Chauffage et refroidissement avec une pompe à chaleur - Partie 1

Introduction

Si vous explorez des options pour chauffer et climatiser votre maison ou réduire vos factures d’énergie, vous voudrez peut-être envisager un système de pompe à chaleur. Les thermopompes sont une technologie éprouvée et fiable au Canada, capable de contrôler le confort de votre maison toute l'année en fournissant de la chaleur en hiver, du refroidissement en été et, dans certains cas, en chauffant de l'eau chaude pour votre maison.

Les pompes à chaleur peuvent constituer un excellent choix dans diverses applications, aussi bien pour les nouvelles maisons que pour la rénovation de systèmes de chauffage et de climatisation existants. Ils constituent également une option lors du remplacement des systèmes de climatisation existants, car le coût supplémentaire du passage d'un système de refroidissement uniquement à une pompe à chaleur est souvent assez faible. Compte tenu de la multitude de types et d’options de systèmes, il peut souvent être difficile de déterminer si une pompe à chaleur est la bonne option pour votre maison.

Si vous envisagez une thermopompe, vous vous posez probablement un certain nombre de questions, notamment :

• Quels types de pompes à chaleur existe-t-il ?
• Quelle part de mes besoins annuels en chauffage et en climatisation une pompe à chaleur peut-elle répondre ?
• De quelle taille de pompe à chaleur ai-je besoin pour ma maison et mon application ?
• Combien coûtent les pompes à chaleur par rapport à d’autres systèmes et combien puis-je économiser sur ma facture d’énergie ?
• Vais-je devoir apporter des modifications supplémentaires à ma maison ?
• Quelle quantité d’entretien le système nécessitera-t-il ?

Ce livret fournit des faits importants sur les thermopompes pour vous aider à être mieux informé et vous aider à faire le bon choix pour votre maison. En utilisant ces questions comme guide, ce livret décrit les types de pompes à chaleur les plus courants et aborde les facteurs impliqués dans le choix, l'installation, le fonctionnement et l'entretien d'une pompe à chaleur.

Public visé

Ce livret est destiné aux propriétaires qui recherchent des informations générales sur les technologies de pompes à chaleur afin de soutenir une prise de décision éclairée concernant la sélection et l'intégration, l'exploitation et la maintenance du système. Les informations fournies ici sont générales et les détails spécifiques peuvent varier en fonction de votre installation et du type de système. Ce livret ne doit pas remplacer une collaboration avec un entrepreneur ou un conseiller en énergie, qui s'assurera que votre installation réponde à vos besoins et aux objectifs souhaités.

Une note sur la gestion de l’énergie à la maison

Les pompes à chaleur sont des systèmes de chauffage et de climatisation très efficaces et peuvent réduire considérablement vos coûts énergétiques. En considérant la maison comme un système, il est recommandé de minimiser les pertes de chaleur de votre maison provenant de zones telles que les fuites d’air (à travers les fissures, les trous), les murs, plafonds, fenêtres et portes mal isolés.

S'attaquer d'abord à ces problèmes peut vous permettre d'utiliser une pompe à chaleur de plus petite taille, réduisant ainsi les coûts d'équipement de la pompe à chaleur et permettant à votre système de fonctionner plus efficacement.

Un certain nombre de publications expliquant comment procéder sont disponibles auprès de Ressources naturelles Canada.

Qu’est-ce qu’une pompe à chaleur et comment fonctionne-t-elle ?

Les thermopompes sont une technologie éprouvée qui est utilisée depuis des décennies, tant au Canada que dans le monde, pour fournir efficacement du chauffage, de la climatisation et, dans certains cas, de l'eau chaude aux bâtiments. En fait, il est probable que vous interagiez quotidiennement avec la technologie des pompes à chaleur : les réfrigérateurs et les climatiseurs fonctionnent selon les mêmes principes et la même technologie. Cette section présente les bases du fonctionnement d'une pompe à chaleur et présente différents types de systèmes.

Concepts de base de la pompe à chaleur

Une pompe à chaleur est un appareil électrique qui extrait la chaleur d’un endroit à basse température (une source) et la transmet à un endroit à température plus élevée (un puits).

Pour comprendre ce processus, pensez à une balade à vélo sur une colline : aucun effort n'est requis pour passer du haut de la colline au bas, car le vélo et le cycliste se déplaceront naturellement d'un endroit élevé à un endroit plus bas. Cependant, gravir une colline demande beaucoup plus de travail, car le vélo se déplace dans le sens contraire de la direction naturelle du mouvement.

