Calcul des pompes à chaleur: Pompes à chaleur et systèmes d'économie d'énergie: GK Informtech


Types de conceptions de pompe à chaleur

Types de pompes à chaleur pour le chauffage domestique
Le type de pompe à chaleur est généralement désigné par une phrase indiquant le fluide source et le caloporteur du système de chauffage.
Il existe les variétés suivantes:

  • ТН "air - air";
  • ТН "air - eau";
  • TN "sol - eau";
  • TH "eau - eau".

La toute première option est un système split conventionnel fonctionnant en mode chauffage. L'évaporateur est monté à l'extérieur et une unité avec un condenseur est installée à l'intérieur de la maison. Ce dernier est soufflé par un ventilateur, grâce auquel une masse d'air chaud est fournie à la pièce.

Si un tel système est équipé d'un échangeur de chaleur spécial avec des buses, le type HP "air-eau" sera obtenu. Il est connecté à un système de chauffage de l'eau.

L'évaporateur HP du type "air-air" ou "air-eau" peut être placé non pas à l'extérieur, mais dans le conduit de ventilation par extraction (il doit être forcé). Dans ce cas, l'efficacité de la pompe à chaleur sera augmentée plusieurs fois.

Les pompes à chaleur du type «eau-eau» et «sol-eau» utilisent un échangeur de chaleur dit externe ou, comme on l'appelle aussi, un collecteur pour extraire la chaleur.

Types de pompes à chaleur pour le chauffage domestique

Schéma de principe de la pompe à chaleur

Il s'agit d'un long tube en boucle, généralement en plastique, à travers lequel un milieu liquide circule autour de l'évaporateur. Les deux types de pompes à chaleur représentent le même appareil: dans un cas, le collecteur est immergé au fond d'un réservoir de surface, et dans le second - dans le sol. Le condenseur d'une telle pompe à chaleur est situé dans un échangeur de chaleur relié au système de chauffage à eau chaude.

Le raccordement des pompes à chaleur selon le schéma «eau - eau» est beaucoup moins laborieux que «sol - eau», car il n'est pas nécessaire de réaliser des travaux de terrassement. Au fond du réservoir, le tuyau est posé sous la forme d'une spirale. Bien sûr, pour ce schéma, seul un réservoir convient qui ne gèle pas au fond en hiver.

Classification des pompes à chaleur en fonction des caractéristiques des fluides

La classification des pompes à chaleur est assez volumineuse. Les dispositifs sont répartis en fonction du type de fluide de travail, du principe de modification de son état physique, de l'utilisation de dispositifs de conversion, de la nature du vecteur d'énergie nécessaire à l'opération. Étant donné qu'il existe sur le marché des modèles avec diverses combinaisons de critères de classification, il devient clair qu'il est assez difficile de tout énumérer. Cependant, vous pouvez considérer les principes de base de la division de groupe.

L'installation, la conception et les caractéristiques finales de la pompe à chaleur dépendent des paramètres de la source de chaleur et du fluide récepteur. Plusieurs types de solutions d'ingénierie sont proposées aujourd'hui.

Air-air

Les pompes à chaleur air-air sont les appareils les plus courants. Ils sont assez compacts et simples. Les climatiseurs domestiques avec mode chauffage fonctionnent sur des mécanismes de ce type. Le principe de fonctionnement est simple:

  • un échangeur de chaleur extérieur est refroidi en dessous de la température de l'air et élimine la chaleur;
  • après la compression du fréon entrant dans le radiateur, sa température augmente fortement;
  • le ventilateur à l'intérieur de la pièce, soufflant sur l'échangeur de chaleur, chauffe la pièce.

L'extraction d'énergie de l'environnement n'est pas nécessairement réalisée par un échangeur de chaleur externe. À cette fin, de l'air peut être soufflé dans une unité située dans la pièce. C'est ainsi que fonctionnent certains systèmes de canaux.

Air-air

Si le fréon est comprimé et détendu dans un climatiseur, alors de l'air simple est utilisé dans les pompes à chaleur vortex. La mécanique du travail est similaire: avant d'entrer dans l'échangeur de chaleur interne, le gaz est comprimé, et après avoir dégagé de l'énergie, il est soufflé dans la chambre d'extraction de chaleur par un flux intense.

Une pompe à chaleur vortex est une grande installation massive qui ne fonctionne efficacement que lorsque la température ambiante est élevée. Par conséquent, de tels systèmes sont installés dans des ateliers industriels, ils utilisent les gaz d'échappement des fours ou l'air chaud du système de climatisation principal comme source de chaleur.

L'eau l'eau

Une pompe à chaleur eau / eau fonctionne sur le même principe que les autres installations. Seuls les supports de transmission sont différents. L'équipement est équipé de sondes submersibles afin d'atteindre l'horizon des eaux souterraines avec une température positive même en hiver rigoureux.

Selon les besoins de chauffage, les systèmes de pompe à chaleur eau-eau peuvent être de tailles complètement différentes. Par exemple, à partir de plusieurs puits forés autour d'une maison privée, se terminant par des échangeurs de chaleur de grande surface situés directement dans l'aquifère, qui sont posés pendant la phase de construction du bâtiment.

Pompe à chaleur eau-eau

Les pompes à chaleur eau-eau se distinguent par une productivité plus élevée et une puissance de sortie effective... La raison en est la capacité thermique accrue du liquide. La couche d'eau dans laquelle se trouve la sonde ou l'échangeur de chaleur libère rapidement de l'énergie et, en raison de son volume énorme, elle réduit légèrement ses caractéristiques, contribuant au fonctionnement stable du système. En outre, les équipements eau-eau se caractérisent par une efficacité accrue.

Conseils! Dans certaines conditions, le circuit eau-eau peut se passer de nœuds intermédiaires sous forme de réservoirs de stockage pour le réseau de chaleur. En évaluant correctement les conditions climatiques existantes et en choisissant la puissance de l'installation, un chauffe-eau avec pompe à chaleur est installé dans la maison et un système de chauffage par le sol efficace est organisé.

Eau-air, air-eau

Les systèmes combinés doivent être choisis avec un soin particulier. Dans le même temps, les conditions climatiques existantes sont soigneusement évaluées. Par exemple, un cycle de pompe à chaleur eau-air a une bonne efficacité de chauffage dans les régions avec un gel sévère. Le système air-eau en conjonction avec un plancher chaud et une chaudière à accumulation pour le chauffage secondaire est capable de montrer les économies maximales dans les zones où la température de l'air descend rarement en dessous de -5 ... -10 degrés.

Air à eau

Faire fondre (saumure) -eau

Une pompe à chaleur de cette classe est une sorte d'universel. Il peut être utilisé littéralement partout. Les indicateurs de sa puissance calorifique utile sont constants et stables. Le principe de fonctionnement du dispositif de saumure-eau est basé sur l'extraction de la chaleur, tout d'abord, du sol, qui a des valeurs d'humidité normales ou est gorgé d'eau.

Le système est facile à installer: pour placer des échangeurs de chaleur externes, il suffit de les enterrer jusqu'à une certaine profondeur. Vous pouvez également choisir l'une des options pour les équipements avec un fluide de travail gazeux ou liquide.

Le calcul d'une pompe à chaleur de la classe eau glycolée est effectué en fonction du niveau de demande d'énergie pour le chauffage. Il existe de nombreuses méthodes pour sa détermination quantitative. Vous pouvez effectuer le calcul le plus précis, en tenant compte du matériau des murs de la maison, de la conception des fenêtres, de la nature du sol, de la température moyenne pondérée de l'air et bien plus encore.

Les fabricants de systèmes de saumure-eau offrent diverses options pour les modèles qui diffèrent par la consommation électrique de l'unité de conversion, la conception et les dimensions des échangeurs de chaleur externes et les paramètres du circuit de sortie. Il n'est pas difficile de choisir la pompe à chaleur optimale en fonction d'une liste préformée d'exigences.

Il est temps d'étudier de manière approfondie l'expérience étrangère

Presque tout le monde connaît maintenant les pompes à chaleur capables d'extraire la chaleur de l'environnement pour chauffer les bâtiments, et s'il n'y a pas longtemps, un client potentiel posait généralement la question perplexe «comment est-ce possible?», Maintenant la question «comment est-ce correct? ? "

La réponse à cette question n'est pas facile.

À la recherche de réponses aux nombreuses questions qui se posent inévitablement lors de la conception de systèmes de chauffage avec pompes à chaleur, il convient de se tourner vers l'expérience de spécialistes des pays où les pompes à chaleur sur échangeurs de chaleur au sol sont utilisées depuis longtemps.

Une visite * à l'exposition américaine AHR EXPO-2008, qui a été entreprise principalement afin d'obtenir des informations sur les méthodes de calculs d'ingénierie des échangeurs de chaleur au sol, n'a pas apporté de résultats directs dans ce sens, mais un livre a été vendu à l'exposition ASHRAE stand, dont certaines dispositions ont servi de base à ces publications.

