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. 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, 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 transfèrent à l'air frais pompé vers l'intérieur ou à l'eau chaude de consommation.

Fonctionnement de la thermopompe à air

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 55^o C et 60^o C, tandis que les thermopompes produisent une plus grande quantité d'air variant de 29^o C à 43^o 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.

Composition de l'installation

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

Efficacité énergétique

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.