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Le chauffage et le refroidissement à l'aide d'une thermopompe
Les thermopompes à air extraient la chaleur contenue dans l'air extérieur durant la saison de chauffage et évacuent la chaleur de la maison pendant l'été.
Il existe deux types de thermopompes à air. La plus répandue est la thermopompe air-air, qui puise la chaleur contenue dans l'air pour la transférer, selon la saison, à l'intérieur ou à l'extérieur de la maison.
Le second type est la thermopompe air-eau, qui convient aux maisons équipées d'un système de chauffage à eau chaude. Durant la période de chauffage, la thermopompe extrait la chaleur contenue dans l'air extérieur et la fait passer dans l'eau du système de chauffage. Si le système est conçu pour le refroidissement, le processus est inversé au cours de l'été : la pompe extrait la chaleur de l'eau circulant dans le réseau de distribution de la maison et pompe celle-ci à l'extérieur afin de refroidir l'intérieur. Comme ces systèmes sont encore peu répandus et que nombre d'entre eux ne sont pas équipés pour le refroidissement, l'exposé qui suit se concentre sur les installations air-air.
Dernièrement, des mini-thermopompes bibloc sans conduites ont fait leur entrée sur le marché canadien. Ces appareils conviennent parfaitement lorsqu'on décide d'améliorer le rendement énergétique d'une maison déjà munie d'un système de chauffage à eau chaude ou de plinthes électriques. Ce sont des unités murales alimentées à l'air libre qui peuvent être installées dans des pièces séparées de la maison. Il est possible de raccorder jusqu'à trois unités intérieures distinctes à un appareil placé à l'extérieur.
Une thermopompe à air peut être d'appoint, entièrement électrique ou bivalente. Les thermopompes d'appoint sont conçues pour être utilisées avec une source de chauffage supplémentaire, par exemple un système électrique, au mazout ou au gaz. Les thermopompes à air entièrement électriques comportent leur propre installation de chauffage supplémentaire sous la forme d'un système à résistances électriques. Quant aux thermopompes bivalentes, elles constituent un type spécial mis au point au Canada; elles comprennent un brûleur au gaz — ou au propane — qui augmente la température de l'air qui entre dans le serpentin extérieur. En conséquence, elles peuvent fonctionner à des températures extérieures plus basses.
Les thermopompes à air sont également utilisées dans certains systèmes de ventilation résidentiels; dans ces systèmes, elles extraient la chaleur contenue dans l'air vicié expulsé à l'extérieur, puis la transfert à l'air frais pompé vers l'intérieur ou à l'eau chaude de consommation.
Les thermopompes à air ont trois cycles : le cycle de chauffage, le cycle de refroidissement et le cycle de dégivrage.
Le cycle de chauffage
Au cours du cycle de chauffage, la chaleur est extraite de l'air extérieur et est pompée à l'intérieur de la maison.
- Dans un premier temps, le frigorigène liquide traverse le détendeur et se transforme en un mélange basse pression de liquide et de vapeur. Il s'écoule ensuite vers le serpentin extérieur, qui fait fonction d'évaporateur. C'est là qu'il absorbe la chaleur de l'air extérieur et atteint le point d'ébullition, ce qui le fait se transformer en vapeur à basse température.
- Le robinet inverseur achemine cette vapeur jusqu'à l'accumulateur, qui recueille tout le liquide qui reste avant que la vapeur passe au compresseur. La vapeur est ensuite comprimée, ce qui a pour effet d'en réduire le volume et d'en augmenter la température.
- Enfin, le robinet inverseur achemine le gaz ainsi chauffé vers le serpentin intérieur, qui fait fonction de condenseur. La chaleur contenue dans le gaz chaud est libérée dans l'air intérieur, et le frigorigène se liquéfie sous l'effet de la condensation. Ce liquide retourne vers le détendeur, et le cycle recommence.
C'est la température de l'air extérieur qui détermine la capacité de la thermopompe de transférer la chaleur dans la maison. Toute baisse de température réduit la capacité de la thermopompe d'absorber la chaleur.
Au point d'équilibre, la puissance de la thermopompe correspond aux pertes de chaleur de la maison. Sous cette température, la thermopompe ne suffit pas à maintenir une température confortable dans les aires de séjour, et il faut utiliser un chauffage d'appoint.
