sans dépasser la température maximale admise dans le compresseur. Dès lors, des températures plus élevées sont atteintes à l'entrée de la zone de vapeur. Simultanément, en raison de l'injection complémentaire d'agent frigorigène, le débit massique augmente, ce qui apporte un dégagement de chaleur plus important au système. Ce processus est particulièrement efficace pour les pompes à chaleur air/eau de ce type, par ex. Vitocal 350, Type AWI/AWO. Puisque même pour un air extérieur de -15 C, une chute de température de 80 K est réalisée, alors, une température de départ de 65 C est également garantie pour 15 C. Pression p absolue [bars] Dégagement de chaleur (côté système de chauffage) Échangeur de chaleurséparé Soupape de détente Expansion Condensateur Vanne Canal magnétique capillaire Admission de chaleur (environnement) Évaporateur Condensation Injection de vapeur EVI Figure 44: Schéma de fonctionnement d'une pompe à chaleur à compression avec cycle EVI Liquide Enthalpie h [kj/kg] Évaporation Vapeur surchauffée vapeur Compression PC à 1 étape sans EVI, Type AW : A -15 C / W 45 C PC à 1 étape avec EVI, Type AWH : W 1 2 Évaporation 5 6 Compression 2 3 Surchauffe 6 7 Condensation 3 4 Compression 7 1 Expansion 4 5 Refroidissement par EVI Compresseur sans EVI : la compression requise conduit à une température élevée non admise Figure 45 : Schéma de fonctionnement d'une pompe à chaleur à compression avec cycle EVI (pour une animation du fonctionnement du processus, se référer à l'adresse

32 Utilisation des pompes à chaleur Vitocal Domaine d application élargi En raison de la température de départ élevée par rapport aux pompes à chaleur usuelles, les installations de chauffage peuvent également être approvisionnées par une température de départ de 65 C. De ce fait, il est également possible d'employer des pompes à chaleur pour la rénovation. Même pour des systèmes qui, à l'origine, ont été conçus pour des températures de départ élevées. La raison en est que, le plus souvent, les radiateurs ont été surdimensionnés et que, dans le cadre de travaux de rénovation, du double vitrage a été installé de même qu'une isolation complémentaire. Les besoins caloriques ont clairement baissés. C'est pourquoi lorsque les surfaces d'échange d'origine sont conservées des températures de départ élevées (par ex. 90 C) ne sont plus nécessaires et peuvent souvent être abaissées à 65 C, sans perte de confort (figure 46). Dans ce cas, une pompe à chaleur avec Cycle EVI peut apporter, toute l'année durant, la chaleur nécessaire à répartir par des radiateurs dans toutes les pièces d'habitation pour des systèmes qui, à l''origine, ont été conçus pour 90/70 C. Les pompes à chaleur comme la Vitocal 350 (figure 47) avec injection de vapeur atteignent des températures de départ jusqu'à 65 C et des températures d'eau sanitaire de 58 C. Dès lors, des installations de chauffage qui ont été conçue pour 65/55 C peuvent également être alimentées par l'agent frigorigène R 407 C, sans que le rendement annuel ne descende sous le chiffre 3. Par conséquent, la pompe à chaleur Vitocal 350 offre un confort d'eau chaude sanitaire particulièrement élevé. Température extérieure ta [ C] température max. de départ eau chaude = 35 température max. de départ eau chaude = 55 C température max. de départ eau chaude = 65 C température max. de départ eau chaude = 75 C température max. de départ eau chaude = 90 C Température pouvant être délivrée à un système de chauffage par une pompe à chaleur sans EVI Température pouvant être délivrée à un système de chauffage par une pompe à chaleur avec EVI Figure 46 : Extension du domaine d application des pompes à chaleur avec injection de vapeur (Cycle EVI) La pompe à chaleur Vitocal 350 est si efficace qu'elle peut être employée toute l'année durant comme source unique de chaleur pour le chauffage et l'eau sanitaire (fonctionnement monovalent). En outre, grâce au compresseur Scroll, elle est non seulement fiable mais aussi particulièrement silencieuse. En fonction du concept du système, la fonction de réglage intégrée "Natural cooling" peut être utilisée. En clair : les basses températures du sol ou des eaux souterraines en été peuvent également être utilisées pour refroidir le bâtiment. Par conséquent, la Vitocal 350 est idéalement adaptée pour chauffer ou refroidir vos bâtiments avec la nature. Figure 47 : Vitocal 350 avec température de départ jusqu'à 65 C