De la même manière, la chaleur circule naturellement depuis des endroits où la température est plus élevée vers des endroits où la température est plus basse (par exemple, en hiver, la chaleur de l'intérieur du bâtiment est perdue vers l'extérieur). Une pompe à chaleur utilise de l’énergie électrique supplémentaire pour contrer le flux naturel de chaleur et pomper l’énergie disponible dans un endroit plus froid vers un endroit plus chaud.

Alors, comment une pompe à chaleur chauffe-t-elle ou refroidit-elle votre maison ? À mesure que l’énergie est extraite d’une source, la température de la source diminue. Si la maison est utilisée comme source, l’énergie thermique sera éliminée, refroidissant cet espace. C’est ainsi que fonctionne une pompe à chaleur en mode refroidissement, et c’est le même principe utilisé par les climatiseurs et les réfrigérateurs. De même, à mesure que de l’énergie est ajoutée à un évier, sa température augmente. Si la maison est utilisée comme évier, de l’énergie thermique sera ajoutée, chauffant l’espace. Une pompe à chaleur est entièrement réversible, ce qui signifie qu’elle peut à la fois chauffer et rafraîchir votre maison, offrant ainsi un confort toute l’année.

Sources et puits pour pompes à chaleur

La sélection de la source et du puits pour votre système de pompe à chaleur contribue grandement à déterminer les performances, les coûts d'investissement et les coûts d'exploitation de votre système. Cette section donne un bref aperçu des sources et des puits courants pour les applications résidentielles au Canada.

Sources : Deux sources d’énergie thermique sont les plus couramment utilisées pour chauffer les maisons avec des thermopompes au Canada :

• Source d'air : La pompe à chaleur extrait la chaleur de l'air extérieur pendant la saison de chauffage et rejette la chaleur à l'extérieur pendant la saison de refroidissement estivale.
• Il peut être surprenant de savoir que même lorsque les températures extérieures sont froides, une grande quantité d'énergie reste disponible et peut être extraite et livrée au bâtiment. Par exemple, la chaleur contenue dans l’air à -18°C équivaut à 85 % de la chaleur contenue à 21°C. Cela permet à la pompe à chaleur de fournir une bonne quantité de chauffage, même par temps froid.
• Les systèmes à air sont les plus courants sur le marché canadien, avec plus de 700 000 unités installées partout au Canada.
• Ce type de système est abordé plus en détail dans la section Pompes à chaleur air-air.
• Source géothermique : Une pompe à chaleur géothermique utilise la terre, les eaux souterraines ou les deux comme source de chaleur en hiver et comme réservoir pour rejeter la chaleur évacuée de la maison en été.
• Ces thermopompes sont moins courantes que les unités à air, mais sont de plus en plus utilisées dans toutes les provinces du Canada. Leur principal avantage est qu’ils ne sont pas soumis à des fluctuations extrêmes de température, utilisant le sol comme source de température constante, ce qui donne lieu au type de système de pompe à chaleur le plus économe en énergie.
• Ce type de système est abordé plus en détail dans la section Pompes à chaleur géothermiques.

Puits : Deux puits d'énergie thermique sont les plus couramment utilisés pour chauffer les maisons avec des pompes à chaleur au Canada :

• L'air intérieur est chauffé par la pompe à chaleur. Cela peut se faire de la manière suivante : L'eau à l'intérieur du bâtiment est chauffée. Cette eau peut ensuite être utilisée pour alimenter des systèmes terminaux tels que des radiateurs, un plancher radiant ou des ventilo-convecteurs via un système hydronique.
  • Un système à conduits centraux ou
  • Une unité intérieure sans conduit, telle qu'une unité murale.

Une introduction à l’efficacité des pompes à chaleur

Les fournaises et les chaudières assurent le chauffage des locaux en ajoutant de la chaleur à l'air grâce à la combustion d'un combustible tel que le gaz naturel ou le mazout. Même si les rendements se sont continuellement améliorés, ils restent toujours inférieurs à 100 %, ce qui signifie que toute l'énergie disponible provenant de la combustion n'est pas utilisée pour chauffer l'air.