Lorsque la thermopompe fonctionne en mode chauffage sans apport supplémentaire de chaleur, l'air qui s'en dégage est plus frais que l'air sortant d'un appareil de chauffage.
L'air que ces appareils distribuent dans les aires de séjour oscille normalement entre 55o C et 60o C, tandis que les thermopompes produisent une plus grande quantité d'air variant de 29o C à 43o C.
Le cycle de refroidissement
Le cycle décrit ci-dessus est inversé durant l'été afin de refroidir la maison. L'appareil puise la chaleur dans l'air de la maison et la décharge à l'extérieur.
- Tout comme pendant le cycle de chauffage, le frigorigène liquide traverse le détendeur et se transforme en un mélange basse pression de liquide et de vapeur. Il se dirige ensuite vers le serpentin intérieur, qui sert d'évaporateur. Absorbant la chaleur de l'air intérieur, il atteint le point d'ébullition et se transforme en vapeur à basse température.
- Le robinet inverseur achemine cette vapeur vers l'accumulateur — lequel recueille tout le liquide restant —, puis vers le compresseur. Celui-ci comprime la vapeur, ce qui en réduit le volume et en augmente la température.
- Enfin, le robinet inverseur achemine le gaz ainsi chauffé vers le serpentin extérieur, qui fait fonction de condenseur. La chaleur contenue dans le gaz chaud est libérée dans l'air extérieur, et le frigorigène se liquéfie sous l'effet de la condensation. Le liquide retourne au détendeur, et le cycle recommence.
Au cours du cycle de refroidissement, la thermopompe déshumidifie également l'air intérieur. L'humidité contenue dans l'air circulant à la surface du serpentin intérieur se condense sur les parois du serpentin et tombe dans une cuve collectrice située sous le serpentin. Un tuyau d'évacuation du condensat relie la cuve au drain de la maison.
Le cycle de dégivrage
Si la température extérieure s'approche du point de congélation ou descend sous ce point pendant que la thermopompe fonctionne en mode chauffage, l'humidité de l'air circulant à la surface du serpentin extérieur se condense, et le serpentin givre. L'accumulation de givre dépend de la température extérieure et du degré d'humidité de l'air.
La présence d'une couche de givre diminue l'efficacité du serpentin, car elle réduit sa capacité de transférer la chaleur au frigorigène. Il faut donc, à un moment ou à un autre, faire disparaître le givre. À cette fin, la thermopompe passe au mode dégivrage.
- D'abord, le robinet inverseur règle l'appareil en mode refroidissement. Cela propulse du gaz chaud vers le serpentin extérieur pour faire fondre le givre. Simultanément, le ventilateur extérieur (qui souffle habituellement l'air froid sur le serpentin) se ferme afin de réduire la quantité de chaleur requise pour faire fondre le givre.
- Pendant ce temps, la thermopompe libère de l'air frais dans la maison. On peut utiliser une installation de chauffage supplémentaire pour réchauffer l'air avant qu'il soit distribué à l'intérieur.
Il y a deux façons de déterminer le moment où l'appareil passe au mode dégivrage. Dans le premier cas, des commandes de dégivrage sur demande contrôlent la circulation de l'air, la pression du frigorigène, la température de l'air ou des serpentins ou les écarts de pression dans le serpentin extérieur afin de détecter la présence de givre sur celui-ci.
Dans le second cas, une commande de dégivrage à sonde et minuterie est actionnée et interrompue par une minuterie ou par une sonde de température située sur le serpentin extérieur. Le cycle peut se déclencher à intervalles de 30, 60 ou 90 minutes, selon les conditions atmosphériques et la conception de l'installation.
Le déclenchement intempestif du cycle de dégivrage réduit le rendement saisonnier de la thermopompe. En règle générale, il est donc plus efficace de recourir au dégivrage sur demande, étant donné que le cycle de dégivrage n'est déclenché qu'au besoin.
La figure 2a et 2b montre les composantes d'une thermopompe à air. Outre les serpentins intérieur et extérieur, le robinet inverseur, le détendeur, le compresseur et les conduites, l'installation comprend des ventilateurs (qui soufflent l'air sur les serpentins) ainsi qu'une source de chaleur supplémentaire. Le compresseur peut être situé à l'intérieur ou à l'extérieur de la maison.
