5 différents types de pompes à chaleur (guide détaillé)

Découvrez tout sur les différents types de pompes à chaleur, leur fonctionnement, sa brève histoire et même où trouver des alternatives aussi efficaces au chauffage et au refroidissement traditionnels.
Nous savons tous que le confort est une partie importante de la vie. Mais la réalité est que la plupart d’entre nous ont des contraintes de prix sur ce que nous pouvons nous permettre. De plus, les préoccupations concernant l’environnement nous poussent à rechercher des moyens plus efficaces de nous isoler du dur monde extérieur.

Le chauffage et la climatisation de nos lieux de travail et de nos maisons sont une partie importante de nos vies. Cependant, l’impact de la combustion de combustibles fossiles devient un énorme problème qui menace potentiellement l’humanité. En tant que tel, toute une industrie de personnes à la recherche d’alternatives est en plein essor.

En attendant les futurs systèmes de chauffage par fusion froide, il existe aujourd’hui des options plus efficaces. Les pompes à chaleur sont l’une des options les plus prometteuses pour le chauffage et le refroidissement traditionnels.

Que sont les pompes à chaleur?

L’un des plus gros coûts de chauffage et de refroidissement est l’énergie nécessaire pour modifier la température de l’air. S’il fait 90 degrés à l’extérieur, de l’énergie doit être utilisée pour réduire la température de l’air à l’intérieur afin que vous puissiez obtenir une pièce plus fraîche. Le contraire est vrai pour les températures hivernales.

Une façon de réduire les coûts énergétiques liés à ce processus est de puiser dans un endroit à proximité qui reste plus frais en été et plus chaud en hiver. De cette façon, la température peut nécessiter seulement 10-15 degrés de changement au lieu de 20-30 degrés. Les pompes à chaleur peuvent accomplir ce changement en tirant parti des différences de température entre les environnements.

Prenons le cas du processus de chauffage en hiver. Une thermopompe peut utiliser les températures plus chaudes dans les profondeurs souterraines et déplacer cette chaleur de ces sources dans une maison au-dessus du sol.

Ce processus nécessite toujours une source d’alimentation externe. Étant donné que les températures souterraines ne varient pas autant qu’en plein air, ce processus économise l’énergie nécessaire pour chauffer l’air.

Comment fonctionnent les pompes à chaleur?

De manière générale, la plupart des pompes à chaleur contiennent quelques pièces principales:

  • Condenseur – Une pièce d’équipement qui condense le gaz en un liquide. Le processus refroidit le matériau et permet la libération de chaleur dans l’environnement.
  • Détendeur – Régule le débit de matière injectée dans l’évaporateur.
  • Évaporateur – Inverse le condenseur en transformant le liquide en gaz. Ce processus amène le matériau à absorber la chaleur de l’environnement.
  • Compresseur – Réduit le volume de gaz et / ou déplace le liquide dans le système.
  • Réfrigérant – Le liquide / gaz circulant dans le système.

Fondamentalement, le système est conçu pour:

  • Condensez le réfrigérant dans les tuyaux; dégageant de la chaleur dans le premier environnement.
  • Déplacez le réfrigérant dans le deuxième environnement.
  • Ensuite, évaporez le réfrigérant en absorbant la chaleur du deuxième environnement.
  • Compresser la vapeur, fournissant un chauffage supplémentaire en augmentant la pression interne.
  • Remettez le réfrigérant dans le premier environnement pour redémarrer le processus.

C’est généralement le processus utilisé par les réfrigérateurs et les climatiseurs. Cependant, une pompe à chaleur pourrait être conçue pour absorber la chaleur de l’environnement plus chaud, puis pour libérer de la chaleur dans l’environnement plus froid.

Lire aussi: Les 7 principales causes des problèmes de climatiseur et comment les éviter

Bref historique

Comme évoqué ci-dessus, les pompes à chaleur ont leurs origines dans le processus de réfrigération. Le premier procédé de réfrigération enregistré a été créé par William Cullen en 1748. Il a fallu plus d’un siècle avant que Peter von Rittinger ne transforme cette technologie en pompes à chaleur en 1857. Un deuxième siècle plus tard, le Royal Festival Hall de Londres a créé le premier réversible à grande échelle. pompe à chaleur.

Cependant, ces dernières années, en raison de préoccupations concernant l’environnement, les pompes à chaleur sont de plus en plus utilisées.

Où acheter des pompes à chaleur

Comme mentionné ci-dessus dans la section historique, les pompes à chaleur ne sont plus considérées comme de nouveaux équipements. Aujourd’hui, les pompes à chaleur peuvent être achetées partout où des systèmes de chauffage et de refroidissement sont vendus.