Les pompes à chaleur fonctionnent selon un principe différent. L’apport d’électricité dans la pompe à chaleur est utilisé pour transférer l’énergie thermique entre deux emplacements. Cela permet à la pompe à chaleur de fonctionner plus efficacement, avec des efficacités typiques bien supérieures à

100 %, c'est-à-dire que l'on produit plus d'énergie thermique que la quantité d'énergie électrique utilisée pour la pomper.

Il est important de noter que l’efficacité de la pompe à chaleur dépend grandement des températures de la source et du puits. Tout comme une pente plus raide nécessite plus d’efforts pour grimper à vélo, des différences de température plus importantes entre la source et le puits de la pompe à chaleur l’obligent à travailler plus fort et peuvent réduire son efficacité. Il est essentiel de déterminer la bonne taille de pompe à chaleur pour maximiser les efficacités saisonnières. Ces aspects sont abordés plus en détail dans les sections Pompes à chaleur air-air et Pompes à chaleur géothermiques.

Terminologie de l’efficacité

Diverses mesures d'efficacité sont utilisées dans les catalogues des fabricants, ce qui peut rendre la compréhension des performances du système quelque peu déroutante pour un premier acheteur. Vous trouverez ci-dessous une ventilation de certains termes d’efficacité couramment utilisés :

Mesures en état d'équilibre : ces mesures décrivent l'efficacité de la pompe à chaleur dans un « état d'équilibre », c'est-à-dire sans fluctuations réelles de saison et de température. En tant que telle, leur valeur peut changer considérablement à mesure que les températures de la source et du puits, ainsi que d’autres paramètres opérationnels, changent. Les mesures à l’état stable incluent :

Coefficient de performance (COP) : Le COP est un rapport entre la vitesse à laquelle la pompe à chaleur transfère l'énergie thermique (en kW) et la quantité d'énergie électrique nécessaire pour effectuer le pompage (en kW). Par exemple, si une pompe à chaleur utilisait 1 kW d’énergie électrique pour transférer 3 kW de chaleur, le COP serait de 3.

Taux d'efficacité énergétique (EER) : L'EER est similaire au COP et décrit l'efficacité de refroidissement en régime permanent d'une pompe à chaleur. Elle est déterminée en divisant la capacité de refroidissement de la pompe à chaleur en Btu/h par l'apport d'énergie électrique en watts (W) à une température spécifique. L'EER est strictement associé à la description de l'efficacité du refroidissement en régime permanent, contrairement au COP qui peut être utilisé pour exprimer l'efficacité d'une pompe à chaleur en chauffage comme en refroidissement.

Mesures de performances saisonnières : ces mesures sont conçues pour donner une meilleure estimation des performances au cours d’une saison de chauffage ou de refroidissement, en intégrant les variations « réelles » des températures tout au long de la saison.

Les mesures saisonnières incluent :

• Facteur de performance saisonnière du chauffage (HSPF) : Le HSPF est le rapport entre la quantité d'énergie fournie par la pompe à chaleur au bâtiment pendant toute la saison de chauffage (en Btu) et l'énergie totale (en wattheures) qu'elle utilise sur la même période.

Les caractéristiques des données météorologiques des conditions climatiques à long terme sont utilisées pour représenter la saison de chauffage dans le calcul du HSPF. Cependant, ce calcul est généralement limité à une seule région et peut ne pas représenter pleinement la performance à l'échelle du Canada. Certains fabricants peuvent fournir sur demande un HSPF pour une autre région climatique ; cependant, les HSPF sont généralement signalés pour la région 4, représentant des climats similaires à ceux du Midwest des États-Unis. La région 5 couvrirait la majeure partie de la moitié sud des provinces du Canada, depuis l'intérieur de la Colombie-Britannique jusqu'au Nouveau-BrunswickNote de bas de page1.

• Taux d'efficacité énergétique saisonnier (SEER) : SEER mesure l'efficacité de refroidissement de la pompe à chaleur sur toute la saison de refroidissement. Il est déterminé en divisant le refroidissement total fourni pendant la saison de refroidissement (en Btu) par l'énergie totale utilisée par la pompe à chaleur pendant cette période (en watts-heures). Le SEER est basé sur un climat avec une température estivale moyenne de 28°C.

Terminologie importante pour les systèmes de pompe à chaleur

Voici quelques termes courants que vous pourriez rencontrer en étudiant les pompes à chaleur.