Il faut dire tout de suite que le transfert de la méthodologie américaine sur le sol national n'est pas une tâche facile. Pour les Américains, les choses ne sont pas les mêmes qu'en Europe. Seulement, ils mesurent le temps dans les mêmes unités que nous. Toutes les autres unités de mesure sont purement américaines, ou plutôt britanniques. Les Américains ont été particulièrement malchanceux avec le flux de chaleur, qui peut être mesuré à la fois en unités thermiques britanniques, désignées par unité de temps, et en tonnes de réfrigération, probablement inventées en Amérique.

Le principal problème, cependant, n'était pas l'inconvénient technique de recalculer les unités de mesure adoptées aux États-Unis, auxquelles on peut s'y habituer au fil du temps, mais l'absence dans le livre mentionné d'une base méthodologique claire pour construire un calcul. algorithme. Trop de place est accordée aux méthodes de calcul courantes et bien connues, tandis que certaines dispositions importantes restent totalement inconnues.

En particulier, ces données initiales physiquement liées pour le calcul des échangeurs de chaleur souterrains verticaux, telles que la température du fluide circulant dans l'échangeur de chaleur et le facteur de conversion de la pompe à chaleur, ne peuvent pas être réglées arbitrairement, et avant de procéder aux calculs liés à la chaleur instable transfert dans le sol, il est nécessaire de déterminer les relations reliant ces paramètres.

Le critère d'efficacité d'une pompe à chaleur est le coefficient de conversion α dont la valeur est déterminée par le rapport de sa puissance thermique à la puissance de l'entraînement électrique du compresseur. Cette valeur est fonction des points d'ébullition tu dans l'évaporateur et tk de condensation, et en relation avec les pompes à chaleur eau-eau, on peut parler des températures du liquide à la sortie de l'évaporateur t2I et à la sortie du condenseur t2K:

? =? (t2И, t2K). (une)

L'analyse des caractéristiques catalogue des machines frigorifiques en série et des pompes à chaleur eau / eau a permis de visualiser cette fonction sous forme de schéma (Fig. 1).

Types de pompes à chaleur pour le chauffage domestique

À l'aide du diagramme, il est facile de déterminer les paramètres de la pompe à chaleur aux tout premiers stades de la conception. Il est évident, par exemple, que si le système de chauffage raccordé à la pompe à chaleur est conçu pour fournir un fluide caloporteur avec une température de départ de 50 ° C, alors le facteur de conversion maximal possible de la pompe à chaleur sera d'environ 3,5. Dans le même temps, la température du glycol à la sortie de l'évaporateur ne doit pas être inférieure à + 3 ° C, ce qui signifie qu'un échangeur de chaleur au sol coûteux sera nécessaire.

Dans le même temps, si la maison est chauffée au moyen d'un plancher chaud, un caloporteur d'une température de 35 ° C entrera dans le système de chauffage à partir du condenseur de la pompe à chaleur. Dans ce cas, la pompe à chaleur pourra fonctionner plus efficacement, par exemple avec un facteur de conversion de 4,3, si la température du glycol refroidi dans l'évaporateur est d'environ -2 ° C.

À l'aide de feuilles de calcul Excel, vous pouvez exprimer la fonction (1) sous forme d'équation:

? = 0,1729 • (41,5 + t2I - 0,015t2I • t2K - 0,437 • t2K (2)

Si, au facteur de conversion souhaité et à une valeur donnée de la température du liquide de refroidissement dans le système de chauffage alimenté par une pompe à chaleur, il est nécessaire de déterminer la température du liquide refroidi dans l'évaporateur, alors l'équation (2) peut être représentée comme:

(3)

Vous pouvez choisir la température du liquide de refroidissement dans l'installation de chauffage aux valeurs données du coefficient de conversion de la pompe à chaleur et de la température du liquide à la sortie de l'évaporateur en utilisant la formule:

(4)

Dans les formules (2) ... (4), les températures sont exprimées en degrés Celsius.

Après avoir identifié ces dépendances, nous pouvons maintenant passer directement à l'expérience américaine.

Méthode de calcul des pompes à chaleur

Bien entendu, le processus de sélection et de calcul d'une pompe à chaleur est une opération techniquement très compliquée et dépend des caractéristiques individuelles de l'objet, mais il peut être grossièrement réduit aux étapes suivantes:

Les pertes de chaleur à travers l'enveloppe du bâtiment (murs, plafonds, fenêtres, portes) sont déterminées. Cela peut être fait en appliquant le ratio suivant:

Qok = S * (tvn - tnar) * (1 + Σ β) * n / Rt (W) où

tnar - température de l'air extérieur (° С);

tvn - température de l'air interne (° С);

S est la superficie totale de toutes les structures d'enceinte (m2);

n - coefficient indiquant l'influence de l'environnement sur les caractéristiques de l'objet. Pour les pièces en contact direct avec l'environnement extérieur à travers les plafonds n = 1; pour les objets avec des planchers de grenier n = 0,9; si l'objet est situé au-dessus du sous-sol n = 0,75;

β est le coefficient de perte de chaleur supplémentaire, qui dépend du type de structure et de sa situation géographique β peut varier de 0,05 à 0,27;

RT - résistance thermique, est déterminée par l'expression suivante:

Rt = 1 / αint + Σ (δі / λі) + 1 / αout (m2 * ° С / W), où:

δі / λі est un indicateur calculé de la conductivité thermique des matériaux utilisés dans la construction.

αout est le coefficient de dissipation thermique des surfaces extérieures des structures enveloppantes (W / m2 * оС);

αin - le coefficient d'absorption thermique des surfaces internes des structures enveloppantes (W / m2 * оС);

- La perte totale de chaleur de la structure est calculée par la formule:

Qt.pot = Qok + Qi - Qbp, où:

Qi - consommation d'énergie pour chauffer l'air entrant dans la pièce par des fuites naturelles;

Qbp ​​- dégagement de chaleur dû au fonctionnement des appareils électroménagers et aux activités humaines.

2. Sur la base des données obtenues, la consommation annuelle d'énergie thermique pour chaque objet individuel est calculée:

Qyear = 24 * 0,63 * Qt. pot. * ((d * (tvn - tout.) / (tvn - tout.)) (kW / heure par an.) où:

tвн - température de l'air intérieur recommandée;

tnar - température de l'air extérieur;

tout.av - la valeur moyenne arithmétique de la température de l'air extérieur pour toute la saison de chauffage;

d est le nombre de jours de la période de chauffage.

3. Pour une analyse complète, vous devrez également calculer le niveau de puissance thermique nécessaire pour chauffer l'eau:

Qgv = V * 17 (kW / heure par an.) Où:

V est le volume de chauffage quotidien de l'eau jusqu'à 50 ° С.

Ensuite, la consommation totale d'énergie thermique sera déterminée par la formule:

Q = Qgv + Qyear (kW / heure par an.)

En tenant compte des données obtenues, il ne sera pas difficile de choisir la pompe à chaleur la plus appropriée pour le chauffage et l'alimentation en eau chaude. De plus, la puissance calculée sera déterminée comme. Qtn = 1,1 * Q, où:

Qtn = 1,1 * Q, où:

1.1 est un facteur de correction indiquant la possibilité d'augmenter la charge de la pompe à chaleur pendant la période de températures critiques.

Types de pompes à chaleur pour le chauffage domestique

Après avoir calculé les pompes à chaleur, vous pouvez sélectionner la pompe à chaleur la plus appropriée capable de fournir les paramètres de microclimat requis dans des pièces présentant toutes les caractéristiques techniques. Et étant donné la possibilité d'intégrer ce système à une unité de climatisation, un sol chaud se distingue non seulement pour sa fonctionnalité, mais aussi pour son coût esthétique élevé.

Comment faire une pompe à chaleur DIY?

Le coût d'une pompe à chaleur est assez élevé, même si vous ne tenez pas compte du paiement des services d'un spécialiste qui l'installera. Tout le monde n'a pas capacité financière suffisantede payer immédiatement l’installation d’un tel équipement. À cet égard, beaucoup commencent à se poser la question: est-il possible de fabriquer une pompe à chaleur de vos propres mains à partir de matériaux de rebut? C'est tout à fait possible. De plus, pendant le travail, vous pouvez utiliser des pièces de rechange non neuves, mais d'occasion.
Donc, si vous décidez de créer une pompe à chaleur de vos propres mains, avant de commencer les travaux, vous devez:

  • vérifiez l'état du câblage de votre maison;
  • assurez-vous que le compteur d'électricité fonctionne et vérifiez que la puissance de cet appareil est d'au moins 40 ampères.

