L'énergie terrestre. Pompes à chaleur. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique

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Il y a un siècle et demi, le physicien britannique William Thomson inventait un dispositif appelé « multiplicateur de chaleur », basé sur les phénomènes physiques suivants :

• la substance dépense de l'énergie lors de l'évaporation et dégage de l'énergie lors de la condensation;
• Le point d'ébullition d'une substance change avec la pression.

En conséquence, il est apparu тепловой насос - un dispositif de transfert d'énergie thermique d'une source de température plus basse vers une source de température plus élevée, en fait il s'agit d'un réfrigérateur avec une source de température plus basse dans le milieu extérieur ou d'un climatiseur fonctionnant pour le chauffage.

Le principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur est basé sur le fait que le réfrigérant s'évapore dans une chambre à basse pression et température et se condense dans une chambre à haute pression et température, transférant ainsi l'énergie (chaleur) d'un corps froid à un corps chauffé. , c'est-à-dire dans la direction dans laquelle l'échange thermique spontané n'est pas possible.

En tant que source d'énergie thermique à faible potentiel pour chauffer une maison, la chaleur d'origine naturelle (air extérieur ; chaleur des eaux souterraines, artésiennes et thermales ; eau des rivières, lacs, mers et autres plans d'eau naturels non gelés) peut être utilisé. Les pompes à chaleur sont équipées d'un système de contrôle et d'automatisation qui prend en charge le mode de fonctionnement spécifié de la pompe à chaleur.

L'efficacité énergétique des pompes à chaleur dépend de la température de la source à faible potentiel et sera d'autant plus élevée que sa température est élevée.

Les pompes à chaleur ne sont pas des équipements bon marché. Les coûts d’installation initiaux de ces systèmes sont légèrement supérieurs au coût des systèmes de chauffage et de climatisation conventionnels. Cependant, si l’on considère les coûts d’exploitation. l'investissement initial dans le chauffage, le refroidissement et l'eau chaude géothermiques est alors rapidement rentabilisé grâce aux économies d'énergie. De plus, il faut tenir compte du fait que lorsque la pompe à chaleur fonctionne, aucune communication supplémentaire n'est requise autre que le réseau électrique domestique.

La performance d'une pompe à chaleur (le rapport entre la quantité de chaleur transférée au corps et le travail dépensé) est idéalement égale à :

a \uXNUMXd T out / (T out - T in.),

où T out. et T dans. - les températures, respectivement, à la sortie et à l'entrée de la pompe.

Appareil de pompe à chaleur

Les principaux éléments d'une pompe à chaleur sont un évaporateur relié par une canalisation, un compresseur, un condenseur et un régulateur de débit - un papillon, un détendeur ou un tube vortex. Schématiquement, une pompe à chaleur peut être représentée comme un système de trois circuits fermés : dans le premier, externe, circule un émetteur de chaleur (un caloporteur qui capte la chaleur de l'environnement), dans le second - une substance qui s'évapore, évacuant la chaleur de l'émetteur de chaleur et se condense, dégageant de la chaleur vers le dissipateur thermique, dans le troisième - récepteur de chaleur (eau dans les systèmes de chauffage et d'alimentation en eau chaude du bâtiment).

Fig. 1. Schéma de fonctionnement de la pompe à chaleur : 1 - échangeurs de chaleur dans les puits (système de récupération de chaleur) ; 2 - circuit de liquide de refroidissement antigel (antigel) ; 3 - pompe à chaleur ; 4 - circuit d'eau de chauffage

Le circuit externe (collecteur) est une canalisation posée dans le sol ou dans l'eau (par exemple en polyéthylène), dans laquelle circule un liquide antigel. La source de chaleur de faible qualité peut être le sol, la roche, le lac, la rivière, la mer et même la sortie d'air chaud du système de ventilation d'une entreprise industrielle.

Dans le deuxième circuit, où circule le réfrigérant, tout comme dans un réfrigérateur domestique, se trouvent des échangeurs de chaleur intégrés - un évaporateur et un condenseur, ainsi que des dispositifs qui modifient la pression du réfrigérant - un starter (un trou étroit calibré ) qui le pulvérise en phase liquide et un compresseur qui le comprime à l'état gazeux.

Conceptions de pompes géothermiques

Lors du fonctionnement de ces systèmes, la chaleur renouvelable issue du rayonnement solaire est utilisée, qui s'accumule dans le sol :

• pompe à cycle ouvert (le liquide de refroidissement est fourni directement depuis le réservoir et revient refroidi après le cycle) ;
• pompe à cycle fermé (le liquide de refroidissement est pompé à travers une boucle fermée, qui peut être posée profondément dans le sol ou au fond d'un réservoir. Il s'agit d'une méthode plus respectueuse de l'environnement qu'une boucle ouverte) ;
• une pompe avec un échangeur de chaleur horizontal (le circuit fermé de l'échangeur de chaleur est posé horizontalement dans des tranchées profondes) ;
• une pompe avec un échangeur de chaleur vertical (un échangeur de chaleur en boucle fermée est installé verticalement dans des trous préparés. Il est utilisé dans des sols lourds ou lorsque l'espace est limité. La plus efficace est une pompe à chaleur en boucle fermée : le liquide de refroidissement est pompé à travers un boucle, qui peut être posée profondément dans le sol ou au fond d'un réservoir).

