Chauffage et refroidissement avec une pompe à chaleur - Partie 2

Pendant le cycle de chauffage, la chaleur est extraite de l’air extérieur et « pompée » à l’intérieur.

• Tout d’abord, le réfrigérant liquide passe à travers le dispositif de détente et se transforme en un mélange liquide/vapeur à basse pression. Il va ensuite au serpentin extérieur, qui fait office de serpentin d’évaporateur. Le réfrigérant liquide absorbe la chaleur de l’air extérieur et bout, se transformant en vapeur à basse température.
• Cette vapeur passe par la vanne d'inversion jusqu'à l'accumulateur, qui collecte tout liquide restant avant que la vapeur n'entre dans le compresseur. La vapeur est alors comprimée, réduisant son volume et provoquant son échauffement.
• Enfin, la vanne d'inversion envoie le gaz, désormais chaud, vers le serpentin intérieur, qui est le condenseur. La chaleur des gaz chauds est transférée à l’air intérieur, provoquant la condensation du réfrigérant en un liquide. Ce liquide retourne vers le dispositif de détente et le cycle se répète. Le serpentin intérieur est situé dans les conduits, à proximité de la fournaise.

La capacité de la pompe à chaleur à transférer la chaleur de l’air extérieur vers la maison dépend de la température extérieure. À mesure que cette température baisse, la capacité de la pompe à chaleur à absorber la chaleur diminue également. Pour de nombreuses installations de pompes à chaleur à air, cela signifie qu'il existe une température (appelée point d'équilibre thermique) à laquelle la capacité de chauffage de la pompe à chaleur est égale à la perte de chaleur de la maison. En dessous de cette température ambiante extérieure, la pompe à chaleur ne peut fournir qu’une partie de la chaleur nécessaire au maintien du confort de l’espace de vie, et un chauffage supplémentaire est nécessaire.

Il est important de noter que la grande majorité des pompes à chaleur à air ont une température minimale de fonctionnement en dessous de laquelle elles ne peuvent pas fonctionner. Pour les modèles plus récents, cela peut varier entre -15°C et -25°C. En dessous de cette température, un système d’appoint doit être utilisé pour assurer le chauffage du bâtiment.

Le cycle de refroidissement

Le cycle décrit ci-dessus est inversé pour rafraîchir la maison pendant l'été. L'unité extrait la chaleur de l'air intérieur et la rejette à l'extérieur.

• Comme dans le cycle de chauffage, le réfrigérant liquide passe à travers le dispositif de détente et se transforme en un mélange liquide/vapeur à basse pression. Il va ensuite au serpentin intérieur, qui fait office d’évaporateur. Le réfrigérant liquide absorbe la chaleur de l’air intérieur et bout, se transformant en vapeur à basse température.
• Cette vapeur passe par la vanne d'inversion jusqu'à l'accumulateur, qui récupère tout liquide restant, puis vers le compresseur. La vapeur est alors comprimée, réduisant son volume et provoquant son échauffement.
• Enfin, le gaz, désormais chaud, passe par la vanne d'inversion jusqu'au serpentin extérieur, qui fait office de condenseur. La chaleur des gaz chauds est transférée à l’air extérieur, provoquant la condensation du réfrigérant en un liquide. Ce liquide retourne vers le dispositif de détente, et le cycle se répète.

Pendant le cycle de refroidissement, la pompe à chaleur déshumidifie également l’air intérieur. L'humidité présente dans l'air passant au-dessus du serpentin intérieur se condense à la surface du serpentin et est collectée dans un bac situé au bas du serpentin. Une évacuation des condensats relie ce bac à l'évacuation de la maison.

Le cycle de dégivrage

Si la température extérieure tombe près ou en dessous du point de congélation lorsque la pompe à chaleur fonctionne en mode chauffage, l'humidité de l'air passant sur le serpentin extérieur se condensera et gèlera sur celui-ci. La quantité de givre dépend de la température extérieure et de la quantité d’humidité de l’air.