Dans le cas d'une thermopompe entièrement électrique, la chaleur supplémentaire provient d'une série de générateurs de chaleur à résistances situés dans l'enceinte principale de circulation de l'air, appelée chambre de distribution, en aval du serpentin intérieur de la thermopompe.
Figure 2a: Éléments de la thermopompe à air (cycle de chauffage)
Figure 2b: Éléments de la thermopompe à air (cycle de refroidissement)
Si la thermopompe est un appareil d'appoint (figure 3), la chaleur supplémentaire est fournie par un système de chauffage, qu'il fonctionne à l'électricité, au mazout, au gaz naturel ou au propane. Le serpentin intérieur de la pompe est situé dans la chambre de distribution, habituellement juste au-dessus du système de chauffage. Une description du fonctionnement des thermopompes et des systèmes de chauffage figure à la page 44, à la section intitulée « Systèmes de chauffage supplémentaire ».
Figure 3: Thermopompe d'appoint
Les caractéristiques d'une thermopompe à air déterminent sa puissance frigorifique (RES) et sa puissance calorifique (CPSC) annuelles. Au moment de publier le présent document, le RES des thermopompes à air oscillait entre 9 et 16, tandis que leur CPSC variait de 5,9 à 8,8 dans la région V prescrite dans la norme CSA C273.3-91 (les conditions climatiques de cette région sont très semblables à celles d'Ottawa).
Les niveaux minimums d'efficacité énergétique susmentionnés sont régis par règlement dans un certain nombre de juridictions. Ces niveaux sont supérieurs de 5 à 10 p. 100 à l'efficacité moyenne pondérée des thermopompes qu'on vendait il y a quelques années. Cette amélioration est en grande partie attribuable à un meilleur rendement des compresseurs, à l'accroissement de la surface des échangeurs de chaleur, à l'améliorationde la circulation du frigorigène et à d'autres contrôles. Aujourd'hui, grâce au perfectionnement des compresseurs, des moteurs et des commandes, on est parvenu à accroître encore davantage l'efficacité des appareils.
Grâce aux compresseurs perfectionnés mis au point par divers fabricants (compresseurs alternatifs avancés, compresseurs à conduit de décharge spiralé, compresseurs à vitesse variable ou à deux vitesses combinés aux échangeurs de chaleur et aux commandes les plus perfectionnés), le RES de certaines thermopompes atteint 16 et leur CPSC s'élève à 8,8 dans la région V.
Les thermopompes à air offrant le rendement énergétique le moins élevé sont munies d'un compresseur alternatif à une vitesse. Quant aux unités plus efficaces, elles comprennent généralement un compresseur à conduit spiralé ou un compresseur alternatif perfectionné. On ne constate aucune autre différence de conception apparente entre les deux types d'appareils. Les thermopompes offrant les meilleurs RES et CPSC sont toujours équipées d'un compresseur à conduit spiralé à vitesse variable ou à deux vitesses.
Figure 4: Rendement des thermopompes à air (région V)
Choisissez la thermopompe ayant le CPSC le plus élevé possible dans la région V. Si d'autres appareils ont des CPSC semblables, comparez leur fonctionnement en régime permanent à —8,3o C (la température la plus basse à laquelle on les évalue). L'appareil ayant la cote la plus élevée sera le plus efficace dans la plupart des régions du Canada. Choisissez une thermopompe munie d'une commande de dégivrage sur demande. Le cycle de dégivrage ne sera pas actionné inutilement (l'inversion du système peut à la longue endommager l'appareil), ce qui réduira tant l'énergie consommée par la thermopompe que la nécessité de recourir à du chauffage supplémentaire.
Le niveau de bruit est un niveau sonore pondéré — A avec correction de son pur exprimé en bels. Vous devriez arrêter votre choix sur une thermopompe dont le niveau de bruit extérieur se situe au maximum autour de 7,6 bels. Le niveau de bruit indique le niveau sonore de la partie extérieure de la thermopompe. Plus le niveau est bas, moins l'unité extérieure émet de bruit. Ces cotes sont disponibles chez les fabricants et sont publiées par le Air Conditioning and Refrigeration Institute (ARI), 4301 North Fairfax Drive, Arlington, Virginia, États-Unis 22203.
