Pompe à chaleur “eau-eau” : dispositif, principe de fonctionnement, règles d’aménagement du chauffage sur sa base

Pour le chauffage et la fourniture d’eau chaude des maisons individuelles, il est judicieux d’utiliser une pompe à chaleur eau-eau fonctionnant à partir de sources naturelles – eaux souterraines, rivières, plans d’eau, etc. Le système se distingue par une sécurité écologique absolue et ne nécessite pas de dépenses régulières en consommables, ce qui le rend de plus en plus demandé.

Nous vous parlerons des variantes de la pompe à chaleur utilisant l’éco-énergie de l’eau pour la transmettre aux systèmes de chauffage domestiques. Pour les bricoleurs curieux, nous avons décrit les principes de fonctionnement des options populaires et la technologie de construction. Vous apprendrez ici quel équipement sera nécessaire pour le fonctionnement du système.

Principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur eau-eau

La pompe à chaleur incarne le principe du cycle de Carnot. Celui-ci repose sur le fait qu'une substance en mouvement dans un système fermé, changeant son état physique de liquide à gazeux sous l'influence de facteurs chimiques, physiques ou thermiques, libère et absorbe une énorme quantité d'énergie thermique.

Le fluide de travail est le caloporteur – l'eau d'un puits ou d'un plan d'eau.

Même en hiver, dans les sources naturelles à une certaine profondeur, une température positive est maintenue, ce qui permet d'extraire de l'énergie thermique toute l'année. Le seul inconvénient de l'installation est la forte consommation d'électricité et la nécessité d'acheter de l'équipement supplémentaire.

Le schéma montre la trajectoire de circulation de l'eau et du réfrigérant. Le système permet d'obtenir de l'énergie thermique, indépendamment de la saison.

Éléments principaux d'une pompe à chaleur eau-eau :

• compresseur ;
• évaporateur ;
• condenseur ;
• vanne d'expansion à induction ;
• système automatique qui surveille les indicateurs;
• multiples conduites en cuivre;
• substance de travail (réfrigérant).

À l'aide d'une pompe spéciale, l'eau circule depuis la source dans l'installation thermique via des tubes, puis interagit avec un gaz (fréon) qui bout à une température de +2 à 3 degrés. Le fréon absorbe une partie de la chaleur de l'eau et est aspiré par le compresseur, où sa température augmente lors de la compression.

L'équipement de la pompe à chaleur prend beaucoup de place, mais offre la possibilité de se libérer de la dépendance aux services publics.

Ensuite, le réfrigérant entre dans le condenseur, après quoi la substance chaude chauffe l'eau à la température souhaitée (de +40 à +80 degrés), qui est transportée par les tuyaux du système de chauffage.

L'eau refroidie entre dans l'évaporateur, puis est évacuée dans le puits de réception. Après avoir traversé le condenseur, le réfrigérant devient liquide et s'accumule au fond de l'élément, puis retourne à son emplacement d'origine via le détendeur. Ensuite, le cycle se répète.

À quoi faut-il prêter attention lors de l'aménagement d'un tel chauffage ?

Il existe un grand nombre de modifications de pompes à chaleur, destinées à des locaux de tout usage et de toute taille, et fonctionnant dans différentes conditions. L'équipement est conçu pour chauffer des maisons d'une superficie totale de 50 à 150 mètres carrés.

Repère n°1 – la dureté de l'eau

La qualité de l'eau du puits ou du plan d'eau joue un rôle important dans le choix de l'équipement. Tous les modèles ne sont pas capables de fonctionner avec une eau dure contenant une grande quantité de manganèse et de fer.

Une concentration élevée de ces éléments nuit au système – la corrosion se forme plus rapidement sur les tuyaux, ce qui entraîne une diminution du rendement de l'équipement et de sa durée de vie.

C'est pourquoi, avant d'acheter une pompe à chaleur, on prélève un échantillon d'eau et on analyse sa teneur en ces micro-éléments et d'autres – sulfure d'hydrogène, ammoniac, chlore, etc. Généralement, si la température de l'étang dépasse +13 degrés, il y a une forte probabilité que l'eau contienne beaucoup d'ions fer et manganèse.