Les systèmes air-air sont généralement beaucoup moins chers et plus faciles à installer, mais ils sont la forme la moins efficace de la pompe à chaleur. Les systèmes de pompe à chaleur souterrains ou sous-marins sont beaucoup plus efficaces. Cependant, ils nécessiteront une installation importante car ils doivent être placés sous terre. Ils nécessitent également une tuyauterie supplémentaire pour déplacer le réfrigérant sur la plus longue distance.

Types of Heat Pumps

Dans nos industries modernes de chauffage et de refroidissement, il existe plusieurs types de pompes à chaleur. Cet article les classera en trois groupes de base:

  • Air-air
  • Souterrain / sous l’eau
  • Hybrid

Avant de commencer la ventilation par catégorie, il y a deux autres sujets à mentionner.

1. Pompes à chaleur réversibles

Les pompes à chaleur réversibles sont capables de fournir à la fois des processus de chauffage et de refroidissement en utilisant les deux mêmes environnements. Lors du chauffage, ils utilisent les tuyaux externes pour absorber la chaleur et libérer cette chaleur dans l’environnement intérieur. Lors du refroidissement, ils absorbent la chaleur de l’intérieur et la libèrent dans l’environnement extérieur.

La plupart des types de thermopompes sont disponibles avec l’option réversible. Les besoins climatiques locaux peuvent déterminer si vous avez besoin d’une pompe réversible ou conçue uniquement pour chauffer l’intérieur. Étant donné que les pompes réversibles sont également plus chères, les coûts peuvent influencer le système qui vous convient le mieux.

Cependant, certains systèmes nécessitent une installation étendue, tels que les types souterrains ou sous-marins. Ces systèmes nécessitent que la moitié de l’unité soit placée profondément sous terre ou au fond d’une étendue d’eau à proximité. Il peut être plus rentable à long terme d’installer un système réversible pour éviter les coûts de réinstallation par la suite.

2. État solide

Bien qu’elles ne soient généralement pas utilisées pour chauffer des bâtiments, des pompes à chaleur à semi-conducteurs existent. Les pompes à chaleur magnétiques utilisent les propriétés de champs magnétiques puissants sur certains métaux. Les champs peuvent avoir tendance à réchauffer les métaux comme le fer ou le gadolinium jusqu’à 10 degrés Fahrenheit. Si le métal est ensuite placé dans un environnement sans champ, il dégagera la chaleur supplémentaire dans l’environnement. Ce processus n’est pas aussi économe en énergie que les systèmes utilisant des alternatives liquides ou gazeuses.

Les pompes thermoélectriques utilisent la tension pour transférer la chaleur entre deux zones. Ces systèmes sont également de faible efficacité et ont trouvé peu d’utilité en dehors des petits dispositifs de refroidissement. De même, les dispositifs thermoacoustiques ont trouvé peu d’utilité en dehors des procédés cryogéniques. Ces appareils utilisent les différences de pression relatives causées par les ondes acoustiques pour transférer l’énergie thermique.

3. Pompes à chaleur air-air

Comme son nom l’indique, les pompes à chaleur air-air transmettent la chaleur de l’extérieur à l’extérieur vers l’intérieur de l’installation. Ils sont disponibles sous forme de systèmes réversibles qui peuvent chauffer et refroidir l’air intérieur. Les systèmes les plus courants incluent ceux utilisant la compression de vapeur, ou l’eau chaude pour les radiateurs ou l’utilisation humaine directe.

Le type utilisant la compression de vapeur fonctionne de manière similaire aux réfrigérateurs ou aux climatiseurs. Ils impliquent une unité placée à l’intérieur et reliant des tuyaux à une unité placée au-dessus du sol à l’extérieur. Les refroidisseurs à cycle inversé fonctionnent de la même manière que les autres pompes air-air, sauf qu’ils font circuler l’eau au lieu d’un autre réfrigérant vaporisé. Une fois chauffée, l’eau peut être déplacée à travers des systèmes de radiateurs internes.

Les systèmes air-air et les systèmes à rayonnement sont généralement plus écoénergétiques que les autres systèmes de chauffage. Elles sont également moins chères à installer que les autres formes de pompes à chaleur car elles sont hors sol. Les pompes à chaleur peuvent être plus sûres pour la santé puisqu’elles n’impliquent pas la combustion de carburants au carbone. Ces substances peuvent libérer du dioxyde de carbone ou de l’oxyde d’azote dans le cadre du processus de combustion.

Les systèmes de pompe à chaleur à air peuvent être idéaux pour les installations dans des climats relativement tempérés. Ils peuvent fournir une chaleur suffisante dans tous les temps, sauf par temps extrêmement froid, approchant des températures de congélation.