La première étape consiste à acheter un compresseur... Vous pouvez l'acheter dans des entreprises spécialisées ou en contactant un atelier de réparation d'équipements de réfrigération. Là, vous pouvez acheter un compresseur d'un climatiseur. Il convient tout à fait à la création d'une pompe à chaleur. Ensuite, il doit être fixé au mur à l'aide des supports L-300.

Vous pouvez maintenant passer à l'étape suivante - la fabrication du condensateur. Pour ce faire, vous devez trouver un réservoir en acier inoxydable pour l'eau d'un volume allant jusqu'à 120 litres. Il est coupé en deux et une bobine est installée à l'intérieur. Vous pouvez le fabriquer vous-même en utilisant un tube en cuivre du réfrigérateur. Vous pouvez également le créer à partir d'un tuyau en cuivre de petit diamètre.

Afin de ne pas rencontrer de problèmes avec la fabrication de la bobine, il est nécessaire de prendre une bouteille de gaz ordinaire et enrouler du fil de cuivre autour d'elle... Lors de ce travail, il faut faire attention à la distance entre les virages, qui doit être la même. Pour fixer le tube dans cette position, vous devez utiliser un coin perforé en aluminium, qui sert à protéger les coins du mastic. En utilisant des bobines, les tubes doivent être positionnés de sorte que les bobines du fil soient en face des trous dans le coin. Cela garantira le même pas de virage, et en plus de cela, la structure sera assez solide.

Lorsque la bobine est installée, les deux moitiés du réservoir préparé sont reliées par soudage. Dans ce cas, il faut prendre soin de souder les raccords filetés.

Pour créer l'évaporateur, vous pouvez utiliser des récipients à eau en plastique d'un volume total de 60 à 80 litres. La bobine y est montée à partir d'un tuyau d'un diamètre de ¾ ". Des conduites d'eau ordinaires peuvent être utilisées pour fournir et évacuer l'eau.

Sur le mur à l'aide du support en L de la taille souhaitée fixation de l'évaporateur.

Lorsque tous les travaux sont terminés, il ne reste plus qu'à inviter un frigoriste. Il assemblera le système, soudera les tuyaux en cuivre et pompera du fréon.

Types de pompe à chaleur

Les pompes à chaleur sont divisées en trois types principaux en fonction de la source d'énergie de basse qualité:

  • Air.
  • Amorçage.
  • Eau - La source peut être des eaux souterraines et des plans d'eau de surface.

Pour les systèmes de chauffage de l'eau, qui sont plus courants, les types de pompes à chaleur suivants sont utilisés:

Types de pompes à chaleur pour le chauffage domestique
Air-eau est une pompe à chaleur de type air qui chauffe un bâtiment en aspirant de l'air de l'extérieur à travers une unité externe. Il fonctionne sur le principe d'un climatiseur, mais inversement, convertissant l'énergie de l'air en chaleur. Une telle pompe à chaleur ne nécessite pas de coûts d'installation importants, il n'est pas nécessaire de lui allouer un terrain et, de plus, de forer un puits. Cependant, l'efficacité de fonctionnement à basse température (-25 ° C) diminue et une source d'énergie thermique supplémentaire est nécessaire.

Le dispositif «eau souterraine» fait référence à la géothermie et produit de la chaleur à partir du sol à l'aide d'un collecteur, posé à une profondeur inférieure au gel du sol. De plus, il y a une dépendance de la superficie du site et du paysage, si le collecteur est situé horizontalement. Pour un placement vertical, vous devrez forer un puits.

Types de pompes à chaleur pour le chauffage domestique
«Water-to-water» est installé là où il y a un plan d'eau ou une eau souterraine à proximité. Dans le premier cas, le réservoir est posé sur le fond du réservoir, dans le second, un puits est foré ou plusieurs, si la superficie du site le permet.Parfois, la profondeur des eaux souterraines est trop profonde, de sorte que le coût d'installation d'une telle pompe à chaleur peut être très élevé.

Chaque type de pompe à chaleur a ses propres avantages et inconvénients, si le bâtiment est loin du réservoir ou si les eaux souterraines sont trop profondes, l'eau-à-eau ne fonctionnera pas. "Air-eau" ne sera pertinent que dans les régions relativement chaudes, où la température de l'air pendant la saison froide ne descend pas en dessous de -25 ° C.

Installation de pompe à chaleur DIY

Maintenant que la partie principale du système est prête, il reste à le connecter aux appareils d'admission et de distribution de chaleur. Ce travail peut être fait par vous-même. Ce n'est pas difficile. Le processus d'installation d'un dispositif d'admission de chaleur peut être différent et dépend en grande partie du type de pompe qui sera utilisé dans le cadre du système de chauffage.

Eau souterraine de type pompe verticale

Ici aussi, certains coûts seront nécessaires, car lors de l'installation d'une telle pompe, vous ne pouvez tout simplement pas vous passer d'une plate-forme de forage. Tout travail commence par la création d'un puits dont la profondeur doit être 50-150 mètres... Ensuite, la sonde géothermique est abaissée, après quoi elle est connectée à la pompe.

Eau du sol de type pompe horizontale

Lorsqu'une telle pompe est installée, il est nécessaire d'utiliser un collecteur formé par un système de tuyauterie. Il doit être situé sous le niveau de gel du sol. La précision et la profondeur du placement des capteurs dépendent en grande partie de la zone climatique. Tout d'abord, la couche de sol est enlevée. Ensuite, les tuyaux sont posés, puis ils sont remplis de terre.
Vous pouvez utiliser un autre moyen - pose de tuyaux individuels pour l'eau dans une tranchée pré-creusée. Après avoir décidé de l'utiliser, vous devez d'abord creuser des tranchées, dans lesquelles la profondeur doit être inférieure au niveau de congélation.

Méthode de calcul de la puissance d'une pompe à chaleur

En plus de déterminer la source d'énergie optimale, il sera nécessaire de calculer la puissance de la pompe à chaleur nécessaire au chauffage. Cela dépend de la quantité de chaleur perdue dans le bâtiment. Calculons la puissance d'une pompe à chaleur pour chauffer une maison à l'aide d'un exemple précis.

Pour cela, nous utilisons la formule Q = k * V * ∆T, où

  • Q est la perte de chaleur (kcal / heure). 1 kWh = 860 kcal / h;
  • V est le volume de la maison en m3 (la superficie est multipliée par la hauteur des plafonds);
  • ∆Т est le rapport des températures minimales à l'extérieur et à l'intérieur des locaux pendant la période la plus froide de l'année, ° С. Soustrayez l'extérieur de la tº intérieure;
  • k est le coefficient de transfert de chaleur généralisé du bâtiment. Pour un bâtiment en brique avec maçonnerie en deux couches k = 1; pour un bâtiment bien isolé k = 0,6.

Ainsi, le calcul de la puissance de la pompe à chaleur pour chauffer une maison en brique de 100 mètres carrés et une hauteur sous plafond de 2,5 m, avec une différence de ttº de -30º extérieur à + 20º intérieur, sera le suivant:

Q = (100x2,5) x (20- (-30)) x 1 = 12500 kcal / heure

12500/860 = 14,53 kW. Autrement dit, pour une maison en brique standard d'une superficie de 100 m, un appareil de 14 kilowatts sera nécessaire.

Le consommateur accepte le choix du type et de la puissance de la pompe à chaleur en fonction d'un certain nombre de conditions:

  • caractéristiques géographiques de la zone (proximité des plans d'eau, présence d'eau souterraine, espace libre pour un collecteur);
  • caractéristiques du climat (température);
  • type et volume interne de la pièce;
  • opportunités financières.

Compte tenu de tous les aspects ci-dessus, vous serez en mesure de faire le meilleur choix d'équipement. Pour une sélection plus efficace et correcte d'une pompe à chaleur, il est préférable de contacter des spécialistes, ils pourront effectuer des calculs plus détaillés et fournir la faisabilité économique de l'installation de l'équipement.

Types de pompes à chaleur pour le chauffage domestique

Depuis longtemps et avec beaucoup de succès, les pompes à chaleur sont utilisées dans les réfrigérateurs et les climatiseurs domestiques et industriels.

Aujourd'hui, ces appareils ont commencé à être utilisés pour remplir une fonction de nature opposée - chauffer une habitation par temps froid.

Voyons comment les pompes à chaleur sont utilisées pour chauffer les maisons privées et ce que vous devez savoir pour calculer correctement tous ses composants.

Qu'est-ce qu'une pompe à chaleur, sa portée

La définition technique d'une pompe à chaleur est un dispositif de transfert d'énergie d'une zone à une autre tout en augmentant l'efficacité de son travail. Cette mécanique n'est pas difficile à illustrer. Imaginons un seau d'eau froide et un verre d'eau chaude. La même quantité d'énergie est dépensée pour les chauffer à partir d'une certaine marque de chaleur. Cependant, l'efficacité de son application est différente. Si, en même temps, réduisez la température du seau d'eau de 1 degré, l'énergie thermique obtenue peut amener le liquide dans le verre à presque ébullition.