Ainsi, la pompe à chaleur eau-eau est choisie en fonction de la dureté de l'eau. Il existe des systèmes dont les éléments sont maximalement protégés contre la corrosion, mais ils coûtent plus cher.

Repère n°2 – le mode de fonctionnement

Une pompe à chaleur peut être utilisée comme unique source de chaleur ou interagir avec d'autres systèmes. Par conséquent, avant de choisir un modèle, il est important de déterminer le mode de fonctionnement de l'appareil.

Il existe deux types de fonctionnement du système :

• Monovalent. Les appareils ont une grande puissance et conviennent pour chauffer la maison.
• Bivalent. Dispositifs moins performants, ils complètent l'équipement de chauffage principal.

Pour construire un système autonome avec un groupe de chauffage principal eau-eau, un type monovalent est nécessaire.

Repère n°3 – la puissance de la pompe

La puissance est un indicateur important lors du choix d'une pompe à chaleur, car la performance du système en dépend. Plus la puissance est élevée, plus le rendement de l'équipement est élevé, mais la consommation d'électricité est également plus importante.

La performance de la pompe à chaleur eau-eau est choisie en fonction des besoins réels.

Si vous choisissez un appareil de puissance insuffisante, l'efficacité du système diminuera dans le cas où les pertes de chaleur de la maison dépassent la quantité d'énergie fournie par le système. La pompe à chaleur peut fonctionner 24 heures sur 24, mais elle n'aura aucun effet en raison de la baisse de la température de l'eau.

Lorsque les pertes de chaleur du bâtiment sont inférieures à la chaleur dégagée par le système, la pompe démarre automatiquement pendant quelques minutes, chauffe l'eau à la température définie, la transporte dans le système. Puis elle s'éteint jusqu'à ce que la température baisse de quelques degrés. Ensuite, le cycle se répète.

Repère n°4 – les fonctionnalités du modèle particulier

Les pompes à chaleur peuvent avoir des fonctions supplémentaires, à savoir :

• Un système de contrôle automatique qui permettra de régler le microclimat de la pièce selon vos goûts. Le contrôle s'effectue généralement à l'aide d'une télécommande.
• Fonction de chauffage de l'eau pour l'alimentation en eau chaude sanitaire.
• Boîtier insonorisé.
• Possibilité de connexion à d'autres systèmes de chauffage, à des capteurs solaires, ce qui rendra l'équipement de chauffage totalement autonome.

La durée de vie des pompes à chaleur eau-eau dépasse généralement 30 ans.

Tout aussi important lors du choix de l'équipement est le coût d'installation et de montage.

Calcul de la puissance nécessaire de la pompe à chaleur

Avant d'acheter le système, il est important d'établir un projet et de calculer la puissance nécessaire de l'équipement. La performance est calculée en tenant compte des besoins réels en énergie thermique. On prend en compte les dépenses de chaleur, les pertes thermiques de la maison et la présence ou l'absence d'un circuit ECS.

Algorithme de calcul :

1. Vous calculez la surface totale des pièces chauffées.
2. Vous déterminez la quantité d'énergie nécessaire pour le chauffage. L'indicateur optimal par mètre carré est de 0,07 kW.
3. Pour chauffer une maison de N mètres carrés, il faudra N*0,07 kW.
4. Pour l'ECS, on ajoute 15-20% supplémentaires au nombre obtenu, soit N*0,07*0,85 ou N*0,07*0,80.

Ce calcul sera optimal pour des pièces avec des plafonds ne dépassant pas 2,7 m de hauteur. Des calculs plus précis seront effectués par des spécialistes lors de l'élaboration du projet.

Travaux préparatoires avant l'exploitation

La préparation à l'assemblage, au raccordement et à la mise en service d'une pompe à chaleur de la série eau-eau comprend une série d'étapes standard que nous allons découvrir maintenant.

Choix de la source d'eau optimale

Il convient de noter que tous les sources ouvertes ou puits d'eau ne conviennent pas au fonctionnement ininterrompu d'une pompe à chaleur. La qualité de l'eau joue un rôle important, mais des filtres peuvent aider à résoudre le problème de pollution.

