Pompe à chaleur “air-air” : principe de fonctionnement, dispositif, sélection et calculs

Vous souhaitez instalier un chauffage par conveceturs dans votre maisson, où le fluide caloporteur est chaufé par une pompe à chaleur « air-air », offrant des éconimies signifcatives sur les coûts de chauffage ? Convenez qu'obtenir un chauffage complet avec de l'eau chaude quasiment gratuit est une perspetive très tentate.

Mais vous ne savez pas comment réaliser un tel système pour chauffer les pièces de manière alternive et obternir de l'eau chaude pour les besoins domestiques ?

Nous vous aiderons à y voir plus clair — dans cet article, le principe de fonctionment et la concetion de la pompe sont expliqués. L'énergie ne sera nécessire que pour faire fonctionner le compresseur, tandis que le grs volume de chaleur sera simplement puisé dans l'atmosphère extérieure, ce qui n'est pas encore factué.

Les avantges de son intgration dans le système ainsi que les incovénients majeurs sont également examinés. Une attention particulière est accordée au choix et au dimmensionnement de la pompe.

Et pour les amateurs de bricolage, nous proposons de construire vous-même une telle pompe, en utilisant des matériaux de récupération. Pour vous aider, nous fournissons des supports photogrphiques et des recommandations vidéo sur la structure et le fonctionment de la pompe à chaleur à air.

Caractéristiques de la pompe à chaleur air-air

Toute pompe à chaleur appartient à l'équipement du secteur des énergies alternatives. Elle extrait l'énergie thermique des masses d'air extérieures, de l'espace environnant dans le local, pour chauffer des bâtiments résidentiels et non résidentiels.

Aucun type de combustible n'est utilisé.

Extérieurement, une pompe à chaleur (PAC) air-air ressemble à un climatiseur inverter, un système split composé d'une unité extérieure et d'une unité intérieure.

Par contre, par son principe de fonctionnment, il ressemble plutôt à un réfrigérateur, mais en fonctionnement « inversé ». Mais à la différence des deux, cette pompe à chaleur peut à la fois refroidir et chauffer les masses d'air dans la maison.

La pompe à chaleur capte l'énergie thermique à bas potentiel de l'atmosphère extérieure et chauffe l'air intérieur à des températures confortables.

Principe de fonctionnment et conception interne

Le fonctionnement de la PAC air-air repose sur un simple phénomène physique de thermodynamique : le liquide en s'évaporant refroidit la surface sur laquelle il se disperse. Par exemple, la vapeur au-dessus d'une tasse de thé chaud démontre le même effet.

Sur ce principe fonctionne également un réfrigérateur ordinaire. À l'intérieur, se trouvent des tubes dans lesquels circule le réfrigérant sous haute pression. Il extrait la chaleur de l'espace intérieur du compartiment congélateur, en se réchauffant légèrement.

Ensuite, la chaleur collectée est cédée à l'air de la pièce via l'échangeur de chaleur (grille à l'arrière du réfrigérateur).

En hiver, la pompe à chaleur air-air chauffe l'air intérieur, et en été, elle peut le refroidir.

Et pour que le réfrigérant refroidisse ensuite aux températures de travail, il est comprimé dans le compresseur. De plus, au cours du cycle de fonctionnement, le fréon à l'intérieur du système compresseur-condenseur-évaporateur passe constamment de l'état gazeux à l'état liquide et inversement.

La pompe à chaleur air-air fonctionne exactement de la même manière. Seulement, elle prélève la chaleur de l'extérieur, et non d'un congélateur fermé. Même s'il gèle dehors, il y a toujours beaucoup d'énergie thermique dans l'atmosphère.

Pour produire de la chaleur, la pompe à chaleur n'a besoin que de l'énergie nécessaire au fonctionnement du compresseur. Le schéma montre en détail le processus de transfert de chaleur.

La pompe à chaleur air-air est constituée des éléments suivants :

• compresseur ;
• évaporateur avec ventilateur de soufflage forcé ;
• détendeur ;
• tubes en cuivre pour le transfert du fréon entre l'extérieur et la maison ;
• condenseur avec ventilateur de distribution d'air chauffé dans la pièce.

Les trois premiers éléments constituent l'unité extérieure, et le dernier fait partie de l'unité intérieure de la pompe à chaleur. Les tubes en cuivre calorifugés sont destinés au déplacement continu du caloporteur entre ces modules du système split.

Le mouvement du fréon dans la pompe à chaleur se fait en circuit fermé, ce qui fait qu'il est constamment comprimé et détendu.