Pompe à chaleur

C'est selon cette mécanique que fonctionne la pompe à chaleur, avec laquelle vous pouvez chauffer la piscine ou chauffer complètement une maison de campagne. L'installation transfère la chaleur d'une zone à une autre, généralement de l'extérieur de la pièce vers l'intérieur. Il existe de nombreuses applications pour cette technique.

  1. Avec une certaine puissance nominale d'une pompe à chaleur, le chauffage d'une maison devient peu coûteux et efficace.
  2. Il est facile de faire de l'eau chaude sanitaire avec une pompe à chaleur utilisant des chaudières de réchauffage.
  3. Avec un peu d'effort et une conception appropriée, il est possible de créer un système de chauffage complètement autonome alimenté par des panneaux solaires.
  4. La plupart des modèles de thermopompes sont une option acceptable pour le chauffage par le sol utilisé comme circuit de chauffage.

Pour choisir et acheter un système approprié, vous devez tout d'abord définir correctement la tâche à laquelle il est confronté. Et seulement après cela, mettez en avant les exigences en matière de puissance et évaluez l'acceptabilité des types individuels de chaudières pour répondre à tous les besoins.

Exemple de calcul de pompe à chaleur

Nous sélectionnerons une pompe à chaleur pour le système de chauffage d'une maison à un étage d'une superficie totale de 70 m2. m avec une hauteur de plafond standard (2,5 m), une architecture rationnelle et une isolation thermique des structures de clôture qui répond aux exigences des codes du bâtiment modernes. Pour chauffer le 1er trimestre. m d'un tel objet, selon les normes généralement admises, il faut dépenser 100 W de chaleur. Ainsi, pour chauffer toute la maison, vous aurez besoin de:

Q = 70 x 100 = 7000 W = 7 kW d'énergie thermique.

Nous choisissons une pompe à chaleur de la marque "TeploDarom" (modèle L-024-WLC) d'une puissance thermique de W = 7,7 kW. Le compresseur de l'unité consomme N = 2,5 kW d'électricité.

Calcul du réservoir

Le sol du site affecté à la construction du collecteur est argileux, le niveau de la nappe phréatique est élevé (on prend le pouvoir calorifique p = 35 W / m).

La puissance du capteur est déterminée par la formule:

Qk = W - N = 7,7 - 2,5 = 5,2 kW.

L = 5200/35 = 148,5 m (environ).

Partant du fait qu'il est irrationnel de poser un circuit d'une longueur de plus de 100 m en raison d'une résistance hydraulique trop élevée, nous acceptons ce qui suit: le collecteur de la pompe à chaleur sera composé de deux circuits - 100 m et 50 m de long.

La superficie du site qui devra être allouée au collecteur est déterminée par la formule:

S = L x A,

Où A est le pas entre les sections adjacentes du contour. Nous acceptons: A = 0,8 m.

Alors S = 150 x 0,8 = 120 carrés. m.

Efficacité et COP

Cela montre clairement que les ¾ de l'énergie que nous obtenons de sources gratuites. (Cliquez pour agrandir)

Tout d'abord, définissons en termes:

  • Efficacité - coefficient d'efficacité, c.-à-d. la quantité d'énergie utile obtenue en pourcentage de l'énergie dépensée pour le fonctionnement du système;
  • COP - coefficient de performance.

Un indicateur tel que le rendement est souvent utilisé à des fins publicitaires: "Le rendement de notre pompe est de 500%!" Il semble qu'ils disent la vérité - pour 1 kW d'énergie consommée (pour le fonctionnement complet de tous les systèmes et unités), ils ont produit 5 kW d'énergie thermique.

Cependant, rappelez-vous que le rendement ne peut pas être supérieur à 100% (cet indicateur est calculé pour les systèmes fermés), il serait donc plus logique d'utiliser l'indicateur COP (utilisé pour le calcul des systèmes ouverts), qui montre le facteur de conversion de l'énergie utilisée en énergie utile.

Habituellement, le COP est mesuré en nombres de 1 à 7. Plus le nombre est élevé, plus la pompe à chaleur est efficace. Dans l'exemple ci-dessus (à 500% d'efficacité), le COP est de 5.

Récupération de la pompe à chaleur

Quand il s'agit de combien de temps il faut à une personne pour rendre son argent investi dans quelque chose, cela signifie à quel point l'investissement lui-même a été rentable. Dans le domaine du chauffage, tout est assez difficile, car nous nous fournissons confort et chaleur, et tous les systèmes sont chers, mais dans ce cas, vous pouvez rechercher une telle option qui rendrait l'argent dépensé en réduisant les coûts lors de l'utilisation. Et quand vous commencez à chercher une solution adaptée, vous comparez tout: une chaudière à gaz, une pompe à chaleur ou une chaudière électrique. Nous analyserons quel système sera rentable le plus rapidement et le plus efficacement.

Le concept de récupération, dans ce cas, l'introduction d'une pompe à chaleur pour moderniser le système d'alimentation en chaleur existant, pour le dire simplement, peut être expliqué comme suit:

Il y a un système - une chaudière à gaz individuelle, qui fournit un chauffage et une alimentation en eau chaude autonomes. Il y a un climatiseur split-system qui fournit le froid à une pièce. Installation de 3 systèmes split dans différentes pièces.

Et il existe une technologie de pointe plus économique - une pompe à chaleur qui chauffera / refroidira les maisons et chauffera l'eau en quantité suffisante pour une maison ou un appartement. Il est nécessaire de déterminer dans quelle mesure le coût total de l'équipement et les coûts initiaux ont changé, et également d'estimer dans quelle mesure les coûts d'exploitation annuels des types d'équipement sélectionnés ont diminué. Et pour déterminer combien d'années, avec les économies qui en découlent, un équipement plus cher sera rentable. Idéalement, plusieurs solutions de conception proposées sont comparées et la plus rentable est sélectionnée.

Nous allons effectuer le calcul et vyyaski, quelle est la période de récupération d'une pompe à chaleur en Ukraine

Types de pompes à chaleur pour le chauffage domestique

Prenons un exemple spécifique

  • La maison est sur 2 étages, bien isolée, d'une superficie totale de 150 m².
  • Système de distribution de chaleur / chauffage: circuit 1 - plancher chauffant, circuit 2 - radiateurs (ou ventilo-convecteurs).
  • Une chaudière à gaz a été installée pour le chauffage et l'alimentation en eau chaude (ECS), par exemple 24kW, double circuit.
  • Système de climatisation à partir de systèmes split pour 3 pièces de la maison.

Coûts annuels de chauffage et de chauffage de l'eau

Types de pompes à chaleur pour le chauffage domestique

Max. puissance calorifique de la pompe à chaleur pour le chauffage, kW19993,59
Max. consommation électrique de la pompe à chaleur pendant le fonctionnement pour le chauffage, kW7283,18
Max. puissance calorifique de la pompe à chaleur pour l'alimentation en eau chaude, kW2133,46
Max. consommation électrique de la pompe à chaleur en fonctionnement sur alimentation en eau chaude, kW866,12

Types de pompes à chaleur pour le chauffage domestique

  1. Le coût approximatif d'une chaufferie avec une chaudière à gaz de 24 kW (chaudière, tuyauterie, câblage, réservoir, compteur, installation) est d'environ 1000 euros. Un système de climatisation (un système split) pour une telle maison coûtera environ 800 euros. Au total avec l'aménagement de la chaufferie, les travaux de conception, le raccordement au réseau de gazoduc et les travaux d'installation - 6100 euros.
  1. Le coût approximatif de la pompe à chaleur Mycond avec système de ventilo-convecteur supplémentaire, des travaux d'installation et de raccordement au réseau est de 6 650 euros.
  1. La croissance de l'investissement est: K2-K1 = 6650 - 6100 = 550 euros (soit environ 16500 UAH)
  2. La réduction des coûts d'exploitation est: C1-C2 = 27252 - 7644 = 19608 UAH.
  3. Période de récupération Tocup. = 16500/19608 = 0,84 an!

Facilité d'utilisation de la pompe à chaleur

Les pompes à chaleur sont les équipements les plus polyvalents, multifonctionnels et écoénergétiques pour chauffer une maison, un appartement, un bureau ou une installation commerciale.

Un système de contrôle intelligent avec programmation hebdomadaire ou quotidienne, commutation automatique des réglages saisonniers, maintien de la température dans la maison, modes économie, contrôle d'une chaudière esclave, d'une chaudière, de pompes de circulation, d'un contrôle de la température dans deux circuits de chauffage, est le plus avancé et le plus avancé. Le contrôle par inverseur du fonctionnement du compresseur, du ventilateur, des pompes, permet des économies d'énergie maximales.