Les charges de chauffage et de refroidissement devraient être déterminées au moyen d'une méthode de mesure reconnue, par exemple celle de la norme CSA-F280-M90,Determining the Required Capacity of Residential Space Heating and Cooling Appliances.
Bien que la thermopompe puisse être dimensionnée de façon à répondre à tous les besoins de chauffage d'une maison, cette pratique ne constitue pas la solution idéale. Au Canada, en effet, les besoins en chauffage sont plus importants que ceux en refroidissement. Lorsque la thermopompe est dimensionnée en fonction de la charge de chauffage, elle est trop puissante par rapport aux besoins de refroidissement et ne fonctionnera que de façon intermittente pendant l'été, ce qui peut nuire à son rendement et réduire sa capacité de déshumidifier la maison durant cette saison.
Par ailleurs, l'efficacité d'une thermopompe à air décroît à mesure que la température de l'air extérieur baisse. Il ne serait donc pas économique d'essayer de répondre à tous vos besoins en chauffage à l'aide d'une thermopompe de ce genre.
De façon générale, les thermopompes à air doivent être dimensionnées de manière à fournir au plus 125 p. 100 de la charge de refroidissement. Une thermopompe qui répond à ce critère peut assurer de 80 à 90 p. 100 de la charge de chauffage annuel, selon les conditions climatiques de la région. Le point d'équilibre de ce type d'appareil se situe entre 0 et —5o C, et cette solution vous offre la meilleure combinaison de coûts et de rendement saisonnier.
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LE PUITS CANADIEN
Les logements sont responsable de plus de 20 % des émissions
Française de CO2 et 50 % de l'énergie finale, le chauffage représente près des
deux tiers de ces consommations d'énergie. L'amélioration de la performance
énergétique des bâtiments et une optimisation de leur conception à l'égard du
confort d'été deviennent aujourd'hui incontournable, voir notre article
construction.
Le principe
Les puits canadien / provençal participent à la diminution de CO2.
Attention à leur réalisation, mal dimensionné, le puits canadien peut etre
inefficace et poser de grave problèmes vis à vis de la qualité de l'air
intérieur. Un puits canadien ou provençal est un système qui utilise la chaleur
ou fraicheur (énergie) présente dans le sol du jardin pour réchauffer ou
refroidir l'air neuf de ventilation d'une habitation.
Le principe du puits canadien/provençal est de faire circuler
l’air neuf de ventilation dans un conduit enterré grâce à un ventilateur, avant
de l'insuffler dans le bâtiment. En hiver, l’air se réchauffe au cours de son
parcours souterrain, les besoins de chauffage liés au renouvellement d’air des
locaux sont alors réduits et le maintien hors gel du bâtiment peut être assuré.
Le puits est alors dit puits canadien. En été, l’air extérieur profite de la
fraîcheur du sol pour se refroidir et arriver dans le bâtiment durant la
journée à une température inférieure à la température extérieure. Le puits est
alors dit puits provençal.
Les composants
Le système comprend quatres éléments :
1 entrée d'air neuf,
il s'agit généralement d'une bouche extérieure pour le secteur
résidentiel et d'un plénum pour le secteur tertiaire nécessitant de plus gros
volumes de renouvellement d'air. La hauteur de la prise doit être supérieure à
1.10 m et comporte un chapeau de protection pour éviter les infiltrations de pluie
et une grille de protection pour éviter aux insectes et petits animaux de
pénétrer à l'intérieur du conduit. il est conseillé de munir les entrées d'air
des puits canadiens/provençaux d'un filtre. La classe du filtre à utiliser
dépend de la densité et du type de poussières à proximité de l'entrée d'air
(G4, G5, F6, F7 …). Il est recommandé d'inspecter et de changer régulièrement
les filtres (3 à 4 fois par an en moyenne) car un filtre encrassé contribue à
augmenter les pertes de charge du puits et donc la consommation du ventilateur.
Suite
LA PUIT CANADIEN suite
2 - conduit,
il peut etre composé d'un seul tube enterré autour des fondations
ou un réseau de tube parallèles, la longueur de chaque tube etant comprise
entre 30 et 50 m pour limiter les pertes de charges. La longueur totale du
conduit est calculée en fonction du débit d'air souhaité, de la nature du sol,
de la zone géographique (température extérieure tout au long de l'année) et du
type d'installation choisie. La vitesse de l'air à l'intérieur du réseau de
tube doit etre comprise entre 1 et 3 m/s pour obtenir un bon échange thermique.
