Fonctionnement d'une thermopompe selon un entrepreneur en climatisation

Thermopompes à air Fonctionnement de la thermopompe à air

Thermopompes à air

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. Le plus répandu 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 durant l'été, le processus est alors inversé : 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 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 huit 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 intérieur.

Fonctionnement de la thermopompe à air

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.

Le cycle de chauffage Au cours du cycle de chauffage, la chaleur est captée de l'air extérieur et 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;
  • Cette vapeur traverse le robinet inverseur 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 est le 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. Le serpentin intérieur est situé dans les conduites, près du système de chauffage.

Éléments de la thermopompe à air (cycle de chauffage)
Source : « Éléments de la thermopompe à air (cycle de chauffage) », Ressources naturelles Canada, 2004. Reproduction autorisée par le ministre des Ressources naturelles du Canada, 2014.

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 comble que partiellement les besoins de chaleur servant à maintenir une température confortable dans les aires de séjour; il faut donc utiliser alors 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 chauffé par un appareil de chauffage conventionnel. L'air que ces appareils distribuent dans les aires de séjour oscille normalement entre 55 °C et 60 °C, tandis que les thermopompes produisent une plus grande quantité d'air variant de 25 °C à 45 °C et fonctionnent habituellement pendant de plus longues périodes.

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 rejette 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;
  • Cette vapeur traverse le robinet inverseur jusqu'à l'accumulateur, lequel recueille tout le liquide restant, puis se dirige vers le compresseur. Celui-ci comprime la vapeur, ce qui en réduit le volume et en augmente la température;
  • Enfin, le gaz ainsi chauffé traverse le robinet inverseur vers le serpentin extérieur, qui fait fonction le 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.

Éléments de la thermopompe à air (cycle de chauffage)
Source : « Éléments de la thermopompe à air (cycle de refroidissement) », Ressources naturelles Canada, 2004. Reproduction autorisée par le ministre des Ressources naturelles du Canada, 2014.

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.

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. En conséquence, elles peuvent fonctionner à des températures extérieures plus basses.

Les thermopompes à air ont également été utilisées dans certains systèmes de ventilation résidentiels pour récupérer la chaleur contenue dans l'air vicié expulsé à l'extérieur, puis la transférer à l'air frais pompé vers l'intérieur ou à l'eau chaude de consommation.

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