33 Utilisation des pompes à chaleur 4.2 Pompes à chaleur dans les maisons à faibles besoins énergétiques et maisons passives Maisons à faibles besoins énergétiques En raison des standards de construction en constante augmentation et de la tendance à placer les installations de chauffage plus près des pièces d'habitation, l'utilisation d'appareils compacts s'impose de plus en plus. Les systèmes de pompes à chaleur typiques, monovalents ou mono-énergétiques sont des appareils compacts développés spécialement pour les maisons à faibles besoins énergétiques. Il s'agit de solutions systèmes complètes qui rassemblent une pompe à chaleur (une pompe à chaleur électrique à compression), un ballon d eau chaude et tous les autres composants, de la taille d'un réfrigérateur avec surgélateur (figure 48) Vitocal 343 Dans la centrale de chauffage compacte Vitocal 343 (figure 48) se trouvent la pompe à chaleur saumure/eau, le ballon d'eau chaude solaire d'une capacité de 250 litres, les circulateurs pour saumure, autrement dit, le chauffage et un circuit solaire en option de même que tous les raccords hydrauliques et le dispositif de réglage sur une base de 600 X 670 mm. Avec des puissances de 6,1 à 9,7 kw, ces pompes à chaleur atteignent des températures de départ jusqu'à 60 C. Pour des températures de départ ou d'eau sanitaire plus élevées, une résistance électrique étagée intégrée peut chauffer l'eau jusqu'à 70 C. Figure 48 : Vitocal 343 Tour de chauffage compacte pour maisons à basse consommation d énergie Vitocal 200 La pompe à chaleur saumure/eau Vitocal 200 (figure 49) dans la catégorie de puissance 6,1 à 9,7 kw, garantit toute l'année, un apport de chaleur confortable à fonctionnement monovalent. La température de départ maximale de 60 C autorise l'utilisation de radiateurs. Le dispositif de réglage permet également l'intégration de deux circuits de chauffage et offre, en outre, la fonction "Natural cooling". Figure 49 : Pompe à chaleur saumure/eau Vitocal 200

34 Utilisation des pompes à chaleur Maisons passives Conformément aux exigences particulières des maisons passives, des solutions systèmes semblables sont également proposées pour ces bâtiments. Parce que dans les maisons passives une ventilation contrôlée est impérative en raison de la méthode de conception étanche à l'air, une pompe à chaleur air/eau avec ventilation contrôlée est combinée dans des appareils compacts pour maisons passives. La pompe à chaleur intégrée utilise la part de chaleur de l'air extrait qui ne peut être employée par la récupération de chaleur de la ventilation et l'utilise pour le post-chauffage de l'air pulsé ou pour la production d'eau chaude sanitaire. De plus, ces appareils peuvent également être raccordés à une installation solaire en support de la production d'eau chaude sanitaire ou à un chauffage conventionnel à eau chaude avec pompe, par exemple pour un système de chauffage par le sol (figure 50). amenée d'air frais chambre à coucher Capteurs solaires salle de bain air extérieur amenée d'air frais séjour cuisine chambre d'enfant Figure 50 : Schéma de l'appareil compact Vitotres 343 pour maisons passives Amenée d'air frais Air extérieur (Filtre classe F7) Air extérieur pompe à chaleur Un tel appareil compact se trouve, par exemple, au rez-de-chaussée d'une maison passive à Herzhausen (figure 51), Edermeer. Elle y fonctionne depuis l'été Cet appareil chauffe une superficie de 180 m 2 et un volume d'environ 450 m 3. En raison des dimensions compactes de l'appareil, une surface de 3m 2 est largement suffisante (figure 52). Dans ce local technique, tous les tuyaux du système de ventilation se rencontrent aussi et sont raccordés à l'appareil. Figure 51 : Maison Passive à Herzhausen, Edermeer Les avantages de cet appareil se situent dans sa conception compacte qui permet l'introduction de la pompe à chaleur et du ballon d eau chaude en une seule phase. En outre, les appareils compacts sont entièrement prémontés en usine ce qui en simplifie le montage et réduit considérablement les frais d'installation. Figure 52 : Vitotres 343 dans la Maison Passive à Herzhausen, Edermeer

35 Utilisation des pompes à chaleur Vitotres 343 La centrale de chauffage compacte Vitotres 343 de Viessmann (figure 53) a été conçue spécialement pour les maisons passives. En tant que solution système pour ce type de bâtiment, la Vitotres 343 combine une pompe à chaleur air/eau avec une ventilation contrôlée et un ballon d eau chaude. L'appareil de ventilation récemment développé avec récupération de chaleur jusqu'à max. 93% approvisionne les pièces d'habitation au moyen d'un système de tubes à air frais et aspire l'air vicié de la cuisine et de la salle de bain. En plus, la pompe à chaleur (puissance 1,5 kw) utilise la part de chaleur qui ne peut pas être employée par la récupération de chaleur de la ventilation et l'utilise pour le post-chauffage de l'amenée d'air frais ou pour la production d'eau chaude sanitaire (figure 54). Si le volume d'air réglé (par ex. faible consommation la nuit) ne suffit pas à produire la puissance calorifique nécessaire, une quantité déterminée d'air extérieur est aspirée automatiquement. Figure 53 : Vitotres Tour de chauffage compacte pour maisons passives De plus, une installation solaire peut également être raccordée à la Vitotres 343 en support de la production d'eau chaude sanitaire. Pendant les journées extrêmement froides avec d'importants besoins caloriques, une résistance électrique intégrée à trois niveaux assure l'apport de chaleur. Figure 55 : Dispositif de réglage CD 70 commandé par menu Figure 54 : Groupe de récupération de chaleur avec turbine et unité de dérivation

