Pompes à chaleur
Les pompes à chaleur sont de plus en plus utilisées pour chauffer les bâtiments et préparer l'eau chaude sanitaire. Comme leur nom l'indique, ces appareils «pompent de la chaleur», c'est-à-dire prélever de la chaleur dans un milieu avec une température plus basse (ex: air extérieur, sol ou eau) et la transférer vers un milieu dont la température est plus élevée (ex: air dans une pièce ou eau dans une installation). ).
Chacun de nous connaît cette technologie de chez lui, car les réfrigérateurs domestiques fonctionnent selon le même principe. Ils captent la chaleur de l'air à l'intérieur du réfrigérateur (qui est froid) et la transfèrent à l'air ambiant.
Bien entendu, dans la nature, il n'y a pas de phénomène spontané de transfert de chaleur d'un milieu plus froid vers un milieu plus chaud. Le transport de chaleur par une pompe à chaleur nécessite donc de l'énergie. En règle générale, c'est un courant électrique pour entraîner le compresseur.
Bien qu'il s'agisse d'un vecteur d'énergie coûteux, les pompes à chaleur sont très bon marché à exploiter, car ces appareils, consommant 1 kWh d'électricité, fournissent 3-4 kWh d'énergie thermique à l'installation. La différence de 2 à 3 kWh correspond à la chaleur prélevée dans l'environnement du bâtiment. De cette manière, 1 kWh d'énergie pour chauffer une maison coûte 3 à 4 fois moins cher que lors de l'utilisation directe de l'électricité, par exemple pour alimenter des radiateurs électriques.
Après la conversion, il s'avère que l'énergie fournie à l'installation par la pompe à chaleur est moins chère que la chaleur produite par la chaudière à condensation au gaz naturel. Cependant, comme toujours, pour épargner, vous devez d'abord investir. En ce qui concerne les pompes à chaleur, cet investissement est assez coûteux.
Efficacité des pompes à chaleur
Les données techniques des pompes à chaleur donnent leur efficacité sous la forme de l'indice COP. C'est le quotient de la quantité de chaleur transférée à l'installation par rapport à la quantité d'électricité consommée par le compresseur.
En pratique, on divise la somme de la quantité d'énergie prélevée sur l'environnement (air, eau ou sol) et la puissance du compresseur par la puissance du compresseur. Par exemple, si la pompe à chaleur prélève 6 kW d'énergie du sol et que la puissance du compresseur est de 2 kW, alors le COP est (6 + 2) / 2 = 4.
Le COP n'est pas constant; varie en fonction de la température de la saumure et de la température requise dans le système de chauffage. Selon la température et le type de source de chaleur, le COP peut varier d'un peu plus de 2 à 5,5 ou plus.
Les valeurs COP données supposent une installation sur tout le sol où la température maximale de l'eau ne dépassera pas 35 ° C en hiver. Lorsqu'il est installé avec des radiateurs, l'efficacité baissera même de 1-1,5. Sur cette base, on peut dire que la meilleure solution est d'utiliser le chauffage par le sol dans toute la maison. L'investissement ne sera pas beaucoup plus cher que l'utilisation de radiateurs. Il faut tenir compte du fait que la pompe à chaleur nécessiterait des radiateurs beaucoup plus gros qui pourraient chauffer la maison à une température de l'eau de 55 ° C ou moins.
L'efficacité de l'ensemble de l'installation ne sera élevée qu'avec une sélection rigoureuse de la pompe à chaleur elle-même, ainsi que de la source de chaleur et de l'installation de chauffage.
Il semble déraisonnable d'acheter une pompe à chaleur, de fabriquer, par exemple, des sondes géothermiques et d'utiliser des appareils de chauffage dans la maison qui nécessitent de chauffer l'eau en hiver à 55 ° C. En utilisant juste une installation un peu moins chère avec des radiateurs au lieu d'une installation au sol, nous réduisons considérablement l'efficacité des installations de chauffage avec une pompe à chaleur.
Pompes à chaleur et écologie
Il y a un débat autour des pompes à chaleur sur leur impact sur l'environnement. D'une part, ce sont des dispositifs qui permettent l'utilisation des énergies renouvelables dans une large mesure. En revanche, 25% de l'énergie conventionnelle utilisée pour les alimenter est de l'électricité.
En Pologne, il est principalement produit dans des centrales électriques au charbon dont le rendement ne dépasse pas 25 à 30% après prise en compte des pertes de transport. L'utilisation de pompes à chaleur augmente donc la consommation d'électricité, dont la production est une lourde charge environnementale.