Avantages des pompes à chaleur et faisabilité de leur installation

Comme indiqué dans l'annonce, le principal avantage des pompes à chaleur est l'efficacité du chauffage. Dans une certaine mesure, c'est ainsi que cela fonctionne. Si la pompe à chaleur dispose d'un environnement d'extraction d'énergie qui fournit une température optimale, l'installation fonctionne efficacement, les coûts de chauffage sont réduits d'environ 70 à 80%. Cependant, il y a toujours des cas où une pompe à chaleur peut être un gaspillage d'argent.

L'efficacité d'une pompe à chaleur est déterminée par les caractéristiques technologiques suivantes:

  • le paramètre de la limite limite pour réduire la température par le fluide de travail;
  • la différence minimale des températures de l'échangeur externe et de l'environnement, à laquelle l'extraction de chaleur est extrêmement faible;
  • le niveau de consommation d'énergie et la production de chaleur utile.

La faisabilité de l'utilisation d'une pompe à chaleur dépend de plusieurs facteurs.

  1. Les régions où un tel équipement ne donne pas de bons résultats sont les régions avec des hivers glaciaux et des températures quotidiennes moyennes basses. Dans ce cas, la pompe à chaleur n'est tout simplement pas en mesure d'éliminer suffisamment de chaleur de l'environnement, se rapprochant de la zone d'efficacité zéro. Tout d'abord, cela s'applique aux systèmes air-air.
  2. Avec une augmentation du volume de l'espace chauffé, les paramètres technologiques de la pompe à chaleur augmentent de manière presque exponentielle. Les échangeurs de chaleur sont de plus en plus volumineux, la taille et le nombre de sondes à immersion dans l'eau ou la terre augmentent. À un certain moment, le coût d'une pompe à chaleur pour le chauffage, les dépenses nécessaires à son installation et à son entretien, ainsi que le paiement de la puissance consommée, deviennent simplement des investissements irrationnels. Il est beaucoup moins coûteux de créer un système de chauffage au gaz classique avec une chaudière.
  3. Plus le système est complexe, plus il est coûteux et problématique de le réparer en cas de panne. Il s'agit d'un ajout négatif à la taille de la zone chauffée et aux caractéristiques de la zone climatique.

Conseils! En général, l'utilisation d'une thermopompe comme seule source de chaleur pour une maison ne peut être envisagée que dans un nombre limité de situations. Il est toujours judicieux d'utiliser un système de soutien complet. Ici, le nombre de combinaisons possibles n'est limité que par les sources d'énergie disponibles et les capacités financières du propriétaire.

Le classique est une pompe à chaleur et une chaudière à gaz / combustible solide fonctionnant conjointement. L'idée est simple: les produits de la combustion du carburant sont évacués par un large tuyau. Il abrite l'échangeur de la pompe à chaleur. Des réservoirs de stockage et une chaudière de chauffage indirect sont installés dans le système de chauffage et d'alimentation en eau chaude. L'équipement (chaudière et pompe) est activé simultanément lorsque la température du liquide dans le réseau de distribution baisse. Travaillant par paires, ils utilisent presque entièrement l'énergie du combustible de combustion, affichant des indicateurs d'efficacité proches du maximum.

Pack classique

Le système avec adaptation aux caractéristiques de l'environnement est basé sur une pompe thermique, un bloc ventilateur, un pistolet thermique de toute classe. À une température extérieure suffisamment élevée (jusqu'à -5 ... -10 degrés Celsius), la pompe à chaleur fonctionne normalement, fournissant une puissance de sortie suffisante pour le chauffage. La caractéristique de conception du système est l'emplacement de son échangeur de chaleur externe dans un conduit de ventilation séparé. Lorsque la température extérieure descend en dessous du repère optimal, l'air fourni est chauffé par un pistolet thermique (diesel, électrique ou gaz).

Il est particulièrement intéressant de noter: la plupart des schémas qui prévoient une adaptation à la température de l'air ou une stabilisation des paramètres de fonctionnement de la pompe à chaleur sont appliqués aux dispositifs air-air et air-eau. D'autres systèmes, du fait des échangeurs de chaleur externes isolés dans le sol ou l'eau, ne permettent pas la création de telles conditions de fonctionnement «à effet de serre».

Fonctionnement de la pompe à chaleur lors du fonctionnement selon le schéma des eaux souterraines

Le collecteur peut être enterré de trois manières.

Option horizontale

Types de pompes à chaleur pour le chauffage domestique
Les tuyaux sont posés dans des tranchées comme un serpent à une profondeur dépassant la profondeur de gel du sol (en moyenne - de 1 à 1,5 m).
Un tel collectionneur nécessitera un terrain d'une superficie suffisamment grande, mais tout propriétaire peut le construire - aucune compétence, autre que la capacité de travailler avec une pelle, n'est nécessaire.

Cependant, il faut tenir compte du fait que la construction manuelle d'un échangeur de chaleur est un processus assez laborieux.

Option verticale

Les conduites réservoirs en forme de boucles ayant la forme de la lettre «U» sont immergées dans des puits d'une profondeur de 20 à 100 m Si nécessaire, plusieurs de ces puits peuvent être construits. Après avoir installé les tuyaux, les puits sont remplis de mortier de ciment.

L'avantage d'un collecteur vertical est qu'une très petite surface est nécessaire pour sa construction. Cependant, il n'y a aucun moyen de forer des puits de plus de 20 m de profondeur par vous-même - vous devrez engager une équipe de foreurs.

Option combinée

Types de pompes à chaleur pour le chauffage domestique
Ce collecteur peut être considéré comme une sorte d'horizontale, mais il faut beaucoup moins d'espace pour sa construction.
Un puits rond est creusé sur le site d'une profondeur de 2 m.

Les tubes de l'échangeur de chaleur sont disposés en spirale, de sorte que le circuit est comme un ressort installé verticalement.

Une fois les travaux d'installation terminés, le puits est rempli. Comme dans le cas d'un échangeur de chaleur horizontal, tout le travail nécessaire peut être effectué à la main.

Le collecteur est rempli d'antigel - antigel ou d'une solution d'éthylène glycol. Pour assurer sa circulation, une pompe spéciale est coupée dans le circuit. Après avoir absorbé la chaleur du sol, l'antigel se dirige vers l'évaporateur, où un échange de chaleur a lieu entre celui-ci et le réfrigérant.

Il convient de garder à l'esprit qu'une extraction illimitée de la chaleur du sol, en particulier lorsque le collecteur est situé verticalement, peut entraîner des conséquences indésirables pour la géologie et l'écologie du site. Par conséquent, en période estivale, il est fortement souhaitable de faire fonctionner la pompe à chaleur du type «sol - eau» en mode inversé - climatisation.

Le système de chauffage au gaz présente de nombreux avantages, et l'un des principaux est le faible coût du gaz. Comment équiper le chauffage domestique au gaz, vous serez incité par le schéma de chauffage d'une maison privée avec une chaudière à gaz. Tenez compte de la conception du système de chauffage et des exigences de remplacement.

Découvrez les caractéristiques du choix des panneaux solaires pour le chauffage domestique dans cette rubrique.

Comment calculer et choisir une pompe à chaleur

Calcul et conception des pompes à chaleur

Comment calculer et sélectionner une pompe à chaleur.

Comme vous le savez, les pompes à chaleur utilisent des sources d'énergie renouvelables et gratuites: chaleur de l'air, du sol, des eaux souterraines et non gelées, des eaux usées et usées et de l'air, ainsi que la chaleur résiduelle des entreprises technologiques. Afin de collecter cela, de l'électricité est consommée, mais le rapport entre la quantité d'énergie thermique reçue et la quantité d'électricité consommée est d'environ 3 à 7 fois.

Si nous ne parlons que des sources de chaleur de faible qualité autour de nous à des fins de chauffage, c'est bien le cas; air extérieur avec une température de –3 à +15 ° С, air extrait de la pièce (15–25 ° С), du sous-sol (4–10 ° С) et des eaux souterraines (environ 10 ° C), de l'eau des lacs et des rivières ( 5–10 ° С), surface du sol (en dessous du point de congélation) (3–9 ° С) et sol profond (plus de 6 m - 8 ° C).

Extraction de chaleur de l'environnement (quartier intérieur).

Un milieu réfrigérant liquide est pompé dans l'évaporateur à basse pression. Le niveau thermique des températures entourant l'évaporateur est supérieur au point d'ébullition correspondant du fluide de travail (le fluide frigorigène est choisi de telle sorte qu'il puisse bouillir même à des températures inférieures à zéro). En raison de cette différence de température, la chaleur est transférée à l'environnement, à l'environnement de travail, qui à ces températures bout et s'évapore (se transforme en vapeur). La chaleur requise pour cela est tirée de l'une des sources de chaleur de faible qualité énumérées ci-dessus.