Il est permis d'utiliser un plan d'eau ou un étang situé dans un rayon de 100 mètres du bâtiment. Si une telle source n'existe pas, il devient nécessaire de forer des puits.

Le choix de la source pour la pompe à chaleur doit être orienté vers la simplicité et le coût d'utilisation. En cas de plan d'eau ouvert à proximité, il est plus raisonnable de l'utiliser.

Le comportement d'une source ouverte est plus prévisible que celui des eaux souterraines, donc si possible, il est préférable de privilégier les plans d'eau.

Installation du système de chauffage avec utilisation d'un puits

Pour installer un système utilisant une pompe à chaleur, deux puits sont nécessaires. L'un des puits est communément appelé puits de production. C'est dans celui-ci qu'est immergée une pompe spéciale, qui prélève l'eau pour la traiter ensuite dans le système. Le deuxième puits est le puits de réception. L'eau refroidie y est déversée.

Les puits de drainage et d'alimentation doivent être situés à une distance d'au moins 15 mètres l'un de l'autre.

La profondeur du puits de production ne doit pas dépasser 50 mètres. Plus la source d'eau est profonde, plus la pompe nécessaire pour l'alimenter devra être puissante, ce qui augmentera la quantité d'énergie consommée.

Aménagement d'un puits de captage

Avant de commencer l'exploitation du puits de production, il est important de savoir combien d'eau il peut fournir et quelle quantité de liquide est nécessaire pour chauffer l'ensemble du bâtiment. Plus la température de l'eau est élevée, moins il en faudra pour le chauffage.

Il est important de calculer au préalable le volume V à extraire du puits en une heure pour chauffer la pièce. Supposons qu'il existe une pompe dont la puissance thermique est égale à un certain nombre Q kW et la puissance consommée au nombre P kW. Il faudra également connaître la température de l'eau souterraine (t1) et sa température après l'échange thermique (t2).

La formule de calcul du volume d'eau nécessaire par heure est alors la suivante :

V = (Q-P)/(t1-t2).

Il est impossible de déterminer analytiquement la capacité du puits de production à fournir le volume d'eau nécessaire ; c'est pourquoi un test est effectué. Pendant 3 jours, la pompe pompe l'eau du puits sans interruption. Ainsi, on vérifie également la capacité du puits de réception à accepter la quantité d'eau nécessaire en cas de charge élevée.

Il est important de comprendre que les eaux souterraines se comportent de manière imprévisible, il est donc possible que l'eau du puits de production devienne moins abondante avec le temps. Par exemple, au printemps, on observe une remontée des eaux, tandis qu'en hiver, au contraire, l'eau diminue. Si l'eau dans le puits est insuffisante, le système s'arrête automatiquement et le chauffage ne fonctionne pas.

Spécificités du puits de réception

Le puits tubulaire de réception est placé en aval des eaux souterraines. Il est impossible de déterminer analytiquement la direction de l'écoulement de l'eau. Par conséquent, en pratique, on choisit un puits arbitraire comme puits de débit et on y installe submersible pompe.

Si pendant l'exploitation du système, le niveau d'eau ne baisse pas, le choix est correct. Si le niveau baisse et que la température de l'eau diminue, il faut permuter les puits – déplacer submersible pompe dans un autre orifice.

Vous devez immerger le tuyau de vidange dans le puits de réception de quelques centimètres dans l'eau, sans atteindre le fond. Si vous déversez le liquide usé par le haut, cela provoquera l'engorgement. Le puits tubulaire pourrait cesser d'absorber l'eau et se boucher.

Le résultat menace d'un débordement et, en hiver, d'un possible gel. La meilleure option pour une source de réception est une rivière ou un étang. Si ces éléments ne sont pas à proximité, il devient nécessaire de forer un ou plusieurs puits de réception supplémentaires pour vous prémunir contre un débordement.

La figure montre un exemple d'utilisation d'un seul puits comme puits de réception et de production.