Composants du système de pompe à chaleur

Le réfrigérant est le fluide qui circule dans la pompe à chaleur, absorbant, transportant et libérant alternativement de la chaleur. Selon sa localisation, le fluide peut être liquide, gazeux ou un mélange gaz/vapeur.

La vanne d'inversion contrôle le sens d'écoulement du réfrigérant dans la pompe à chaleur et fait passer la pompe à chaleur du mode chauffage au mode refroidissement ou vice versa.

Un serpentin est une ou plusieurs boucles de tubes où s'effectue le transfert de chaleur entre la source/le puits et le réfrigérant. Le tube peut avoir des ailettes pour augmenter la surface disponible pour l'échange thermique.

L'évaporateur est un serpentin dans lequel le réfrigérant absorbe la chaleur de son environnement et bout pour devenir une vapeur à basse température. Lorsque le réfrigérant passe de la vanne d'inversion au compresseur, l'accumulateur collecte tout excès de liquide qui ne s'est pas vaporisé en gaz. Cependant, toutes les pompes à chaleur ne disposent pas d'un accumulateur.

Le compresseur presse les molécules du gaz réfrigérant ensemble, augmentant ainsi la température du réfrigérant. Cet appareil permet de transférer l'énergie thermique entre la source et le puits.

Le condenseur est un serpentin dans lequel le réfrigérant dégage de la chaleur vers son environnement et devient un liquide.

Le dispositif de détente abaisse la pression créée par le compresseur. Cela fait chuter la température et le réfrigérant devient un mélange vapeur/liquide à basse température.

L'unité extérieure est l'endroit où la chaleur est transférée vers/depuis l'air extérieur dans une pompe à chaleur à air. Cette unité contient généralement un serpentin d’échangeur de chaleur, le compresseur et le détendeur. Il ressemble et fonctionne de la même manière que la partie extérieure d’un climatiseur.

Le serpentin intérieur est l’endroit où la chaleur est transférée vers/depuis l’air intérieur dans certains types de pompes à chaleur à air. Généralement, l'unité intérieure contient un échangeur de chaleur et peut également inclure un ventilateur supplémentaire pour faire circuler l'air chauffé ou refroidi dans l'espace occupé.

Le plénum, ​​visible uniquement dans les installations gainables, fait partie du réseau de distribution d'air. Le plénum est un compartiment d'air qui fait partie du système de distribution d'air chauffé ou refroidi dans la maison. Il s'agit généralement d'un grand compartiment immédiatement au-dessus ou autour de l'échangeur thermique.

Autres termes

Unités de mesure de la capacité ou de la consommation d'énergie :

• Un Btu/h, ou unité thermique britannique par heure, est une unité utilisée pour mesurer la puissance calorifique d'un système de chauffage. Un Btu est la quantité d’énergie thermique dégagée par une bougie d’anniversaire typique. Si cette énergie thermique était libérée en une heure, elle équivaudrait à un Btu/h.
• Un kW, ou kilowatt, équivaut à 1 000 watts. C'est la quantité d'énergie requise par dix ampoules de 100 watts.
• Une tonne est une mesure de la capacité d’une pompe à chaleur. Cela équivaut à 3,5 kW ou 12 000 Btu/h.

Pompes à chaleur à air

Les pompes à chaleur aérothermiques utilisent l’air extérieur comme source d’énergie thermique en mode chauffage et comme puits pour rejeter l’énergie en mode refroidissement. Ces types de systèmes peuvent généralement être classés en deux catégories :

Pompes à chaleur air-air. Ces unités chauffent ou refroidissent l'air à l'intérieur de votre maison et représentent la grande majorité des intégrations de thermopompes à air au Canada. Ils peuvent être classés en fonction du type d'installation :

• Canalisé : Le serpentin intérieur de la thermopompe est situé dans un conduit. L'air est chauffé ou refroidi en passant sur le serpentin, avant d'être distribué via les conduits vers différents endroits de la maison.
• Sans conduit : Le serpentin intérieur de la thermopompe est situé dans une unité intérieure. Ces unités intérieures sont généralement situées au sol ou sur le mur d'un espace occupé et chauffent ou refroidissent directement l'air de cet espace. Parmi ces unités, vous pouvez voir les termes mini- et multi-split :
  • Mini-Split : Une seule unité intérieure est située à l’intérieur de la maison, desservie par une seule unité extérieure.
  • Multi-Split : plusieurs unités intérieures sont situées dans la maison et sont desservies par une seule unité extérieure.