En savoir plus sur les sources d'énergie renouvelables

Si l'air atmosphérique ou de ventilation est sélectionné comme source de chaleur, des pompes à chaleur fonctionnant selon le schéma «air-eau» sont utilisées. La pompe peut être située à l'intérieur ou à l'extérieur, avec un condenseur intégré ou à distance. L'air est soufflé à travers l'échangeur de chaleur (évaporateur) à l'aide d'un ventilateur.

En tant que source d'énergie thermique de faible qualité, les eaux souterraines à température relativement basse ou le sol des couches superficielles de la terre peuvent être utilisés. La teneur en chaleur de la masse du sol est généralement plus élevée. Le régime thermique du sol des couches superficielles de la Terre se forme sous l'influence de deux facteurs principaux - le rayonnement solaire tombant à la surface et le flux de chaleur radiogénique de l'intérieur de la Terre. Les variations saisonnières et quotidiennes de l'intensité du rayonnement solaire et de la température de l'air extérieur provoquent des fluctuations de la température des couches supérieures du sol. La profondeur de pénétration des fluctuations quotidiennes de la température de l'air extérieur et de l'intensité du rayonnement solaire incident, en fonction des conditions spécifiques du sol et du climat, varie de quelques dizaines de centimètres à un mètre et demi. La profondeur de pénétration des fluctuations saisonnières de la température de l'air extérieur et de l'intensité du rayonnement solaire incident ne dépasse généralement pas 15 à 20 m.

Types d'échangeurs de chaleur horizontaux:

- un échangeur de chaleur constitué de tuyaux connectés en série; - un échangeur de chaleur constitué de tuyaux connectés en parallèle; - collecteur horizontal posé dans une tranchée; - un échangeur de chaleur en forme de boucle; - un échangeur de chaleur en forme de spirale, situé horizontalement (le collecteur dit "slinky"); - un échangeur de chaleur en forme de spirale, situé verticalement.

L'eau accumule bien la chaleur solaire. Même pendant la période hivernale froide, les eaux souterraines ont une température constante de +7 à + 12 ° C. C'est l'avantage de cette source de chaleur. En raison du niveau de température constant, cette source de chaleur a un taux de conversion élevé à travers la pompe à chaleur toute l'année. Malheureusement, il n'y a pas assez d'eau souterraine partout. Lorsqu'elle est utilisée comme source d'eau souterraine, l'alimentation est effectuée depuis le puits à l'aide d'une pompe submersible jusqu'à l'entrée de l'échangeur de chaleur (évaporateur) de la pompe à chaleur fonctionnant selon le «système eau-eau / ouvert », À partir de la sortie de l'échangeur de chaleur, l'eau est soit pompée dans un autre puits, soit rejetée dans une masse d'eau. L'avantage des systèmes ouverts est la possibilité d'obtenir une grande quantité d'énergie thermique à des coûts relativement bas. Cependant, les puits nécessitent un entretien. De plus, l'utilisation de tels systèmes n'est pas possible dans tous les domaines. Les principales exigences pour le sol et les eaux souterraines sont les suivantes:

- une perméabilité à l'eau suffisante du sol, permettant le réapprovisionnement en eau; - bonne composition chimique des eaux souterraines (par exemple faible teneur en fer) pour éviter les problèmes liés à la formation de dépôts sur les parois des canalisations et à la corrosion.

Les systèmes ouverts sont plus souvent utilisés pour chauffer ou refroidir les grands bâtiments. Le plus grand système de transfert de chaleur géothermique au monde utilise les eaux souterraines comme source d'énergie thermique de faible qualité. Ce système est situé à Louisville, Kentucky, États-Unis. Le système est utilisé pour l'approvisionnement en chaleur et en froid de l'hôtel et du complexe de bureaux; sa capacité est d'environ 10 MW.

Prenons une autre source - un réservoir, sur son fond, vous pouvez poser des boucles à partir d'un tuyau en plastique, le schéma "eau-eau / système fermé". Une solution d'éthylène glycol (antigel) circule dans la canalisation, qui transfère la chaleur au réfrigérant à travers l'échangeur de chaleur (évaporateur) de la pompe à chaleur.

Le sol a la capacité d'accumuler l'énergie solaire sur une longue période de temps, ce qui assure une température relativement uniforme de la source de chaleur tout au long de l'année et, par conséquent, un facteur de conversion élevé de la pompe à chaleur.La température de la couche arable varie avec la saison. En dessous du point de congélation, ces fluctuations de température sont considérablement réduites. La chaleur accumulée dans le sol est récupérée au moyen d'échangeurs de chaleur étanches posés horizontalement, également appelés collecteurs au sol, ou au moyen d'échangeurs de chaleur posés verticalement, appelés sondes géothermiques. La chaleur de l'environnement est transférée par un mélange d'eau et d'éthylène glycol (saumure ou milieu) dont le point de congélation doit être d'environ -13 ° C (tenir compte des données du fabricant). Grâce à cela, la saumure ne gèle pas pendant le fonctionnement.

Cela signifie qu'il existe deux options pour obtenir une chaleur de faible qualité à partir du sol. Pose horizontale de tuyaux en plastique dans des tranchées de 1,3 à 1,7 m de profondeur, selon les conditions climatiques de la zone, ou de puits verticaux de 20 à 100 m de profondeur. Les tuyaux peuvent être posés dans des tranchées en forme de spirales, mais avec une profondeur de pose de 2 - 4 m, cela réduira considérablement la longueur totale des tranchées. Le transfert de chaleur maximal du sol de surface est de 7 à 25 W avec le l.p., de la géothermie 20-50 W avec le l.p. Selon les entreprises manufacturières, la durée de vie des tranchées et des puits est de plus de 100 ans.

Un peu plus sur les échangeurs de chaleur souterrains verticaux.

Depuis 1986, en Suisse, près de Zurich, des études sont menées sur un système à échangeurs de chaleur souterrains verticaux [4]. Un échangeur de chaleur coaxial au sol vertical d'une profondeur de 105 m a été installé dans le massif du sol, cet échangeur de chaleur a été utilisé comme source d'énergie thermique à faible teneur pour un système de transfert de chaleur installé dans un immeuble résidentiel unifamilial. L'échangeur de chaleur vertical au sol a fourni une puissance de crête d'environ 70 watts par mètre de longueur, ce qui a créé une charge thermique importante sur la masse du sol environnant. La production annuelle de chaleur est d'environ 13 MWh.

À une distance de 0,5 et 1 m du puits principal, deux puits supplémentaires ont été forés, dans lesquels des capteurs de température ont été installés à une profondeur de 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 et 105 m, après quoi les puits ont été remplis de mélange argile-ciment. La température a été mesurée toutes les trente minutes. En plus de la température du sol, d'autres paramètres ont également été enregistrés: la vitesse de déplacement du liquide de refroidissement, la consommation d'énergie de l'entraînement du compresseur, la température de l'air, etc.

La première période d'observation a duré de 1986 à 1991. Des mesures ont montré que l'influence de la chaleur de l'air extérieur et du rayonnement solaire est observée dans la couche superficielle du sol à une profondeur de 15 m. En dessous de ce niveau, le régime thermique du sol se forme principalement en raison de la chaleur de l'intérieur de la terre. Au cours des 2-3 premières années de fonctionnement, la température de la masse du sol entourant l'échangeur de chaleur vertical a chuté brusquement, mais chaque année, la diminution de la température a diminué et, après quelques années, le système est entré dans un mode proche de la constante, lorsque la température de la masse de sol autour de l'échangeur de chaleur est devenue 1 -2 ° C.

À l'automne 1996, dix ans après la mise en service du système, les mesures ont repris. Ces mesures ont montré que la température du sol n'a pas changé de manière significative. Au cours des années suivantes, de légères fluctuations de la température du sol ont été enregistrées de l'ordre de 0,5 ° C, en fonction de la charge calorifique annuelle. Ainsi, le système a atteint un régime quasi stationnaire après les premières années de fonctionnement.

Sur la base des données expérimentales, des modèles mathématiques des processus se déroulant dans le massif du sol ont été construits, ce qui a permis de faire une prévision à long terme des changements de température du massif du sol.

La modélisation mathématique a montré que la diminution annuelle de la température diminuera progressivement et que le volume de la masse du sol autour de l'échangeur de chaleur, soumis à une diminution de la température, augmentera chaque année.À la fin de la période de fonctionnement, le processus de régénération commence: la température du sol commence à augmenter. La nature du processus de régénération est similaire à la nature du processus d '"extraction" de la chaleur: dans les premières années de fonctionnement, il y a une forte augmentation de la température du sol et les années suivantes, le taux d'élévation de la température diminue. La durée de la période de «régénération» dépend de la durée de la période de fonctionnement. Ces deux périodes sont à peu près les mêmes. Dans ce cas, la durée de fonctionnement de l'échangeur au sol était de trente ans, et la période de «régénération» est également estimée à trente ans.