Cette accumulation de givre diminue l'efficacité du serpentin en réduisant sa capacité à transférer la chaleur au réfrigérant. À un moment donné, le givre doit être éliminé. Pour ce faire, la pompe à chaleur passe en mode dégivrage. L'approche la plus courante est la suivante :

• Tout d'abord, la vanne d'inversion fait passer l'appareil en mode refroidissement. Cela envoie du gaz chaud au serpentin extérieur pour faire fondre le givre. En même temps, le ventilateur extérieur, qui souffle normalement de l'air froid sur le serpentin, est arrêté afin de réduire la quantité de chaleur nécessaire pour faire fondre le givre.
• Pendant ce temps, la pompe à chaleur refroidit l’air dans les conduits. Le système de chauffage réchaufferait normalement cet air à mesure qu’il est distribué dans toute la maison.

L'une des deux méthodes suivantes est utilisée pour déterminer quand l'unité passe en mode dégivrage :

• Les commandes de gel à la demande surveillent le débit d'air, la pression du réfrigérant, la température de l'air ou du serpentin et la différence de pression à travers le serpentin extérieur pour détecter l'accumulation de givre.
• Le dégivrage temps-température est démarré et terminé par une minuterie à intervalle prédéfini ou un capteur de température situé sur le serpentin extérieur. Le cycle peut être initié toutes les 30, 60 ou 90 minutes, selon le climat et la conception du système.

Les cycles de dégivrage inutiles réduisent les performances saisonnières de la pompe à chaleur. En conséquence, la méthode de dégivrage à la demande est généralement plus efficace puisqu’elle démarre le cycle de dégivrage uniquement lorsque cela est requis.

Sources de chaleur supplémentaires

Étant donné que les pompes à chaleur à air ont une température de fonctionnement extérieure minimale (entre -15 °C et -25 °C) et une capacité de chauffage réduite à des températures très froides, il est important d'envisager une source de chauffage supplémentaire pour le fonctionnement des pompes à chaleur à air. Un chauffage d'appoint peut également être nécessaire lorsque la pompe à chaleur est en dégivrage. Différentes options sont disponibles :

• Tout Électrique : Dans cette configuration, le fonctionnement de la thermopompe est complété par des éléments de résistance électrique situés dans les conduits ou par des plinthes électriques. Ces éléments de résistance sont moins efficaces que la pompe à chaleur, mais leur capacité à fournir du chauffage est indépendante de la température extérieure.
• Système hybride : Dans un système hybride, la pompe à chaleur à air utilise un système supplémentaire tel qu'une fournaise ou une chaudière. Cette option peut être utilisée dans les nouvelles installations et constitue également une bonne option lorsqu'une thermopompe est ajoutée à un système existant, par exemple lorsqu'une thermopompe est installée en remplacement d'un climatiseur central.

Consultez la dernière section de ce livret, Équipement connexe, pour plus d'informations sur les systèmes qui utilisent des sources de chauffage supplémentaires. Vous y trouverez des discussions sur les options permettant de programmer votre système pour passer de l'utilisation d'une pompe à chaleur à l'utilisation d'une source de chaleur supplémentaire.

Considérations relatives à l'efficacité énergétique

Pour faciliter la compréhension de cette section, reportez-vous à la section précédente intitulée Une introduction à l'efficacité des pompes à chaleur pour une explication de ce que représentent les HSPF et les SEER.

Au Canada, les réglementations sur l'efficacité énergétique prescrivent une efficacité saisonnière minimale en matière de chauffage et de climatisation qui doit être atteinte pour que le produit soit vendu sur le marché canadien. En plus de ces réglementations, votre province ou territoire peut avoir des exigences plus strictes.

Les performances minimales pour l'ensemble du Canada et les plages typiques des produits disponibles sur le marché sont résumées ci-dessous pour le chauffage et la climatisation. Il est important de vérifier également si des réglementations supplémentaires sont en place dans votre région avant de sélectionner votre système.