L'algorithme de fonctionnement de la pompe à chaleur air-air est le suivant :

1. L'air extérieur est aspiré par le ventilateur dans l'unité extérieure et passe à travers les ailettes de l'évaporateur extérieur. Le fréon circulant dans l'échangeur de chaleur absorbe l'énergie thermique présente, passant ainsi à l'état gazeux.
2. Ensuite, le gaz pénètre dans le condenseur où il est comprimé. Puis il est pompé par les tubes en cuivre vers l'unité intérieure.
3. Dans le condenseur situé dans la maison, le gaz repasse à l'état liquide, cédant la chaleur à l'air intérieur.
4. Ensuite, l'excès de pression est évacué par le détendeur, et le fréon liquide est à nouveau envoyé vers l'évaporateur primaire.

La température du fréon entrant dans l'unité extérieure est toujours inférieure à la température ambiante. Par conséquent, il absorbe toujours la chaleur de l'atmosphère.

Mais le niveau de « refroidissement » du caloporteur dans le système est constant, tandis que la température extérieure fluctue constamment. Pour cette raison, en cas de fortes gelées, la PAC perd son efficacité.

Le cycle de déplacement du caloporteur d'une pompe à chaleur air-air : 1. il est comprimé par le compresseur, 2. il se condense dans l'échangeur de chaleur, en libérant ainsi la chaleur, 3. sous forme liquide, il entre dans l'échangeur extérieur, 4. il s'y évapore, capturant lors de l'évaporation l'énergie thermique du milieu extérieur, 5. il retourne ensuite dans le condenseur.

Pour augmenter la puissance de la pompe à chaleur, les surfaces du condenseur et de l'évaporateur sont rendues aussi grandes que possible. Et pour assurer un fonctionnement ininterrompu en hiver, l'échangeur extérieur est équipé de son propre système de dégivrage.

Avenages et incovénients de la pompe à chaleur à air

Chaque système techniquement complexe a ses avantages et ses inconvénients. Les brochures publicitaires sont une chose, mais en réalité, les propriétaires de pompes à chaleur risquent de rencontrer certains problèmes.

Les installations de chauffage/refroidissement de type « air-air » sont avantageuses pour plusieurs raisons.

Parmi les principaux avantages, on trouve :

• Polyvalence. Les systèmes permettent de chauffer et de refroidir les pièces en fonction de leur usage, des besoins et de la saison climatique.
• Respect de l'environnement. Ils permettent de renoncer complètement à la combustion de gaz naturel, de charbon, de bois, etc., qui polluent l'environnement avec leurs produits de combustion.
• Simplicité d'installation. Assembler un système à partir de composants fabriqués en usine ne présente aucune difficulté. Il est possible de construire soi-même une pompe à chaleur à partir de moyens de fortune.
• Sécurité incendie. Le processus de production de chaleur n'implique pas l'utilisation de combustible. Même des dysfonctionnements de l'installation ne peuvent pas provoquer d'incendies.
• Rentabilité. Ils attirent par leur coefficient de transfert thermique élevé pour un coût minimal (pour 1 kW d'électricité consommée, ils fournissent 4 à 5 kW de chaleur). De plus, ils s'amortissent rapidement.
• Accessibilité financière. Le coût des systèmes fabriqués en usine permet à presque tout le monde d'acquérir une pompe à chaleur. Une installation fabriquée artisanalement sera quasiment gratuite.
• Facilité d'utilisation. L'appareil le plus complexe techniquement du système est le compresseur, dont l'entretien n'est pas difficile. Avec la charge typique des pompes à chaleur, les compresseurs tombent rarement en panne avant la date promise par le fabricant.

Pour organiser le chauffage dans une seule pièce, il suffit d'installer un système split, en accrochant le module extérieur sur la façade et le convecteur sur le mur intérieur. Pour chauffer plusieurs pièces, il faudra aménager des canaux de distribution de l'air chauffé.

Pour chaque kilowattheure d'électricité consommé, la pompe à chaleur fournit jusqu'à cinq kilowattheures d'énergie thermique.

Toute la gestion de la pompe à chaleur air-air est assurée par l'automatisme intégré. Il ne sera pas nécessaire d'accorder une attention particulière au fonctionnement et au réglage de ce système. Il suffira de nettoyer régulièrement les filtres à air et de les remplacer de temps en temps.

Parmi les inconvénients des pompes à chaleur, on peut citer :

• un bruit de fond, certes faible, mais néanmoins présent ;
• une dépendance directe de l'efficacité du système à la température extérieure ;
• une augmentation de la consommation électrique lorsque la température extérieure baisse ;
• une poussière constamment en suspension dans l'air en raison du fonctionnement continu du ventilateur et de la convection de l'air dans la pièce ;
• une dépendance à l'alimentation électrique (un générateur sera nécessaire pour un fonctionnement ininterrompu).