La situation est simple dans les pays où l'électricité est largement produite à partir d'énergies renouvelables. En utilisant des pompes à chaleur là-bas, nous utilisons de l'énergie verte et en même temps nous obtenons de la chaleur de l'environnement de la maison.
En Pologne, l'utilisation de pompes à chaleur peut être considérée comme une amélioration de l'efficacité du système énergétique. Si l'industrie électrique n'utilise que 25% de l'énergie contenue dans le carburant, et dans la pompe, en consommant 1 kWh d'électricité, on peut fournir environ 4 kWh d'énergie thermique à l'installation, c'est comme utiliser 100% de l'énergie contenue dans le carburant.
Certes, l'utilisation des pompes à chaleur ne sera plus controversée lorsqu'il est possible de produire (et vendre) de l'électricité chez soi, par exemple en utilisant des éoliennes ou des cellules photovoltaïques. Grâce à eux, une partie de l'énergie pour l'entraînement du compresseur sera produite de manière écologique.
En raison de ces controverses, ce n'est qu'en 2009 que les pompes à chaleur ont été répertoriées parmi les appareils utilisant des énergies renouvelables dans la directive européenne. Connaissant le principe de fonctionnement des pompes à chaleur, il ne faut pas penser à leur classification, mais comment rendre la production d'électricité plus efficace et respectueuse de l'environnement.
Types de pompes et sources de chaleur plus basses
En termes de coûts d'investissement, beaucoup dépend du type de pompe à chaleur. Actuellement, nous avons un grand nombre de solutions sur le marché. Les pompes à chaleur sont principalement divisées en fonction du type de source de chaleur avec laquelle elles coopèrent. Les trois types les plus importants sont les appareils qui utilisent la chaleur accumulée dans le sol, l'eau et l'air.
POMPES À CHALEUR, TYPE SAUMURE-EAU Ce sont des appareils qui tirent l'énergie du sol. Pour cela, des tuyaux en polyéthylène sont placés dans le sol dans lequel circule un fluide antigel. Le matériau du tuyau capte la chaleur du sol et la transfère au fluide. La pompe à chaleur refroidit ensuite la solution de glycol de 2 à 4 ° C et transfère la chaleur au système. Aussi abstrait que cela puisse paraître, en hiver, la pompe à chaleur extrait l'énergie du sol, qui est souvent inférieure ou égale à 0 ° C, et la transfère à l'eau du système, qui peut atteindre 55-60 ° C (par exemple lors du chargement d'un ballon d'eau chaude). eau).
L'installation pour obtenir de la chaleur à partir du sol situé à l'extérieur du bâtiment est appelée source de chaleur inférieure. Cela peut être fait de plusieurs manières; les plus populaires sont les sondes géothermiques verticales et un collecteur sinueux plat.
Sondes verticales. Dans les puits d'une longueur d'environ 100 m, un tuyau en polyéthylène en forme de U est placé. Pour le bâtiment que nous envisageons, il faudrait faire 1 ou 2 forages (selon la variante de maison et le type de sol). L'avantage de ce type de source inférieure est la possibilité de faire l'installation même sur une petite parcelle. L'inconvénient des sondes géothermiques verticales est leur coût considérable; le prix moyen d'un puits de 1 mètre est de 100 à 120, donc nos puits peuvent coûter de 10 000 à 24 000 au total. Collecteur à plaque
plate. C'est une solution populaire et légèrement moins chère qui ne nécessite pas de forage profond. Les tuyaux sont placés sur la parcelle horizontalement, à faible profondeur. L'inconvénient d'un collecteur plat est, malheureusement, la nécessité de faire de la place. La surface requise dépend de la puissance de la pompe et du type de sol; dans les sols secs, il est même 2-3 fois plus élevé que dans les sols cohésifs humides. Dans les conditions moyennes de notre bâtiment, nous aurons besoin de 200 à 400 m2 d'espace pour un collecteur plat. Cependant, le coût d'une telle installation peut être presque 2 fois inférieur à celui des puits verticaux.
POMPES À CHALEUR EAU-EAU. C'est une solution moins populaire dans laquelle la chaleur est collectée non pas du sol, mais des eaux souterraines. Le plus souvent à cette fin, deux puits sont réalisés - l'admission et l'absorption (décharge). Lorsque la pompe à chaleur fonctionne, la pompe submersible démarre et alimente en eau un puits de prélèvement. La pompe à chaleur le refroidit d'environ 2-4 ° C, après quoi il est évacué dans le puits d'absorption.