Performances saisonnières de refroidissement, SEER :

• SEER minimum (Canada) : 14
• Gamme, SEER sur les produits disponibles sur le marché : 14 à 42

Performance saisonnière du chauffage, HSPF

• HSPF minimum (Canada) : 7,1 (pour la région V)
• Plage, HSPF dans les produits disponibles sur le marché : 7,1 à 13,2 (pour la région V)

Remarque : Les facteurs HSPF sont fournis pour la zone climatique V de l’AHRI, qui a un climat similaire à celui d’Ottawa. Les efficacités saisonnières réelles peuvent varier en fonction de votre région. Une nouvelle norme de performance visant à mieux représenter la performance de ces systèmes dans les régions canadiennes est actuellement en cours d'élaboration.

Les valeurs SEER ou HSPF réelles dépendent de divers facteurs principalement liés à la conception de la pompe à chaleur. Les performances actuelles ont considérablement évolué au cours des 15 dernières années, grâce aux nouveaux développements dans la technologie des compresseurs, à la conception des échangeurs de chaleur et à l'amélioration du débit et du contrôle du réfrigérant.

Thermopompes à vitesse unique et à vitesse variable

Le rôle des nouvelles conceptions de compresseurs dans l’amélioration des performances saisonnières est particulièrement important en termes d’efficacité. En règle générale, les unités fonctionnant aux niveaux SEER et HSPF minimum prescrits sont caractérisées par des pompes à chaleur à vitesse unique. Des pompes à chaleur air-air à vitesse variable sont désormais disponibles et sont conçues pour faire varier la capacité du système afin de mieux correspondre à la demande de chauffage/refroidissement de la maison à un moment donné. Cela permet de maintenir une efficacité maximale à tout moment, y compris dans des conditions plus douces lorsque la demande sur le système est faible.

Plus récemment, des thermopompes à air mieux adaptées au fonctionnement dans le climat froid du Canada ont été introduites sur le marché. Ces systèmes, souvent appelés pompes à chaleur pour climat froid, combinent des compresseurs à capacité variable avec des conceptions et des commandes améliorées d'échangeur de chaleur pour maximiser la capacité de chauffage à des températures d'air plus froides, tout en maintenant un rendement élevé dans des conditions plus douces. Ces types de systèmes ont généralement des valeurs SEER et HSPF plus élevées, certains systèmes atteignant des SEER jusqu'à 42 et des HSPF approchant 13.

Certification, normes et échelles de notation

L'Association canadienne de normalisation (CSA) vérifie actuellement la sécurité électrique de toutes les thermopompes. Une norme de performance spécifie les essais et les conditions d'essai dans lesquels les capacités et l'efficacité de chauffage et de refroidissement des pompes à chaleur sont déterminées. Les normes d'essai de performance pour les pompes à chaleur à air sont CSA C656, qui (depuis 2014) a été harmonisée avec ANSI/AHRI 210/240-2008, Évaluation des performances des équipements de climatisation unitaire et de pompe à chaleur à air. Il remplace également la CAN/CSA-C273.3-M91, Norme de performance pour les climatiseurs centraux et les thermopompes à système divisé.

Considérations relatives au dimensionnement

Pour dimensionner correctement votre système de pompe à chaleur, il est important de comprendre les besoins de chauffage et de climatisation de votre maison. Il est recommandé de faire appel à un professionnel du chauffage et de la climatisation pour entreprendre les calculs requis. Les charges de chauffage et de climatisation doivent être déterminées à l’aide d’une méthode de dimensionnement reconnue telle que la CSA F280-12, « Détermination de la capacité requise des appareils de chauffage et de climatisation des locaux résidentiels ».

Le dimensionnement de votre système de pompe à chaleur doit être effectué en fonction du climat, des charges de chauffage et de climatisation du bâtiment et des objectifs de votre installation (par exemple, maximiser les économies d'énergie de chauffage plutôt que déplacer un système existant pendant certaines périodes de l'année). Pour faciliter ce processus, RNCan a élaboré un guide de dimensionnement et de sélection des pompes à chaleur à air. Ce guide, accompagné d'un outil logiciel complémentaire, est destiné aux conseillers en énergie et aux concepteurs mécaniques, et est disponible gratuitement pour fournir des conseils sur le dimensionnement approprié.