Lorsque la température extérieure est jusqu'à -10°C, tout fonctionne parfaitement, la chaleur extraite de l'extérieur est suffisante pour créer des conditions confortables dans la maison. Mais si la température baisse davantage, l'efficacité de la pompe chute brutalement.

Si la maison est construite dans une région au climat froid avec de fortes gelées en hiver, on ne peut pas se passer d'une chaudière supplémentaire ou d'une cheminée.

Dans un climat chaud, une pompe à chaleur aérothermique remplit sans problème les tâches de chauffage d'une maison individuelle, mais en cas de fortes gelées, une source de chaleur supplémentaire ne sera pas superflue.

Pour l'aménagement du chauffage à air, ces systèmes sont parfaits. Minimum de dépenses d'électricité, d'efforts d'installation et de problèmes d'entretien. Mais ils ne peuvent pas chauffer l'eau. Pour cela, il faudra installer en plus un chauffe-eau ou se raccorder aux réseaux centralisés.

Les pompes à chaleur air-air constituent le moyen optimal de chauffage des bâtiments construits en bois ou en SIP. Ces constructions ont de faibles déperditions thermiques, et la puissance d'une pompe à chaleur aérothermique est plus que suffisante pour les chauffer.

En été, la pompe à chaleur air-air peut être utilisée pour chauffer l'eau de la piscine

Différences fondamentales avec un cliatiseur

Extérieurement, la pompe à chaleur air-air ressemble à un climatiseur domestique. Mais elle possède ses propres caractéristiques de construction et techniques distinctives.

Le premier appareil est utilisé comme source de chauffage principale, fonctionnant toute l'année. Le second est davantage destiné à refroidir l'air pendant la chaleur estivale.

La fonction principale d'une pompe à chaleur est le chauffage. Cependant, de nombreux modèles peuvent également refroidir l'air ambiant. Mais dans ce mode de fonctionnement, ils sont nettement moins efficaces énergétiquement qu'un climatiseur. C'est plutôt un cas d'utilisation extrême.

Par leur aspect extérieur, le climatiseur et la PAC air sont similaires, mais ils ont des fonctions et des caractéristiques de fonctionnement complètement différentes.

D'autre part, de nombreux climatiseurs inverter peuvent également chauffer l'air des pièces. Mais ils consomment beaucoup plus d'électricité que les pompes à chaleur. Chaque appareil a sa propre fonction.

L'utilisation d'une PAC « air-air » est avant tout une transition vers les énergies renouvelables.

Ces systèmes sont économiquement avantageux malgré les investissements initiaux importants. La réduction des factures de chauffage compense tous les coûts initiaux.

Choix et dimentonnement de la pompe à chaleur

La pompe à chaleur air-air ne sera efficace que si elle est correctement sélectionnée. Il est nécessaire de calculer à l'avance sa puissance en fonction de la superficie de la maison. Et ensuite seulement regarder les prix des différents fabricants.

Dans les calculs, on utilise le coefficient de performance énergétique COP (rapport entre la puissance de la PAC et l'énergie consommée).

Dans des conditions « idéales », il atteint souvent 4 à 5 points, et les modèles les plus récents jusqu'à 7 à 8. Cependant, lorsque la température extérieure descend à -15–20°C, cet indicateur chute brusquement à seulement deux.

La pompe à chaleur offre une productivité optimale en chauffage à des températures extérieures de -10…+10 degrés Celsius, car elle prélève jusqu'à ¾ de l'énergie thermique de l'extérieur.

Lors du calcul du chauffage à air, il faut prendre en compte :

• l'isolation thermique et l'ensoleillement des pièces ;
• la superficie des pièces ;
• le nombre de personnes vivant dans la maison ;
• les conditions climatiques générales de la région où se trouve la maison.

Pour la plupart des maisons, pour chaque dix mètres carrés, il faut environ 0,7 kW de puissance de pompe à chaleur. Mais tout cela est assez relatif. Si les plafonds sont plus hauts que 2,7 m ou si les murs et les fenêtres sont mal isolés, il faudra plus de chaleur.

Il existe de nombreux fabricants de pompes à chaleur air-air en Asie et en Europe.

Les systèmes des marques Daikin, Dimplex, Hitachi, Vaillant, Mitsubishi, Fujitsu, Carrier, Aertec, Panasonic et Toshiba bénéficient de bonnes critiques. Pratiquement tous leurs modèles sont adaptés aux conditions d'exploitation locales et ont fait leurs preuves.

Même en cas de variations de tension, ils ne tombent pas en panne et continuent de fonctionner correctement après le rétablissement de l'électricité.

Le prix des pompes à chaleur air-air courantes varie entre 900 € et 4 500 €. Cela dépend non seulement de la puissance de l'appareil, mais aussi des fonctionnalités supplémentaires et du pays de fabrication.