Cycle de service de la pompe à chaleur

Le réfrigérant liquide est forcé à travers le papillon, sa pression chute et il entre dans l'évaporateur, où il bout, évacuant de l'environnement la chaleur fournie par le collecteur. Ensuite, le gaz transformé en fluide frigorigène est aspiré dans le compresseur, comprimé et, chauffé, poussé dans le condenseur. Le condenseur est l'unité de dégagement de chaleur de la pompe à chaleur : ici la chaleur est reçue par l'eau du système de chauffage. système de circuits. Dans ce cas, le gaz se refroidit et se condense pour être à nouveau évacué dans le détendeur et retourner à l'évaporateur, après quoi le cycle de fonctionnement recommence.

Efficacité de la pompe à chaleur

Pendant le fonctionnement, le compresseur consomme de l'électricité. Pour chaque kilowattheure d'électricité dépensé, la pompe à chaleur produit 2,5 à 5 kilowattheures d'énergie thermique. Le rapport entre l'énergie thermique générée et l'énergie électrique consommée est appelé taux de transformation (ou coefficient de conversion thermique) et sert d'indicateur de l'efficacité de la pompe à chaleur. Cette valeur dépend de la différence des niveaux de température dans l'évaporateur et le condenseur : plus la différence est grande, plus cette valeur est petite.

Pour cette raison, la pompe à chaleur doit utiliser autant que possible la source de chaleur de faible qualité sans chercher à trop la refroidir. En fait, cela augmente l'efficacité de la pompe à chaleur, car avec un faible refroidissement de la source de chaleur, il n'y a pas d'augmentation significative de la différence de température. C'est pourquoi les pompes à chaleur veillent à ce que la masse de la source de chaleur à basse température soit nettement supérieure à la masse chauffée.

La différence entre une pompe à chaleur et une source de chaleur à combustible est que pour fonctionner, en plus de l'énergie pour le compresseur, elle a également besoin d'une source de chaleur de faible qualité, alors que dans les sources de chaleur traditionnelles, la chaleur générée dépend uniquement du pouvoir calorifique. du carburant.

Le problème du raccordement d'une pompe à chaleur à une source de chaleur de faible qualité et de masse importante peut être résolu en introduisant un système de transfert de masse dans la pompe à chaleur, par exemple un système de pompage d'eau. C'est ainsi que fonctionne le système de chauffage central de Stockholm.

Efficacité conditionnelle des pompes à chaleur

Une pompe à chaleur est capable, en utilisant des sources d'énergie à haut potentiel, de « pomper » dans la pièce (en pourcentage de la dépense) de 200 % à 600 % d'énergie thermique à faible potentiel. Cela ne viole pas la loi de conservation de l’énergie, puisque cela refroidit l’environnement.

Théoriquement, l'utilisation de pompes à chaleur pour chauffer les pièces est plus efficace que les chaudières à gaz. Les unités modernes de turbines à vapeur et à gaz dans les centrales électriques ont un rendement légèrement inférieur à celui des chaudières à gaz. En conséquence, lorsque l'industrie de l'énergie électrique passe à des équipements modernes et utilise des pompes à chaleur, les économies de gaz peuvent être réalisées jusqu'à 3 à 5 fois par rapport aux chaudières à gaz. En réalité, les frais généraux de transport, de transformation et de distribution de l’électricité (c’est-à-dire les services de réseau) doivent être pris en compte. En conséquence, le prix de vente de l’électricité est 3 à 5 fois plus élevé que son coût, ce qui annule le recours à une technologie généralement progressiste. À cet égard, il est conseillé d'utiliser de l'électricité provenant de sources alternatives (centrales houlomotrices, éoliennes, solaires) ou de combiner la production d'électricité à partir de gaz et son utilisation sur place pour produire de la chaleur dans une pompe à chaleur.