Les systèmes de pompe à chaleur air-air présentent un certain nombre d’inconvénients. Bien qu’ils soient parfaits pour les climats tempérés, ils ne fonctionnent pas bien dans les climats extrêmes. À des températures glaciales, la capacité de chauffage chute en dessous des niveaux tolérables. La plupart des systèmes comprennent une forme de résistance ou de chauffage d’urgence à l’huile. Cependant, le chauffage d’urgence n’est ni rentable ni conçu pour une utilisation constante.

Puisque les systèmes sont au-dessus du sol, ils peuvent avoir des problèmes de blocage. Les feuilles, l’herbe, la neige et la glace peuvent tous avoir un impact sur le flux d’air et les pièces mobiles internes. Les systèmes hors sol nécessitent souvent des filtres et des dégivreurs.

Les systèmes de pompe à chaleur à air peuvent nécessiter des coûts initiaux plus élevés que les autres solutions de chauffage des locaux. Cependant, ils peuvent durer vingt ans ou plus et éventuellement économiser de l’argent à long terme. Le temps qu’il faut pour récupérer les dépenses initiales dépend des coûts locaux d’électricité et de pétrole.

a. Mini pompe à chaleur Split (sans conduit)

La thermopompe mini-split est une opération air-air conçue pour les maisons sans conduits. Ils sont généralement privilégiés dans les rénovations de bâtiments utilisant autrefois des chauffe-eau ou des radiateurs. Alors que les pompes à chaleur à air traditionnelles relient l’unité externe au système de conduits, les mini-splits utilisent de petites ouvertures découpées dans les parois latérales. Les unités intérieures peuvent être montées sur des plafonds, des murs ou sur le sol, jusqu’à cinquante pieds de l’unité extérieure.

Une unité externe mini-split peut être connectée à jusqu’à quatre unités internes. Cela permet un chauffage et un refroidissement efficaces de la zone puisque chaque unité interne peut être contrôlée indépendamment. Cependant, l’installation d’une unité de mauvaise taille peut entraîner un gaspillage d’énergie ou des pièces mal chauffées.

Alors que certaines personnes peuvent trouver le tube visible et l’unité intérieure disgracieux, les mini-splits ont tendance à être plus écoénergétiques que les systèmes de conduits. Les conduits sont notoirement inefficaces, perdant souvent de grandes quantités de chaleur avant d’atteindre les évents.

b. Pompe à chaleur d’air d’échappement

Une dernière variante des pompes air-air est la pompe à chaleur pour air d’échappement. Comme son nom l’indique, cette version utilise l’échappement d’un bâtiment ou d’un processus de fabrication. Étant donné que l’échappement est généralement plus chaud que l’air ambiant, le même processus d’évaporation en condensation peut être encore plus efficace. Cependant, ce processus nécessite un accès étroit à un échappement cohérent.

4. Pompes à chaleur sous-marines / souterraines

Les températures en profondeur et sous l’eau ne varient pas autant que celles en plein air. En raison de cette réalité, cette catégorie de pompes peut fournir plus efficacement de l’air à la fois plus chaud et plus frais.

Certaines pompes souterraines et sous-marines utilisent un système de ligne de duel. Dans cette variété, un pipeline principal passera d’une boîte d’échange à la structure hors sol. Un deuxième pipeline reliera une boîte d’échange au labyrinthe souterrain / sous-marin. Les deux tuyaux se rencontreront à l’intérieur de la boîte d’échange de chaleur incluse. Les systèmes souterrains et sous-marins peuvent utiliser un mélange d’antigel et d’eau pour éviter davantage les températures extrêmes.

a. Pompes à chaleur à eau

Pour les structures suffisamment proches de sources d’eau profondes, les pompes à chaleur sous-marines peuvent être une option. Les pompes à chaleur à base d’eau fonctionnent selon un principe similaire à celui à base d’air, sauf qu’elles utilisent des aubes d’eau comme moyen d’échange de chaleur. Ils absorbent la chaleur de l’eau pour réchauffer l’intérieur de la structure et libèrent de la chaleur dans l’eau pour refroidir la structure.

Certaines variétés utilisent également l’eau comme réfrigérant et l’eau s’écoule à travers un réseau de tubes aussi profondément que possible sous l’eau. La température de l’eau à l’intérieur du tube sera réchauffée ou refroidie jusqu’à ce qu’elle atteigne la température ambiante de l’eau à écoulement libre. L’eau contenue dans les tubes est ensuite pompée dans la structure. En été, l’eau absorbera la chaleur de l’intérieur de l’installation, refroidissant essentiellement la structure. En hiver, l’eau dégage de la chaleur dans l’intérieur plus froid.