Il est impossible de savoir si le puits absorbera l'eau, que ce soit par une méthode analytique ou par un test. La pratique montre qu'un puits de vidange peut absorber l'eau sans interruption pendant des années, mais peut aussi tomber en panne en une seule saison.

Il existe des technologies permettant d'utiliser un seul puits comme puits de production et de réception, mais cette méthode n'est pas efficace – l'exploitation s'accompagnera de difficultés, éventuellement d'une baisse de la température de l'eau, d'un engorgement et d'une série d'autres problèmes.

Aménagement du système avec utilisation d'un plan d'eau

L'étang choisi doit être suffisamment profond pour que les couches inférieures de l'eau ne gèlent pas lors des fortes gelées. Dans les régions du Sud, la profondeur optimale sera d'environ 1 mètre ; dans les régions du Nord, une source d'une profondeur d'au moins 3 mètres sera nécessaire. De plus, l'étang doit être stable – les fluctuations du niveau d'eau et sa diminution sont inacceptables.

Deux conduites sont menées au plan d'eau – une de production et une de réception. Une pompe submersible est installée dans la conduite de réception.

Il est recommandé d'utiliser des tubes en PEHD, réputés pour leur durabilité et leur fiabilité. Il est important de protéger les tubes du gel en les isolant davantage, et des ruptures.

Préparation de la maison pour l'installation d'une pompe à chaleur

Pour fonctionner avec la pompe à chaleur eau-eau, la maison doit être équipée d'un système de chauffage à base d'eau, se présentant sous forme de tuyaux et de radiateurs. Pour une meilleure isolation, il est également possible d'installer des tuyaux de chauffage dans le sol et les murs.

Si l'équipement est utilisé pour fournir de l'eau chaude, la maison doit disposer d'un système de collecte. Pour faire fonctionner la pompe, un branchement au réseau électrique avec une alimentation illimitée sera nécessaire.

Sans mesures supplémentaires d'isolation thermique de la maison (isolation extérieure, installation de fenêtres à double vitrage, etc.), l'exploitation d'une pompe à chaleur n'a pas de sens.

Les spécialistes recommandent d'installer en supplément un système de ventilation de type soufflage avec un mécanisme de chauffage de l'air. Le fréon utilisé dans l'équipement est nocif pour l'homme. Si des micro-fuites se produisent dans le circuit du système, le gaz se libérera et déplacera ainsi l'air de la pièce. Le réfrigérant peut provoquer une exacerbation des maladies pulmonaires et des crises d'étouffement.

La pompe à chaleur est un équipement lourd ; son poids peut atteindre une tonne (selon la puissance et les dimensions). Par conséquent, dans certains cas, son installation nécessite la construction d'une fondation propre, non reliée à la fondation du cottage.

Avant l'installation de l'équipement, il faut tenir compte des dimensions autorisées de la pièce et respecter la distance aux murs indiquée dans le passeport du produit.

Équipement supplémentaire

Le choix de l'équipement supplémentaire pour la pompe à chaleur est une tâche responsable, dont la solution détermine en grande partie la durée de vie du système de chauffage dans son ensemble et l'absence de problèmes d'exploitation.

Submersible pompe pour puits et plans d'eau

Si dans le système, la pompe à chaleur est utilisée pour fournir de l'eau chaude, un appareil de faible puissance peut réduire la pression aux robinets. Une pompe puissante résoudra ce problème, mais elle consomme plus d'énergie. La puissance minimale autorisée lors de l'exploitation du ECS – 1 kW.

Il existe de nombreuses modifications différentes de pompes immergées. Le choix se fait selon trois critères :

• La quantité de liquide utilisée pour le pompage (plus il y a d'eau à transporter, plus la puissance de la pompe doit être élevée).
• La profondeur du puits (plus le puits est profond, plus la puissance de l'équipement doit être grande) ;
• Le diamètre du puits (traditionnellement, on préfère les puits de 4 pouces car le plus grand nombre de pompes a été conçu pour eux, contrairement aux puits de 3 pouces).

Pour déterminer la profondeur du puits, il faut attacher un poids à une corde et le descendre dans le puits. La partie mouillée de la corde indiquera la profondeur totale du puits, la partie sèche déterminera la distance entre le début de l'eau et la surface.