Certains modèles sont complétés par :

• filtres de purification et de désinfection de l'air ;
• chauffages d'appoint ;
• générateurs électriques ;
• modules GSM pour la gestion du système ;
• ioniseurs et ozoniseurs.

La pratique montre que par des gelées inférieures à -15 °C, il fait frais dans les pièces chauffées uniquement par une pompe à chaleur air-air. Et sans chauffage d'appoint, le confort dans les pièces laisse franchement à désirer.

Cependant, dans les régions du sud où ces gelées sont rares, la pompe à chaleur est tout à fait efficace et justifie amplement l'argent dépensé grâce aux économies d'énergie.

Fabriation maison à partr d'un vieux réfrigérateur

Assembler soi-même une pompe à chaleur air-air à partir de compresseurs et de condenseurs individuels est assez difficile sans connaissances spécialisées en ingénierie. Mais pour une petite pièce ou une serre, vous pouvez utiliser un vieux réfrigérateur.

La pompe à chaleur air-air la plus simple peut être fabriquée à partir d'un réfrigérateur, en y faisant passer un conduit d'air depuis l'extérieur et en fixant un ventilateur sur la grille arrière de l'échangeur de chaleur.

Pour ce faire, il faut percer deux trous dans la porte avant du réfrigérateur. Par le premier, l'air extérieur entrera dans le congélateur, et par le second, en bas, il sera rejeté à l'extérieur.

Pendant son passage dans la chambre intérieure, il cédera une partie de sa chaleur au fréon.

On peut également simplement encastrer le réfrigérateur dans le mur, la porte ouverte vers l'extérieur et l'échangeur de chaleur à l'arrière vers l'intérieur. Mais il faut tenir compte du fait que la puissance d'un tel chauffage sera faible et qu'il consomme beaucoup d'électricité.

L'air de la pièce est chauffé par l'échangeur de chaleur à l'arrière du réfrigérateur. Cependant, une telle pompe à chaleur ne peut fonctionner qu'à des températures extérieures d'au moins +5 °C.

Cet appareil électroménager est conçu pour être utilisé exclusivement à l'intérieur.

Dans un grand cottage, le système de chauffage à air devra être complété par des conduits d'air distribuant l'air chaud uniformément dans toutes les pièces.

L'installation d'une pompe à chaleur air-air est extrêmement simple. Il faut installer les unités extérieure et intérieure, puis les relier entre elles par un circuit avec fluide caloporteur.

La première partie du système s'installe à l'extérieur : directement sur la façade, le toit ou à côté du bâtiment. La seconde, dans la maison, peut être placée au plafond ou sur un mur.

Il est recommandé d'installer l'unité extérieure à quelques mètres de l'entrée du cottage et loin des fenêtres, sans oublier le bruit produit par le ventilateur.

L'unité intérieure doit être installée de manière à ce que le flux d'air chaud qu'elle produit se diffuse uniformément dans toute la pièce.

Si l'on prévoit de chauffer une maison de plusieurs pièces à différents étages avec une pompe à chaleur air-air, il faudra mettre en place un système de conduits de ventilation à refoulement forcé.

Dans ce cas, il est préférable de commander un projet auprès d'un ingénieur compétent, sinon la puissance de la PAC pourrait être insuffisante pour toutes les pièces.

Le compteur électrique et le dispositif de protection doivent supporter les charges de pointe générées par la pompe à chaleur. En cas de grand froid soudain, le compresseur commence à consommer beaucoup plus d'électricité que d'habitude.

Il est préférable de tirer une ligne d'alimentation séparée depuis le tableau de distribution pour ce type de chauffage à air.

Une attention particulière doit être portée à l'installation des tubes du fréon. La moindre limaille à l'intérieur peut endommager le compresseur.

On ne peut pas se passer de compétences en soudure du cuivre. Il vaut mieux confier la recharge du réfrigérant à un professionnel pour éviter ensuite des problèmes de fuites.

Un guide pas à pas pour fabriquer une pompe à chaleur à partir d'un réfrigérateur est décrit dans cet article.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Principe de fonctionnement d'un système split thermique « air-air » :

Pompe à chaleur à air dans le système de chauffage d'une maison à deux étages :

Climatiseur inverter ou pompe à chaleur à air – quel est le meilleur ?

Les pompes à chaleur fonctionnant selon le principe « air-air » sont des appareils très efficaces. Elles sont faciles à entretenir, pratiques à utiliser et économiques.

Il existe actuellement un vaste assortiment de tels systèmes ; pour toute maison, on peut choisir une installation de chauffage. Il suffit de calculer correctement sa puissance, et elle fonctionnera efficacement pendant de nombreuses années.

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