Théoriquement, cette solution présente de grands avantages. Premièrement, la température moyenne d'entrée d'eau est plus élevée que la température du sol (8-10 ° C au lieu de 0-5 ° C). Cette différence apparemment faible augmente le rendement de la pompe à chaleur d'environ 3-4 à 5-5,5, de sorte que les coûts d'exploitation de l'installation diminuent. De plus, la construction d'un puits d'admission et d'absorption est souvent une solution peu coûteuse, comparable aux coûts de réalisation d'un collecteur plat. Ceci, bien sûr, dépend des conditions hydrogéologiques de la parcelle.
Le principal inconvénient de l'utilisation des eaux souterraines comme source de chaleur est le risque de dégradation des performances ou de blocage dans le temps.
Dans de nombreuses régions de Pologne, la composition chimique de l'eau fait qu'après un an, et parfois même plusieurs mois de fonctionnement, le puits de rejet perd de son efficacité. Les parois du puits deviennent envahies par la végétation et il n'est pas en mesure de recevoir régulièrement de l'eau glacée. Le résultat est le manque de débit d'eau et l'arrêt d'urgence de la pompe ou l'apparition d'une source sur notre parcelle lorsque le puits de décharge n'est pas en mesure d'absorber l'eau.
Pour cette raison, il est indispensable de réaliser des tests de propriétés de l'eau avant de réaliser une telle installation afin d'évaluer le risque de contamination de l'installation.
Il vaut également la peine de vérifier s'il existe des installations similaires dans la zone et si le puits de décharge n'y est pas envahi. En raison de ce phénomène, ce type de source de fond n'est pas populaire en Pologne.
POMPES À CHALEUR AIR-EAU . Comme son nom l'indique, l'air environnant le bâtiment est utilisé comme source de chaleur la plus basse (dans certains cas, on peut également utiliser l'air chaud extrait du bâtiment).
Lorsque la pompe à chaleur est en marche, un grand ventilateur force l'air à travers l'échangeur de chaleur. Après refroidissement, il est évacué vers l'extérieur. Le plus grand avantage de cette solution est qu'il n'est pas nécessaire de réaliser des sondes de terre, un collecteur plat ou un puits d'admission et d'évacuation. Le coût d'investissement est donc plus faible.
Cependant, on ne peut pas dire que les économies sont égales aux coûts de la source souterraine sous forme de sondes ou de puits, car en raison des échangeurs de chaleur différents, plus chers et plus grands, la pompe à chaleur air-eau coûte plus cher que les modèles eau glycolée ou eau-eau. Après tout, si nous utilisions une telle pompe dans notre maison «cyclable», les coûts d'investissement pourraient être réduits de 5 000 à 10 000.
Cependant, il faut tenir compte du fait que la température moyenne de la source de chaleur sous forme d'air pendant la saison de chauffage est bien inférieure à la température du sol ou des eaux souterraines. Par conséquent, le rendement de la pompe à chaleur dans ce cas est plus faible, seulement autour de 2,8-3.
Bien que certains modèles puissent obtenir de la chaleur même à partir de l'air avec une température de -20 ou même -25 ° C, en règle générale, afin de fournir une quantité de chaleur appropriée au bâtiment pendant cette période, la pompe à chaleur doit être soutenue par un radiateur électrique, ce qui réduit bien sûr le rendement annuel de l'installation. .
Néanmoins, les pompes à chaleur air / eau sont de plus en plus populaires. Fait intéressant, cette solution est très populaire en Suède et en Norvège, c'est-à-dire dans les pays au climat rigoureux. En Pologne, les pompes à chaleur air / eau sont souvent utilisées comme source de support d'installations classiques, par exemple avec une chaudière à gaz. Dans un tel système, la pompe à chaleur fonctionne lorsque ses coûts d'exploitation sont inférieurs à ceux d'une source de chaleur conventionnelle. De cette manière, les coûts d'exploitation annuels de l'installation peuvent être réduits, et la différence peut être importante, car la réduction de la consommation de gaz peut modifier le tarif selon lequel nous sommes facturés. En conséquence, les coûts fixes à eux seuls diminueront de plusieurs centièmes par an.
Sélection de pompes à chaleur pour des variantes de maisons individuelles.
Une sélection correcte de la puissance de la pompe à chaleur et de la source auxiliaire éventuelle doit assurer le chauffage du bâtiment et la préparation de l'eau chaude tout au long de la saison de chauffage, ainsi que le maintien des paramètres appropriés de la source de chaleur inférieure.
Par exemple, du point de vue des coûts d'investissement, il serait possible d'utiliser une pompe à chaleur d'une puissance d'environ 20% inférieure aux pertes de chaleur calculées. Cela signifiera que lors de fortes gelées, la pompe à chaleur sera soutenue par une source de chaleur conventionnelle (par exemple un radiateur électrique).