36 Utilisation des pompes à chaleur 4.3 Pompes à chaleur pour grands immeubles Les développements positifs depuis le début des années '90 du marché de la pompe à chaleur en Allemagne concernent presque exclusivement les pompes à chaleur à bas rendement. Ainsi, elles sont principalement installées dans des habitations unifamiliales et bifamiliales. C'est pourquoi, cela donne l'impression que les pompes à chaleur ne sont adaptées qu'à de plus petits bâtiments avec des besoins caloriques relativement peu importants. En principe, les pompes à chaleur peuvent avoir des rendements plus importants si elles ont été conçues à cet effet. Ces systèmes peuvent produire de la chaleur, tout au long de l'année en tant que source unique, pour le chauffage et la production d'eau chaude pour les bâtiments industriels, les hôtels, hôpitaux, écoles et maisons plurifamiliales. Figure 56 : Pompe à chaleur de moyenne puissance : Vitocal 300 (39,6 à 106,8 kw) Des pompes à chaleur dites de "moyenne dimension", avec des puissances comprises entre +/- 20 et 200 kw, sont installées dans de plus grands bâtiments. Le fait que les pompes à chaleur avec une puissance relativement modeste de 20 kw puissent déjà être classifiées de "pompes à chaleur de moyenne dimension" tient au fait qu'elles sont moins fréquentes que dans les pays comme la Suède et la Suisse. Ainsi, le service fédéral suisse pour l'énergie (BFE) fixe la limite inférieure pour les pompes à chaleur moyennes à 50 kw. Dans les pays nordiques comme la Suède, on commence à parler de pompe à chaleur de moyenne dimension à partir de 100 kw. Pour cela, de nombreuses installations avec d'importantes pompes à chaleur sont également en fonctionnement, avec des puissance atteignant le mégawatt (illustration 57). Figure 57 : Six pompes à chaleur eau/eau Vitocal 300 fournissent, ensemble, une puissance de 640 kw dans une installation de chauffage de proximité en Suède.

37 Utilisation des pompes à chaleur Pompes à chaleur à deux allures Dégagement de Retour du circuit de Les pompes à chaleur typiques de taille chaleur (côté système chauffage de chauffage) moyenne se composent de deux étages de compression avec compresseurs électriques. Dans la Vitocal 300 illustrée Départ chauffage (figure 56), deux modules de compresseur fonctionnent en parallèle, côte à côte, avec la même puissance. L'avantage en Condensateur Condensateur est que si les besoins caloriques sont faibles, un des deux modules peut être coupé. A la première étape, la pompe à Compresseur Compresseur chaleur délivre la moitié de sa puissance. Soupape de Soupape de Pour atteindre le rendement total, le détente détente dispositif de réglage s'enclenche automatiquement à la seconde étape. En outre, la fiabilité élevée du fonctionnement est assurée grâce à ces deux modules de compresseur. Si un des modules tombe en panne, l'autre peut encore délivrer une Évaporateur Évaporateur charge partielle de 50% (figure 58). La pompe à chaleur Vitocal 300 permet de réaliser, grâce à son dispositif de réglage intégré, une durée de parcours uniforme, de sorte que les deux compresseurs réalisent le même nombre d'heures. Pour atteindre des puissances encore plus importantes, plusieurs pompes à chaleur indépendantes peuvent être reliées entre elles par l'intermédiaire des circuits d'amenée et de retour (figure 59). Comme pour le montage en cascade des chaudières, cela apporte une fiabilité particulièrement élevée de toute l'installation. Admission de chaleur (environnement) Figure 58 : Schéma de fonctionnement simplifié de la disposition parallèle des deux étages de compresseurs Circuit de chauffage Circuit de chauffage chauffage par le sol Vitocal 300 à haut rendement La pompe à chaleur Vitocal atteint, par son exécution à deux étages, une puissance calorifique jusqu'à 106,8 kw et est adaptée pour les sources de chaleur eau souterraine et sol. De ce fait, elles s'accordent à chaque besoin et toutes les exigences. La conception modulaire sur base de deux circuits de compresseur séparés assure un rendement particulièrement élevé à charge partielle. Pompe à chaleur Pompe à chaleur Pompe à chaleur Tampon Figure 59 : Exemple d'une installation du côté secondaire pour un montage en cascade de pompes à chaleur

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