Recommandations pour le fonctionnement de la pompe à chaleur

• Lors de l'utilisation de l'énergie subventionnée comme source de chaleur, le pipeline dans lequel circule l'antigel est enterré dans le sol à 30-50 cm en dessous du niveau de congélation du sol dans la région donnée. La distance minimale recommandée entre les tuyaux collecteurs est de 0,8 à 1 m. Aucune préparation particulière du sol n'est requise. Mais il est conseillé d'utiliser une zone avec un sol humide ; si elle est sèche, le contour doit être rallongé. La valeur approximative de la puissance thermique par litre de pipeline est de 20 à 30 W. Ainsi, pour installer une pompe à chaleur d'une capacité de 10 kW, il faut un circuit de terre d'une longueur de 350-450 m, pour l'installation duquel un terrain d'une superficie d'environ 400 m2 (20x20 m) sera requis. S'il est calculé correctement, le contour n'affecte pas les espaces verts.
• S'il n'y a pas d'espace libre pour la pose du collecteur ou si la roche est utilisée comme source de chaleur, le pipeline est descendu dans le puits. Il n'est pas nécessaire d'utiliser un trou profond : plusieurs trous peu profonds et moins chers peuvent être forés pour obtenir la profondeur totale estimée. Parfois, des pieux de fondation sont utilisés comme puits.
• Environ 1-50 W d'énergie thermique pour 60 mètre linéaire de puits. Ainsi, pour installer une pompe à chaleur d'une capacité de 10 kW, il faut un puits d'une profondeur de 170 m.
• Le réfrigérant est fourni directement à une source terrestre, ce qui rend le système de chauffage géothermique très efficace. L'évaporateur est installé dans une livre horizontalement en dessous de la profondeur de congélation ou dans des puits d'un diamètre de 40 à 60 mm, forés verticalement ou en pente jusqu'à une profondeur de 15 à 30 m. Grâce à cette solution d'ingénierie, le circuit d'échange thermique est construit sur une superficie de​​seulement quelques mètres carrés, ne nécessite pas l'installation d'un échangeur de chaleur intermédiaire ni de coûts supplémentaires pour le fonctionnement de la pompe de circulation.
• Lors de l'utilisation d'un plan d'eau à proximité comme source de chaleur, le circuit est posé au fond. Cette option est considérée comme idéale : circuit extérieur pas trop long ; température ambiante élevée (la température de l'eau dans le réservoir en hiver est toujours positive ; coefficient de conversion énergétique élevé des pompes à chaleur).
• La valeur approximative de la puissance thermique pour 1 m de pipeline est de 30 W. Ainsi, pour installer une pompe à chaleur d'une capacité de 10 kW, il est nécessaire de poser dans le lac un circuit de 300 m de long. Pour éviter que la canalisation ne flotte, 1 linéaire. m, environ 5 kg de charge sont installés
• Pour obtenir de la chaleur à partir de l'air chaud (par exemple, de l'échappement d'un système de ventilation), un modèle spécial de pompe à chaleur avec échangeur de chaleur à air est utilisé. La chaleur de l’air destinée aux systèmes de chauffage et d’eau chaude peut également être collectée dans les usines de fabrication.
• Si la chaleur du circuit externe n'est toujours pas suffisante pour chauffer en cas de fortes gelées, il est pratique de faire fonctionner la pompe en tandem avec un générateur de chaleur supplémentaire (dans de tels cas, on parle d'utiliser un circuit de chauffage bivalent). Lorsque la température extérieure descend en dessous du niveau calculé (température bivalente), un deuxième générateur de chaleur est allumé - le plus souvent un petit radiateur électrique.

Avantages et inconvénients d'une pompe à chaleur

Les avantages des pompes à chaleur incluent avant tout l'économie : pour transférer 0,2 kWh d'énergie thermique au système de chauffage, l'installation n'a besoin que de 0,35 à 50 kWh d'électricité. Étant donné que la conversion de l'énergie thermique en énergie électrique dans les grandes centrales électriques s'effectue avec un rendement allant jusqu'à XNUMX %, l'efficacité de l'utilisation du carburant lors de l'utilisation de pompes à chaleur augmente. Les exigences relatives aux systèmes de ventilation des locaux sont simplifiées et le niveau de sécurité incendie est augmenté. Tous les systèmes fonctionnent en boucles fermées et ne nécessitent pratiquement aucun coût d'exploitation autre que le coût de l'électricité nécessaire au fonctionnement de l'équipement.

Un autre avantage des pompes à chaleur est la possibilité de passer du mode chauffage en hiver au mode climatisation en été : juste au lieu de radiateurs, des ventilo-convecteurs sont connectés à un collecteur externe.

La pompe à chaleur est fiable, son fonctionnement est contrôlé automatiquement. Pendant le fonctionnement, le système ne nécessite pas d'entretien particulier ; les manipulations possibles ne nécessitent pas de compétences particulières et sont décrites dans la notice.

Une caractéristique importante du système est sa nature purement individuelle pour chaque consommateur, qui consiste en le choix optimal d'une source stable d'énergie à faible potentiel, le calcul du coefficient de conversion, le retour sur investissement, etc.

La pompe à chaleur est compacte (son module ne dépasse pas la taille d'un réfrigérateur classique) et est quasiment silencieuse.

Les inconvénients des pompes à chaleur utilisées pour le chauffage incluent le coût élevé des équipements installés.

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