Ainsi, les systèmes de chauffage et de refroidissement des bâtiments qui utilisent la chaleur de la terre de faible qualité représentent une source d'énergie fiable qui peut être utilisée partout. Cette source peut être utilisée pendant une durée suffisamment longue et peut être renouvelée à la fin de la période d'exploitation.

Calcul du collecteur horizontal de la pompe à chaleur

L'évacuation de la chaleur de chaque mètre de conduite dépend de nombreux paramètres: la profondeur d'installation, la disponibilité des eaux souterraines, la qualité du sol, etc. En gros, on peut considérer que pour les capteurs horizontaux, il est de 20 W.m.p. Plus précisément: sable sec - 10, argile sèche - 20, argile humide - 25, argile à haute teneur en eau - 35 W.m.p. La différence de température du liquide de refroidissement dans les lignes directe et de retour de la boucle dans les calculs est généralement prise à 3 ° C. Sur le site du collecteur, les bâtiments ne doivent pas être érigés de manière à ce que la chaleur de la terre, c'est-à-dire notre source d'énergie a été reconstituée avec l'énergie du rayonnement solaire.

La distance minimale entre les tuyaux posés doit être d'au moins 0,7 à 0,8 m. La longueur d'une tranchée peut varier de 30 à 150 m. Il est important que les longueurs des circuits connectés soient approximativement les mêmes. Il est recommandé d'utiliser une solution (milieu) d'éthylène glycol avec un point de congélation d'environ -13 ° C comme moyen de chauffage dans le circuit primaire. Dans les calculs, il faut tenir compte du fait que la capacité thermique de la solution à une température de 0 ° C est de 3,7 kJ / (kg K) et que la densité est de 1,05 g / cm3. Lors de l'utilisation d'un fluide, la perte de charge dans les tuyaux est 1,5 fois supérieure à celle de la circulation d'eau. Pour calculer les paramètres du circuit primaire de l'installation de pompe à chaleur, il sera nécessaire de déterminer le débit du fluide:

Vs = Qo 3600 / (1,05 3,7 .t),

.t - la différence de température entre les lignes d'alimentation et de retour, qui est souvent supposée être de 3 oK. Puis Qo - puissance thermique reçue d'une source à faible potentiel (terre). Cette dernière valeur est calculée comme la différence entre la puissance totale de la pompe à chaleur Qwp et la puissance électrique dépensée pour chauffer le fluide frigorigène. P:

Qo = Qwp - P, kW.

Longueur totale des tuyaux de collecteur L et la superficie totale du site pour cela UNE calculé par les formules:

L = Qo / q,

A = L da.

Ici q - évacuation de la chaleur spécifique (à partir de 1 m de tuyau); da - distance entre les tuyaux (étape de pose).

Exemple de calcul. Pompe à chaleur.

Conditions initiales: demande de chaleur d'un chalet d'une superficie de 120 à 240 m2 (sur la base des pertes de chaleur, en tenant compte de l'infiltration) - 13 kW; la température de l'eau dans le système de chauffage est prise à 35 ° C (chauffage par le sol); la température minimale du liquide de refroidissement à la sortie de l'évaporateur est de 0 ° С. Pour chauffer le bâtiment, une pompe à chaleur de 14,5 kW a été choisie parmi la gamme technique existante des équipements, en tenant compte des pertes sur la viscosité du fluide, lors de l'extraction et du transfert d'énergie thermique du sol, soit 3,22 kW. Élimination de la chaleur de la couche superficielle du sol (argile sèche), q est égal à 20 W / m.p. Conformément aux formules, nous calculons:

1) puissance thermique requise du capteur Qo = 14,5 - 3,22 = 11,28 kW;

2) longueur totale du tuyau L = Qo / q = 11,28 / 0,020 = 564 l.p. Pour organiser un tel collecteur, vous aurez besoin de 6 circuits de 100 m de long;

3) avec une étape de pose de 0,75 m, la surface requise du chantier A = 600 x 0,75 = 450 m2;

4) charge générale de la solution d'éthylène glycol Vs = 11,28 3600 / (1,05 3,7 3) = 3,51 m3, dans un circuit est égal à 0,58 m3.

Pour l'appareil collecteur, nous choisissons un tuyau en plastique de taille standard 32x3. La perte de charge sera de 45 Pa / m.p.; la résistance d'un circuit est d'environ 7 kPa; débit de liquide de refroidissement - 0,3 m / s.

Calcul de la sonde

Lors de l'utilisation de puits verticaux d'une profondeur de 20 à 100 m, des tuyaux en plastique en forme de U (d'un diamètre de 32 mm) y sont immergés. En règle générale, deux boucles sont insérées dans un puits, rempli d'une solution de suspension. En moyenne, la puissance calorifique spécifique d'une telle sonde peut être prise égale à 50 W / m.p. Vous pouvez également vous concentrer sur les données suivantes sur la puissance calorifique:

- roches sédimentaires sèches - 20 W / m; - sol pierreux et roches sédimentaires saturées d'eau - 50 W / m; - roches à conductivité thermique élevée - 70 W / m; - eaux souterraines - 80 W / m.

La température du sol à une profondeur de plus de 15 m est constante et est d'environ +9 ° С. La distance entre les puits doit être supérieure à 5 m. S'il y a des courants souterrains, les puits doivent être situés sur une ligne perpendiculaire à l'écoulement.

La sélection des diamètres de tuyau est effectuée en fonction de la perte de charge pour le débit de liquide de refroidissement requis. Le calcul du débit de liquide peut être effectué pour t = 5 ° С.

Exemple de calcul.

Les données initiales sont les mêmes que dans le calcul ci-dessus du réservoir horizontal. Avec une puissance calorifique spécifique de la sonde de 50 W / m et une puissance requise de 11,28 kW, la longueur de la sonde L doit être de 225 m.

Pour mettre en place un collecteur, il est nécessaire de forer trois puits d'une profondeur de 75 m Dans chacun d'eux, nous plaçons deux boucles d'un tuyau 32x3; au total - 6 circuits de 150 m chacun.

Le débit total du liquide de refroidissement à .t = 5 ° С sera de 2,1 m3 / h; débit dans un circuit - 0,35 m3 / h. Les circuits auront les caractéristiques hydrauliques suivantes: perte de charge dans la conduite - 96 Pa / m (caloporteur - solution à 25% d'éthylène glycol); résistance de boucle - 14,4 kPa; vitesse d'écoulement - 0,3 m / s.

Sélection d'équipement

La température de l'antigel pouvant varier (de –5 à +20 ° C), un vase d'expansion hydraulique est nécessaire dans le circuit primaire de la pompe à chaleur.

Il est également recommandé d'installer un ballon tampon sur la ligne de chauffage (condensation) de la pompe à chaleur: le compresseur de la pompe à chaleur fonctionne en mode marche-arrêt. Des démarrages trop fréquents peuvent conduire à une usure accélérée de ses pièces. Le réservoir est également utile comme accumulateur d'énergie - en cas de panne de courant. Son volume minimum est prélevé à raison de 20-30 litres pour 1 kW de puissance de pompe à chaleur.

Lors de l'utilisation de la bivalence, seconde source d'énergie (chaudière électrique, gaz, liquide ou combustible solide), elle est reliée au circuit par un ballon accumulateur, qui est également un thermohydrodistributeur, l'activation de la chaudière est contrôlée par une pompe à chaleur ou le niveau supérieur du système d'automatisation.

En cas d'éventuelles coupures de courant, la puissance de la pompe à chaleur installée peut être augmentée d'un coefficient calculé par la formule: f = 24 / (24 - t off), où t off est la durée de la coupure de courant.

En cas de coupure de courant possible pendant 4 heures, ce coefficient sera égal à 1,2.

La puissance de la pompe à chaleur peut être sélectionnée en fonction du mode monovalent ou bivalent de son fonctionnement. Dans le premier cas, on suppose que la pompe à chaleur est utilisée comme seul générateur d'énergie thermique.

Il faut garder à l'esprit: même dans notre pays, la durée des périodes de basses températures de l'air est une petite partie de la saison de chauffage. Par exemple, pour la région centrale de la Russie, le moment où la température descend en dessous de –10 ° С n'est que de 900 heures (38 jours), tandis que la durée de la saison elle-même est de 5112 heures et la température moyenne de janvier est d'environ –10. ° С. Par conséquent, le plus opportun est le fonctionnement de la pompe à chaleur en mode bivalent, prévoyant l'inclusion d'une source supplémentaire pendant les périodes où la température de l'air descend en dessous d'une certaine température: –5 ° С - dans les régions méridionales de la Russie, - 10 ° С - dans les centrales. Ceci permet de réduire le coût de la pompe à chaleur et, surtout, des travaux d'installation du circuit primaire (pose de tranchées, forage de puits, etc.), qui augmente fortement avec l'augmentation de la capacité de l'installation.