Étant donné que les températures profondes sous l’eau sont relativement stables tout au long de l’année, ce système peut être utilisé dans des climats plus extrêmes. C’est un avantage majeur par rapport aux systèmes à air, qui ne peuvent desservir que les climats tempérés.

Comme il n’y a pas besoin d’excavation profonde, les systèmes sous-marins sont moins chers à installer que les systèmes souterrains. Cependant, les systèmes sous-marins peuvent exiger des coûts initiaux beaucoup plus élevés que les mécanismes aériens.

Bien entendu, le plus gros inconvénient des pompes à chaleur sous-marines est la nécessité d’être très près d’un plan d’eau. Alors que les puits externes peuvent fonctionner, des corps plus grands avec de l’eau à écoulement libre seraient plus efficaces.

Les systèmes sous-marins peuvent être des boucles fermées ou des boucles ouvertes. Tout comme les autres variétés discutées, les boucles fermées déplacent un réfrigérant à travers un pipeline fermé. Les boucles ouvertes, quant à elles, collectent l’eau libre dans le système et la déplacent à travers la structure interne. La chaleur est ensuite libérée ou absorbée si nécessaire. L’eau est ensuite rejetée dans l’environnement à un endroit différent.

Comme il s’agit d’eau pure de l’environnement, ce processus comporte le risque supplémentaire de dépôts minéraux à l’intérieur de la ligne. Ces dépôts peuvent interférer avec l’écoulement de l’eau, et ainsi réduire l’efficacité du système.

b. Pompes à chaleur géothermiques

Aussi appelés pompes à chaleur géothermiques, ces systèmes utilisent les températures constantes profondément sous terre pour chauffer ou refroidir les structures. Comme les pompes en eau profonde, celles-ci utilisent souvent de l’eau comme réfrigérant et ne nécessitent pas de processus de condensation / évaporation. Cependant, des variétés standard de condensation et d’évaporation existent également.

Comme pour les versions en eau profonde, le type de réfrigérant à eau utilise un réseau de tuyaux profondément sous terre. L’eau s’écoule à travers les tuyaux, libérant ou absorbant la chaleur jusqu’à ce qu’elle corresponde à la température ambiante du sol. L’eau est ensuite pompée dans la structure aérienne pour libérer ou absorber la chaleur au besoin.

Alors que les tuyaux en eau profonde reposent généralement horizontalement contre le fond de l’eau, les types souterrains ont un certain nombre de configurations. Là où l’espace horizontal est limité, les tuyaux peuvent former des boucles verticales. Un certain nombre de trous profonds sont percés dans le sol. Les tuyaux forment une chaîne de formes en U verticales profondes. Chacun des trous de forage peut être rempli d’eau souterraine ou d’un autre milieu pour mieux faciliter l’échange de température.

Là où il y a plus d’espace, les tuyaux peuvent être disposés en un réseau horizontal de formes en U s’étendant sur un seul plan au-dessous de la ligne de gel. Le sol peut être excavé puis remplacé pour recouvrir les tuyaux.

Les tuyaux horizontaux peuvent également être disposés radialement, avec un processus appelé forage directionnel horizontal. Ce processus est favorisé car il peut être installé sans perturber les allées et autres éléments de surface.

5. Pompes à chaleur hybrides

Le plus gros problème avec les conceptions de pompe à chaleur pure est de fournir une chaleur suffisante dans les climats très froids. Les pompes air-air ne peuvent pas fonctionner efficacement à des températures inférieures ou égales à zéro. Cela laisse les systèmes utilisant un chauffage d’urgence coûteux en cas de froid extrême.

Les systèmes géothermiques et sous-marins sont bien meilleurs pour le refroidissement que le chauffage. Les températures en profondeur sous l’eau / sous l’eau peuvent atteindre entre cinquante et soixante degrés Fahrenheit. Cette température est bien meilleure pour refroidir une pièce chaude que pour chauffer une pièce glacée.

En conséquence, un certain nombre de pompes à chaleur hybrides existent pour aider au processus de chauffage. Ces pompes fonctionnent comme des pompes à air qui utilisent des sources d’énergie supplémentaires pour fournir de la chaleur supplémentaire à libérer à l’intérieur. Les exemples comprennent:

  • Les thermopompes à gaz utilisent le gaz naturel comme source de chaleur, fournissant une chaleur supplémentaire dans les climats froids. Cette version peut également utiliser un processus de réfrigération ammoniac-eau pour fournir à la fois le chauffage et le refroidissement.
  • Les pompes à chaleur à énergie solaire peuvent utiliser des panneaux solaires comme source d’énergie pour entraîner et chauffer le système. Ils peuvent également utiliser la lumière directe du soleil comme source de chaleur supplémentaire.

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