Les systèmes air-air sont plus efficaces lorsque la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur est plus petite. Pour cette raison, les pompes à chaleur air-air tentent généralement d'optimiser leur efficacité en fournissant un volume d'air chaud plus élevé et en chauffant cet air à une température plus basse (normalement entre 25 et 45°C). Cela contraste avec les systèmes de fournaise, qui fournissent un plus petit volume d’air, mais chauffent cet air à des températures plus élevées (entre 55°C et 60°C). Si vous passez d’une chaudière à une thermopompe, vous le remarquerez peut-être lorsque vous commencerez à utiliser votre nouvelle thermopompe.

Thermopompes air-eau : Moins courantes au Canada, les thermopompes air-eau chauffent ou refroidissent l'eau et sont utilisées dans les maisons équipées de systèmes de distribution hydroniques (à base d'eau), tels que des radiateurs à basse température, des planchers radiants ou des ventilo-convecteurs. En mode chauffage, la thermopompe fournit de l’énergie thermique au système hydronique. Ce processus est inversé en mode refroidissement, et l'énergie thermique est extraite du système hydronique et rejetée dans l'air extérieur.

Les températures de fonctionnement dans le système hydronique sont critiques lors de l’évaluation des pompes à chaleur air-eau. Les pompes à chaleur air-eau fonctionnent plus efficacement lorsqu'elles chauffent l'eau à des températures plus basses, c'est-à-dire en dessous de 45 à 50°C, et conviennent donc mieux aux planchers radiants ou aux systèmes de ventilo-convecteurs. Des précautions doivent être prises si l'on envisage leur utilisation avec des radiateurs à haute température qui nécessitent des températures d'eau supérieures à 60°C, car ces températures dépassent généralement les limites de la plupart des pompes à chaleur résidentielles.

Principaux avantages des pompes à chaleur à air

L’installation d’une pompe à chaleur aérothermique peut vous offrir de nombreux avantages. Cette section explore comment les pompes à chaleur à air peuvent améliorer l'empreinte énergétique de votre maison.

Efficacité

Le principal avantage de l’utilisation d’une thermopompe à air est le rendement élevé qu’elle peut fournir en matière de chauffage par rapport aux systèmes classiques comme les fournaises, les chaudières et les plinthes électriques. À 8°C, le coefficient de performance (COP) des pompes à chaleur à air se situe généralement entre 2,0 et 5,4. Cela signifie que, pour les unités avec un COP de 5, 5 kilowattheures (kWh) de chaleur sont transférés pour chaque kWh d'électricité fourni à la pompe à chaleur. À mesure que la température de l’air extérieur baisse, les COP diminuent, car la pompe à chaleur doit fonctionner avec une plus grande différence de température entre l’espace intérieur et extérieur. À –8°C, les COP peuvent aller de 1,1 à 3,7.

Sur une base saisonnière, le facteur de performance saisonnier de chauffage (HSPF) des unités disponibles sur le marché peut varier de 7,1 à 13,2 (Région V). Il est important de noter que ces estimations HSPF concernent une région dont le climat est similaire à celui d'Ottawa. Les économies réelles dépendent fortement de l’emplacement de votre installation de pompe à chaleur.

Économies d'énergie

L’efficacité plus élevée de la pompe à chaleur peut se traduire par des réductions significatives de la consommation d’énergie. Les économies réelles réalisées dans votre maison dépendront d'un certain nombre de facteurs, notamment de votre climat local, de l'efficacité de votre système actuel, de la taille et du type de pompe à chaleur, ainsi que de la stratégie de contrôle. De nombreux calculateurs en ligne sont disponibles pour fournir une estimation rapide des économies d'énergie auxquelles vous pouvez vous attendre pour votre application particulière. L'outil ASHP-Eval de RNCan est disponible gratuitement et peut être utilisé par les installateurs et les concepteurs mécaniques pour vous conseiller sur votre situation.

Comment fonctionne une pompe à chaleur aérothermique ?

Transcription

Une pompe à chaleur aérothermique comporte trois cycles :

• Le cycle de chauffage : fournir de l’énergie thermique au bâtiment
• Le cycle de refroidissement : éliminer l’énergie thermique du bâtiment
• Le cycle de dégivrage : éliminer le givre
• accumulation sur les serpentins extérieurs

Le cycle de chauffage

Remarque:

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