Dans la région centrale de la Russie, pour une estimation approximative lors du choix d'une pompe à chaleur fonctionnant en mode bivalent, on peut se concentrer sur le ratio 70/30: 70% de la demande de chaleur est couverte par la pompe à chaleur, et les 30 autres - par électrique ou autre source d'énergie thermique. Dans les régions du sud, le rapport de puissance de la pompe à chaleur et de la source de chaleur supplémentaire, souvent utilisée en Europe de l'Ouest, peut être guidé: 50 à 50.

Pour un gîte d'une superficie de 200 m2 pour 4 personnes avec une perte de chaleur de 70 W / m2 (calculée pour une température de l'air extérieur de -28 ° C), la demande de chaleur sera de 14 kW. A cette valeur, ajoutez 700 W pour la préparation d'eau chaude sanitaire. En conséquence, la puissance requise de la pompe à chaleur sera de 14,7 kW.

S'il existe une possibilité de panne de courant temporaire, vous devez augmenter ce nombre du facteur approprié. Disons que le temps d'arrêt quotidien est de 4 heures, puis la puissance de la pompe à chaleur doit être de 17,6 kW (le facteur multiplicateur est de 1,2). Dans le cas d'un mode monovalent, vous pouvez choisir une pompe à chaleur sol-eau d'une puissance de 17,1 kW, consommant 6,0 kW d'électricité.

Pour un système bivalent avec un chauffage électrique supplémentaire et une température d'alimentation en eau froide de 10 ° C pour la nécessité d'obtenir de l'eau chaude et un facteur de sécurité, la puissance de la pompe à chaleur doit être de 11,4 W et la puissance de la chaudière électrique - 6,2 kW (au total - 17,6) ... La puissance électrique de pointe consommée par le système sera de 9,7 kW.

Le coût approximatif de l'électricité consommée par saison, lorsque la pompe à chaleur fonctionne en mode monovalent, sera de 500 roubles, et en mode bivalent à des températures inférieures à (-10 ° C) - 12500. Le coût du vecteur d'énergie en utilisant uniquement le la chaudière appropriée sera: l'électricité - 42 000, le carburant diesel - 25 000 et le gaz - environ 8 000 roubles. (en présence d'un tuyau fourni et des prix bas du gaz en Russie). Actuellement, pour nos conditions, en termes d'efficacité de travail, une pompe à chaleur ne peut être comparée qu'à une chaudière à gaz de nouvelle série, et en termes de coûts d'exploitation, de durabilité, de sécurité (aucune chaufferie n'est requise) et de respect de l'environnement, il surpasse tous les autres types de production d'énergie thermique.

Notez que lors de l'installation de pompes à chaleur, vous devez tout d'abord prendre soin de l'isolation du bâtiment et de l'installation de fenêtres à double vitrage à faible conductivité thermique, ce qui réduira les pertes de chaleur du bâtiment, et donc le coût des travaux et des équipements.

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© "Encyclopédie des technologies et techniques" Patlakh V.V. 1993-2007

Calcul du collecteur horizontal de la pompe à chaleur

L'efficacité d'un collecteur horizontal dépend de la température du milieu dans lequel il est immergé, de sa conductivité thermique et de la zone de contact avec la surface du tuyau. La méthode de calcul est assez compliquée, c'est pourquoi, dans la plupart des cas, des données moyennées sont utilisées.

Types de pompes à chaleur pour le chauffage domestique
On pense que chaque mètre de l'échangeur de chaleur fournit au HP la puissance thermique suivante:

  • 10 W - lorsqu'il est enfoui dans un sol sableux ou rocheux sec;
  • 20 W - dans un sol argileux sec;
  • 25 W - dans un sol argileux humide;
  • 35 W - dans un sol argileux très humide.

Ainsi, pour calculer la longueur du capteur (L), la puissance thermique requise (Q) doit être divisée par la valeur calorifique du sol (p):

L = Q / p.

Les valeurs données ne peuvent être considérées comme valides que si les conditions suivantes sont remplies:

  • Le terrain au-dessus du collecteur n'est ni bâti, ni ombragé, ni planté d'arbres ou de buissons.
  • La distance entre les spires adjacentes de la spirale ou des sections du «serpent» est d'au moins 0,7 m.

Comment fonctionnent les pompes à chaleur

Toute pompe à chaleur a un fluide de travail appelé réfrigérant. Habituellement, le fréon agit à ce titre, moins souvent l'ammoniac. L'appareil lui-même se compose de seulement trois composants:

L'évaporateur et le condenseur sont deux réservoirs qui ressemblent à de longs tubes incurvés - des serpentins.Le condenseur est connecté à une extrémité à la sortie du compresseur et l'évaporateur à l'entrée. Les extrémités des bobines sont jointes et un réducteur de pression est installé à la jonction entre elles. L'évaporateur est en contact - directement ou indirectement - avec le fluide source et le condenseur est en contact avec le système de chauffage ou d'ECS.

Types de pompes à chaleur pour le chauffage domestique

Comment fonctionne la pompe à chaleur

Le fonctionnement HP est basé sur l'interdépendance du volume de gaz, de la pression et de la température. Voici ce qui se passe à l'intérieur de l'unité:

  1. L'ammoniac, le fréon ou un autre réfrigérant, se déplaçant le long de l'évaporateur, s'échauffe du milieu source, par exemple, à une température de +5 degrés.
  2. Après avoir traversé l'évaporateur, le gaz atteint le compresseur, qui le pompe vers le condenseur.
  3. Le fluide frigorigène évacué par le compresseur est maintenu dans le condenseur par un détendeur, sa pression est donc plus élevée ici que dans l'évaporateur. Comme vous le savez, avec l'augmentation de la pression, la température de tout gaz augmente. C'est exactement ce qui se passe avec le réfrigérant - il chauffe jusqu'à 60 - 70 degrés. Le condenseur étant lavé par le liquide de refroidissement circulant dans le système de chauffage, ce dernier chauffe également.
  4. Le réfrigérant est évacué par petites portions à travers le détendeur vers l'évaporateur, où sa pression chute à nouveau. Le gaz se dilate et se refroidit, et comme une partie de son énergie interne a été perdue à la suite de l'échange de chaleur à l'étape précédente, sa température tombe en dessous des +5 degrés initiaux. Après l'évaporateur, il chauffe à nouveau, puis il est pompé dans le condenseur par le compresseur - et ainsi de suite en cercle. Scientifiquement, ce processus s'appelle le cycle de Carnot.

Mais la pompe à chaleur reste tout de même très rentable: pour chaque kW * h d'électricité dépensé, il est possible d'obtenir de 3 à 5 kW * h de chaleur.

Économie d'énergie

L'utilisation de sources d'énergie alternatives est aujourd'hui une tâche prioritaire pour presque toutes les sphères de l'activité humaine moderne. L'utilisation active du vent, de l'eau, de l'énergie solaire permet non seulement de réduire considérablement le coût des ressources financières dans la mise en œuvre de toutes sortes d'opérations technologiques, mais a également un effet bénéfique sur l'état de l'environnement (associé à une diminution des émissions polluants dans l’atmosphère).

Une tendance similaire peut être observée dans le secteur résidentiel, compte tenu du fait que les capteurs solaires, les éoliennes, les générateurs de chaleur économiques sont de plus en plus utilisés pour créer des conditions de vie favorables, ainsi que des mesures sont prises pour augmenter le niveau d'isolation thermique de tous les éléments. de la structure.

Une mesure très efficace d'un point de vue économique est l'utilisation de pompes à chaleur - sources d'énergie géothermique. En principe, les pompes à chaleur sont conçues de manière à pouvoir extraire la chaleur littéralement petit à petit de l'environnement, puis seulement la transformer et la diriger vers le lieu d'utilisation directe. L'air, l'eau, le sol peuvent servir de sources d'énergie pour une pompe à chaleur, tandis que l'ensemble du processus est réalisé en raison des propriétés physiques de certaines substances (réfrigérants) à bouillir à basse température.

Ainsi, les coûts des ressources traditionnelles pour les performances du générateur de chaleur présenté ne sont associés qu'au transport de l'énergie, alors que sa part principale est impliquée de l'extérieur. En raison des caractéristiques fondamentales des pompes à chaleur, le coefficient de leurs performances peut atteindre 3 à 5 unités, c'est-à-dire qu'en dépensant 100 W d'énergie électrique pour le fonctionnement de la pompe à chaleur, vous pouvez obtenir jusqu'à 0,5 kW de puissance thermique.

Comment fonctionne la pompe à chaleur

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