Les tubes sont généralement enfouis à une profondeur comprise entre 2 et 3 m et
distant l'un de l'autre d'au moins 3 fois le diamètre des tubes pour garantir
une bonne exploitation de l'énergie stockée dans le sol. Il est indispensable
d'obtenir une pente de l'ordre de 3 % du réseau de tube, pour l'évacuation par
gravité des condensats qui se forment en été lorsque l'air extérieur chaud
entre en contact avec les parois froide du conduit. Les tubes entrant dans la
composition des puits canadiens/provençaux actuellement en fonctionnement sont
généralement en PVC, en polyéthylène ou en polypropylène souple ou rigide.
Certains tubes sont constitués de matières plastiques (PVC structurés ou gaines
type TPC) emprisonnant des bulles d’air, ce qui diminue l’échange thermique
sol/conduit. Le recours à ce type de tube est donc
déconseillé. Le réseau de tubes doit etre parfaitement étanche pour éviter la
pénétration de racines, d'eau et de radon, le radon est un gaz nocif,
radioactif d'origine naturelle se trouvant dans les sous sols granitiques et
volcaniques. Les tubes du conduit peuvent avoir subi un traitement permettant
de freiner la prolifération microbienne, source de mauvaise odeur dans les
bâtiments et de dégradation de la qualité de l'air intérieur. L’emploi de sel
d’argent est par exemple un excellent traitement antimicrobien.
3 - système d'évacuation des condensats
l'air chaud extérieur contient une certaine quantité d'eau
présente sous forme de vapeur qui va se condenser au contact des parois froide
du tube. Si cette eau n'eat pas évacuer, des germes et bactéries risque de s'y
développer, pour écarter ce risque il est nécessaire que le conduit soit
incliné et relié à un système d'évacuation.
4 - ventilateur
système de régulation du puits, le ventilateur doit etre
dimensionné selon les besoins de débit et vitesse d'air. Le by-pass et le
thermostat sont particulierement utile en intersaison lorsque la température
extérieure est comprise entre 10 et 20 °C, le recours au puits
canadien/provencal n'est pas judicieux puisque la température extérieure est
proche de la température de confort intérieur (18-22°C), il est donc préférable
d'utiliser le by-pass poour eviter de raraichir l'habitation.
Implantation
La nature du sol est tres importante, les performances du puits
sont dues à la capacité calorifique et à la conductivité thermique du sol. La
conductivité thermique d'un sol dépend non seulement de sa composition mais
également de la disposition et de la forme de ses particules constitutives, des
liaisons entre ces perticules et de sa teneur en eau, plus le sol est humide,
plus il est conducteur.
La conductivité d'un sol peut donc varier selon les saisons. La
capacité calorifique d'un sol est composé de la moyenne des capacités
calorifiques de ses constituants, minéraux, organique, eau,... Comme l'eau et
la matière organique ont une capacité calorifique supérieure à celle des
éléments minéraux, un sol humide et riche en matière organique stockera mieux
la chaleur qu'un sol sec et riche en minéraux. Donc il faut mieux installer un
système canadien dans un sol argileux sableux humide plutôt que dans un sol
sablonneux sec.
Le poste le plus couteux lors de la réalisation d'un puits
canandien est le terrassement, c'est pour cela qu'il est judicieux de
l'installer pendant les travaux de fondation d'une habitation neuve.
Le puits canadien peut etre associer à une V.M.C double flux, ce
qui permet de récuperer une partie de l'énergie de l'air extrait du logement.
Le puits canadien/provençal doit permettre au système de
ventilation de l'habitation d'assurer un débit d'air respectant l'arrêté du 24
mars 1982 pour les bâtiments résidentiels et le règlement sanitaire
départemental et/ou le code du travail pour les locaux tertiaires. Ce débit
dépend de la configuration de chaque bâtiment
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Dossier thématique :
LE PUITS CANADIEN ASSOCIE A UNE VMC DOUBLE FLUX
Le puit canadien expliqué pécédement peut etre asocié à une
ventilation mécanique controlée double flux, ce type de montage est le plus
performant et permet de réaliser des énocomies d'énergies.