Si une thermopompe est sous-dimensionnée, vous remarquerez que le système de chauffage d’appoint sera utilisé plus fréquemment. Même si un système sous-dimensionné fonctionnera toujours efficacement, vous n’obtiendrez peut-être pas les économies d’énergie escomptées en raison d’une utilisation intensive d’un système de chauffage d’appoint.

De même, si une pompe à chaleur est surdimensionnée, les économies d'énergie souhaitées risquent de ne pas être réalisées en raison d'un fonctionnement inefficace dans des conditions plus douces. Bien que le système de chauffage d'appoint fonctionne moins fréquemment, dans des conditions ambiantes plus chaudes, la thermopompe produit trop de chaleur et l'unité s'allume et s'éteint, ce qui entraîne un inconfort, une usure de la thermopompe et une consommation électrique en veille. Il est donc important de bien comprendre votre charge de chauffage et les caractéristiques de fonctionnement de la pompe à chaleur pour réaliser des économies d’énergie optimales.

Autres critères de sélection

Outre le dimensionnement, plusieurs facteurs de performances supplémentaires doivent être pris en compte :

• HSPF : Sélectionnez une unité avec un HSPF aussi élevé que possible. Pour les unités avec des valeurs HSPF comparables, vérifiez leurs valeurs nominales en régime permanent à –8,3 °C, la valeur nominale à basse température. L'unité ayant la valeur la plus élevée sera la plus efficace dans la plupart des régions du Canada.
• Dégivrage : Sélectionnez une unité avec contrôle de dégivrage à la demande. Cela minimise les cycles de dégivrage, ce qui réduit la consommation d'énergie supplémentaire et de la pompe à chaleur.
• Évaluation sonore : Le son est mesuré en unités appelées décibels (dB). Plus la valeur est faible, plus la puissance sonore émise par l'unité extérieure est faible. Plus le niveau de décibels est élevé, plus le bruit est fort. La plupart des thermopompes ont un indice sonore de 76 dB ou moins.

Considérations relatives à l'installation

Les pompes à chaleur à air doivent être installées par un entrepreneur qualifié. Consultez un professionnel local du chauffage et de la climatisation pour dimensionner, installer et entretenir votre équipement afin de garantir des opérations efficaces et fiables. Si vous envisagez d'installer une thermopompe pour remplacer ou compléter votre fournaise centrale, sachez que les thermopompes fonctionnent généralement à des débits d'air plus élevés que les systèmes de fournaise. Selon la taille de votre nouvelle pompe à chaleur, certaines modifications peuvent être nécessaires à vos conduits pour éviter le bruit supplémentaire et la consommation d'énergie du ventilateur. Votre entrepreneur pourra vous guider sur votre cas spécifique.

Le coût d'installation d'une pompe à chaleur à air dépend du type de système, de vos objectifs de conception et de tout équipement de chauffage et conduits existants dans votre maison. Dans certains cas, des modifications supplémentaires aux conduits ou aux services électriques peuvent être nécessaires pour prendre en charge votre nouvelle installation de pompe à chaleur.

Considérations opérationnelles

Vous devez noter plusieurs choses importantes lors du fonctionnement de votre pompe à chaleur :