Théoriquement, nous économisons ainsi lors de l'achat d'une pompe à chaleur et lors de la fabrication d'une source de chaleur. Cependant, les coûts d'exploitation de l'installation seront légèrement plus élevés en raison de la nécessité d'une utilisation périodique du radiateur électrique.
Il faut également rappeler qu'une pompe à chaleur d'une puissance inférieure à la demande de chaleur du bâtiment devra fonctionner très longtemps. Si elle dépasse 2 200 à 2400 heures par an, on peut s'attendre à ce que la température de la saumure baisse d'année en année.
La même chose se produira avec l'efficacité de la pompe à chaleur. Ainsi, lorsque l'on cherche des économies au stade de la construction d'une maison, on pourrait en fait utiliser une pompe à chaleur avec une puissance légèrement inférieure, mais alors la source de chaleur la plus basse devrait être surdimensionnée. Grâce à cela, la température de la saumure ne baissera pas rapidement.
Afin d'éviter une mauvaise sélection, additionnez la puissance nécessaire pour chauffer le bâtiment avec la puissance nécessaire pour préparer l'eau chaude. 0,25 kW / personne pour une faible consommation d'eau chaude, 0,5 kW / personne pour une consommation plus élevée. De plus, à la fin, il vaut la peine de diviser la demande totale d'énergie pour le chauffage du bâtiment et la préparation d'eau chaude par la puissance de la pompe à chaleur pour déterminer sa durée de fonctionnement annuelle. Il ne doit pas dépasser 2000-2200 heures par an.
Nous sélectionnerons les pompes à chaleur afin qu'elles fournissent la bonne quantité d'énergie pour le chauffage et l'eau chaude. Cela dépendra de la variante de la maison.
VARIANTE I. Pour une maison "standard" avec une perte de chaleur de 9,9 kW, on ajoute la puissance nécessaire pour préparer de l'eau chaude 4 × 0,25 kW, soit 1 kW; au total, il sera de 10,9 kW. Une pompe à chaleur d'une capacité de 11 à 12 kW serait ici idéale. Du fait que la plupart des fabricants disposent de pompes à chaleur d'une puissance d'environ 10 kW puis immédiatement 14 kW, on suppose finalement une puissance de 10,5 kW.
Les coûts d'achat et de montage de l'installation sont les suivants: pompe à chaleur 10,5 kW - 38 500; source inférieure (environ 200 m de forages) - environ 20 000 à 24 000; main-d'oeuvre et petit autre équipement - 3000-5000.
Au total, ils s'élèveront à: 61 500 à 67 500.
VARIANT II. Dans une maison bien isolée, la demande de chaleur pour chauffer le bâtiment est d'environ 6,5 kW; avec une allocation pour la préparation de l'eau chaude, nous aurons besoin d'une puissance de 7,5 à 8 kW. Nous utiliserons un modèle d'une puissance d'environ 8 kW.
Les coûts d'investissement comprennent: une pompe à chaleur avec réservoir d'eau chaude intégré - 36 800; source inférieure (environ 150 m de forages) - 15 000-18 000; main-d'oeuvre et petit autre équipement - 3000-5000.
Au total, ils s'élèveront à: 54 800 à 61 800.
VARIANT III. Pour une maison bien isolée avec ventilation mécanique, les coûts d'investissement totaux sont: la plus petite pompe à chaleur disponible d'une puissance d'environ 5,9 kW - 34 400; source inférieure (environ 100 m de forages) - 10 000-12 000; main-d'oeuvre et petit autre équipement - 3000-5000.
Au total, ils s'élèveront à: 47 400-51 400.
Dans le tableau (voir), nous avons comparé les coûts d'exploitation de la pompe à chaleur pour les différentes variantes de notre maison avec les coûts d'exploitation de la chaudière à condensation, dont nous avons traité dans le numéro d'août; ils allaient de 2 375 à 5 434.
Il montre que les coûts de fonctionnement des pompes à chaleur sont bien inférieurs, mais de nombreuses personnes sont effrayées par les coûts d'investissement élevés d'une telle solution. Il va sans dire que lorsqu'on compare des pompes avec des chaudières, le temps de récupération de la différence des coûts d'investissement est assez long. Pour ces raisons, dans les régions équipées de gaz naturel, il semble plus rationnel d'utiliser une chaudière au lieu d'une pompe à chaleur.
Cependant, dans le cas de vecteurs d'énergie coûteux, tels que le GPL ou le mazout, il vaut la peine de remplacer les chaudières par une pompe à chaleur. Les coûts d'exploitation de l'installation seront plusieurs fois inférieurs.
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