Pompes à chaleur à air par temps froid

La principale limitation des pompes à chaleur à air est une baisse significative de leurs performances lorsque les températures extérieures atteignent le point de congélation.

Les pompes à chaleur apparaissent comme une solution efficace pour le chauffage et la climatisation des locaux, en particulier lorsqu'elles sont utilisées dans des systèmes à débit de réfrigérant variable. Ils peuvent égaler les systèmes de climatisation les plus efficaces en mode refroidissement et rivaliser avec le faible coût du chauffage à combustion tout en utilisant uniquement de l'électricité. Par rapport à un chauffage à résistance conventionnel, une pompe à chaleur permet de réaliser des économies de l'ordre de 40 à 80 pour cent, selon le modèle spécifique et les conditions de fonctionnement.

Alors que les pompes à chaleur à air échangent la chaleur directement avec l’air extérieur, les pompes à chaleur géothermiques profitent de la température stable du sous-sol pour atteindre un rendement plus élevé. Compte tenu du prix élevé et des installations complexes d’un système géothermique, les pompes à chaleur à air sont l’option la plus courante.

La principale limitation des pompes à chaleur à air est une baisse significative de leurs performances lorsque les températures extérieures atteignent le point de congélation. Les ingénieurs de conception doivent tenir compte de l'effet des conditions météorologiques locales lors de la spécification d'une pompe à chaleur et s'assurer que le système est équipé de mesures adéquates pour les températures les plus basses attendues.

Comment le froid extrême affecte-t-il les pompes à chaleur à air ?

Le principal défi lors de l’utilisation d’une pompe à chaleur à air par temps de gel est de contrôler l’accumulation de glace sur les serpentins extérieurs. Étant donné que l’unité élimine la chaleur de l’air extérieur déjà froid, l’humidité peut facilement s’accumuler et geler à la surface de ses serpentins.

Bien que le cycle de dégivrage de la pompe à chaleur puisse faire fondre la glace sur les serpentins extérieurs, l'unité ne peut pas fournir de chauffage pendant la durée du cycle. À mesure que les températures extérieures baissent, la pompe à chaleur doit entrer plus fréquemment dans le cycle de dégivrage pour compenser la formation de glace, ce qui limite la chaleur délivrée aux espaces intérieurs.

Étant donné que les pompes à chaleur géothermiques n’échangent pas de chaleur avec l’air extérieur, elles sont relativement peu affectées par les températures glaciales. Cependant, ils nécessitent des excavations qui peuvent être difficiles à réaliser sous les bâtiments existants, notamment dans les zones urbaines surpeuplées.

Spécification des pompes à chaleur à air pour le temps froid

Lors de l’utilisation de pompes à chaleur à air avec des températures glaciales, il existe deux manières principales de compenser la perte de chaleur pendant les cycles de dégivrage :

Ajout d'un système de chauffage d'appoint, généralement un brûleur à gaz ou un radiateur électrique à résistance.
Spécification d'une pompe à chaleur avec mesures intégrées contre l'accumulation de gel.
Les systèmes de chauffage d'appoint pour les pompes à chaleur à air constituent une solution simple, mais ils ont tendance à augmenter le coût de possession du système. Les considérations de conception changent en fonction du type de chauffage d'appoint spécifié :

Un radiateur électrique à résistance fonctionne avec la même source d’énergie que la pompe à chaleur. Cependant, il consomme plus de courant pour une charge de chauffage donnée, ce qui nécessite une capacité de câblage accrue. L’efficacité globale du système diminue également, puisque le chauffage par résistance est beaucoup moins efficace que le fonctionnement d’une pompe à chaleur.
Un brûleur à gaz atteint un coût d'exploitation bien inférieur à celui d'un chauffage à résistance. Cependant, cela nécessite une alimentation en gaz et un système d’échappement, ce qui augmente le coût de l’installation.
Lorsqu'un système de pompe à chaleur utilise un chauffage d'appoint, une pratique recommandée consiste à régler le thermostat à une température modérée. Cela minimise la fréquence du cycle de dégivrage et la durée de fonctionnement du système de chauffage d'appoint, réduisant ainsi la consommation totale d'énergie.

Pompes à chaleur avec mesures intégrées contre le froid

Les pompes à chaleur à air des principaux fabricants sont généralement conçues pour des températures extérieures aussi basses que -4 °F. Cependant, lorsque les unités sont renforcées par des mesures par temps froid, leur plage de fonctionnement peut s'étendre en dessous de -10°F ou même de -20°F. Voici quelques caractéristiques de conception courantes utilisées par les fabricants de pompes à chaleur pour atténuer l’impact du cycle de dégivrage :

Certains fabricants incluent des accumulateurs de chaleur, qui peuvent continuer à fournir de la chaleur lorsque la pompe à chaleur entre dans le cycle de dégivrage.
Il existe également des configurations de pompe à chaleur dans lesquelles l'une des conduites de réfrigérant chaud circule à travers l'unité extérieure pour éviter le gel. Le cycle de dégivrage ne s'active que lorsque cet effet de chauffage n'est pas suffisant.
Lorsqu'un système de pompe à chaleur utilise plusieurs unités extérieures, celles-ci peuvent être programmées pour entrer dans le cycle de dégivrage dans une séquence et non simultanément. De cette façon, le système ne perd jamais sa pleine capacité de chauffage à cause du dégivrage.
Les unités extérieures peuvent également être équipées de boîtiers qui protègent l'unité des chutes de neige directes. De cette façon, l’unité ne doit traiter que la glace qui se forme directement sur les serpentins.
Même si ces mesures n’éliminent pas complètement le cycle de dégivrage, elles peuvent réduire son impact sur la puissance calorifique. Pour obtenir les meilleurs résultats avec un système de pompe à chaleur à air, la première étape recommandée est une évaluation de la météo locale. De cette façon, un système adéquat peut être spécifié dès le départ ; ce qui est plus simple et moins coûteux que de mettre à niveau une installation inadaptée.

Mesures complémentaires pour améliorer l’efficacité des pompes à chaleur

Avoir un système de pompe à chaleur économe en énergie réduit les dépenses de chauffage et de climatisation. Cependant, le bâtiment lui-même peut également être conçu pour minimiser les besoins de refroidissement en été et de chauffage en hiver. Une enveloppe de bâtiment dotée d’une isolation et d’une étanchéité à l’air adéquates minimise les besoins de chauffage et de climatisation, par rapport à un bâtiment mal isolé et présentant de nombreuses fuites d’air.

Les commandes de ventilation contribuent également à l’efficacité du chauffage et de la climatisation, en ajustant le débit d’air en fonction des besoins du bâtiment. Lorsque les systèmes de ventilation fonctionnent constamment à plein débit, le volume d’air à conditionner est plus élevé. En revanche, si la ventilation est ajustée en fonction de l'occupation, le volume total d'air à climatiser est inférieur.

Il existe une large gamme de configurations de chauffage et de refroidissement pouvant être déployées dans les bâtiments. Cependant, le coût de possession le plus bas est obtenu lorsque l'installation est optimisée en fonction des besoins du bâtiment.

Article de Michael Tobias
Référence : Tobias, M. (nd). Veuillez activer les cookies. StackPath. https://www.contractormag.com/green/article/20883974/airsource-heat-pumps-in-cold-weather.
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