• Optimisez les points de consigne de la pompe à chaleur et du système supplémentaire. Si vous disposez d'un système électrique supplémentaire (p. ex., plinthes ou éléments de résistance dans le conduit), assurez-vous d'utiliser un point de consigne de température plus bas pour votre système supplémentaire. Cela contribuera à maximiser la quantité de chauffage que la pompe à chaleur fournit à votre maison, réduisant ainsi votre consommation d'énergie et vos factures de services publics. Une consigne de 2°C à 3°C en dessous de la consigne de température de chauffage de la pompe à chaleur est recommandée. Consultez votre entrepreneur en installation pour connaître le point de consigne optimal pour votre système.
• Configuration pour un dégivrage efficace. Vous pouvez réduire la consommation d'énergie en configurant votre système pour éteindre le ventilateur intérieur pendant les cycles de dégivrage. Cette opération peut être effectuée par votre installateur. Cependant, il est important de noter que le dégivrage peut prendre un peu plus de temps avec cette configuration.
• Minimisez les baisses de température. Les pompes à chaleur ont une réponse plus lente que les systèmes de chaudière, elles ont donc plus de difficulté à réagir aux baisses de température importantes. Des réductions modérées ne dépassant pas 2 °C doivent être utilisées ou un thermostat « intelligent » qui allume le système plus tôt, en prévision d'une reprise après une réduction, doit être utilisé. Encore une fois, consultez votre entrepreneur en installation pour connaître la température de réduction optimale pour votre système.
• Optimisez la direction de votre flux d'air. Si vous disposez d’une unité intérieure murale, pensez à ajuster la direction du flux d’air pour maximiser votre confort. La plupart des fabricants recommandent de diriger le flux d’air vers le bas lors du chauffage et vers les occupants lors du refroidissement.
• Optimisez les paramètres du ventilateur. Assurez-vous également d’ajuster les paramètres du ventilateur pour maximiser le confort. Pour maximiser la chaleur délivrée par la pompe à chaleur, il est recommandé de régler la vitesse du ventilateur sur élevée ou « Auto ». En mode refroidissement, pour améliorer également la déshumidification, la vitesse du ventilateur « basse » est recommandée.

Considérations relatives à l'entretien

Un entretien adéquat est essentiel pour garantir que votre pompe à chaleur fonctionne de manière efficace, fiable et a une longue durée de vie. Vous devriez demander à un entrepreneur qualifié d’effectuer l’entretien annuel de votre appareil pour vous assurer que tout est en bon état de fonctionnement.

Outre la maintenance annuelle, il existe quelques mesures simples que vous pouvez prendre pour garantir des opérations fiables et efficaces. Assurez-vous de changer ou de nettoyer votre filtre à air tous les 3 mois, car des filtres obstrués diminueront le débit d'air et réduiront l'efficacité de votre système. Assurez-vous également que les bouches d'aération et les registres d'air de votre maison ne sont pas bloqués par des meubles ou de la moquette, car un flux d'air inadéquat vers ou depuis votre appareil peut raccourcir la durée de vie de l'équipement et réduire l'efficacité du système.

Les coûts d'exploitation

Les économies d’énergie réalisées grâce à l’installation d’une pompe à chaleur peuvent contribuer à réduire vos factures d’énergie mensuelles. La réduction de vos factures d’énergie dépend en grande partie du prix de l’électricité par rapport à d’autres combustibles tels que le gaz naturel ou le mazout et, dans les applications de rénovation, du type de système remplacé.

Les thermopompes en général coûtent plus cher que d’autres systèmes tels que les fournaises ou les plinthes électriques en raison du nombre de composants dans le système. Dans certaines régions et certains cas, ce coût supplémentaire peut être récupéré dans un laps de temps relativement court grâce aux économies réalisées sur les coûts des services publics. Cependant, dans d’autres régions, des tarifs variables peuvent prolonger cette période. Il est important de travailler avec votre entrepreneur ou votre conseiller en énergie pour obtenir une estimation de la rentabilité des thermopompes dans votre région et des économies potentielles que vous pouvez réaliser.

Espérance de vie et garanties

Les pompes à chaleur aérothermiques ont une durée de vie comprise entre 15 et 20 ans. Le compresseur est l'élément essentiel du système.

La plupart des thermopompes sont couvertes par une garantie d'un an sur les pièces et la main d'œuvre, ainsi que par une garantie supplémentaire de cinq à dix ans sur le compresseur (pour les pièces uniquement). Cependant, les garanties varient selon les fabricants, alors vérifiez les petits caractères.

Remarque:

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