La pompe est immergée dans le puits à la profondeur indiquée par le fabricant. Généralement, le passeport techniqu specifie combien de mètres doivent séparer le miroir d'eau et la pompe, le fond du forage et la pompe.

Pour les puits, les pompes universelles ainsi que les éuipements spécialement onçus pour les forages peuvent convenir. Si le puits a été développé par des professionels, il s'enrasse moins de sabe, donc vous pouvez utilier une pompe universelle en toute confiance.

Les pompes spécialement conçues pour les forages coûtent plus cher, mais elles gèrent très bien le sable et la saleté, s'encrassent moins. Les pompes universelles sont sensibles à une teneur élevée en matières organiques, elles doivent être nettoyées régulièrement, ce qui réduit leur durée de vie.

Il est préférable de choisir des pompes avec un système automatique, car en cas de surchauffe du moteur, d'encrassement excessif ou d'absence d'eau dans le puits, elles s'éteignent automatiquement, empêchant ainsi le moteur de surchauffer et de tomber en panne.

Selon le principe de fonctionnement, on distingue 2 types de pompes immergées :

• Centrifuges.
• Vibrantes.

Pour les puits exploitant l'eau dans le calcaire, les modèles centrifuges profonds sont préférables. Ils sont sensibles à l'eau contenant des grains de sable et des suspensions argileuses.

Si la pompe à chaleur est raccordée à un plan d'eau ouvert, il est préférable d'utiliser un équipement de pompage de surface conçu pour l'eau sale, ou un dispositif vibrant peu coûteux.

Échangeur thermique intermédiaie de la pompe à chaleur

Dans les pompes à chaleur, le fréon peut ne pas refroidir suffisamment pendant la circulation, ce qui entraîne une surchauffe du compresseur en raison d'une température de refoulement excessive. Il est donc important d'améliorer le refroidissement du fluide, réduisant ainsi la pression dans les circuits.

Il existe un autre problème commun à toutes les pompes à chaleur : le réfrigérant peut se mélanger avec la vapeur d'eau. Si du liquide pénètre dans le compresseur, un coup de bélier peut se produire. Dans ce cas, une réparation ou un remplacement de la pièce sera nécessaire. De plus, l'eau peut pénétrer dans l'huile, et il est difficile de l'en extraire.

L'nstallation d'un échangeur de chaleur intermédiaire résout tous les problèmes décrits ci-dessus. Les échangeurs de chaleur sont de troits types : type ouvert, tubulaires et à serpentin.

La modification de type ouvert neutralise le liquide qui pénètre dans le fréon lors de la circulation, ce qui minimise le risque de coup de bélier du compresseur. L'appareil se distingue par une productivité élevée avec une consommation d'énergie minimale.

Lors de l'nstallation d'n échangeur de chaleur de type ouvert, il est important de choisir correctement la taille de la canalisaton de liquide afin d'assurer une compression minimale de la pression.

Des tuyaux correctement choisis permetront de neutraliser le risque d'ébullition du liquide. De plus, la vanne doit avoir une capacité de débit suffisante pour que le liquide puisse pénétrer dans l'appareil à une différence de pression faible.

Un échangeur de chaleur à calandre et tubes se présente sous forme d'une structure fermée. L'échange thermique s'effectue à travers les parois des tubes, et le liquide et le réfrigérant ne se mélangent pas, contrairement à un échangeur ouvert, ce qui permet d'obtenir une pression élevée pour la circulation de la vapeur et de l'air.

L'échangeur de chaleur à serpentin se distingue par la présence d'un régulateur de débit qui contrôle le flux de frigorigène liquide. La taille de l'appareil dépnd directment de la puissance de la pompe à chaleur. Il est nécessire de choisir le produit en considérant les fonctionnalités et le budget disponible. Il est préférable d'opter pour des modèles démontables.

Filtres pour pompe à chaleur

L'eau provenant des puits ou des plans d'eau n'arrve pas à l'état pur. Elle peut contenir du sable, de la saleté, divers micro-éléments – fer, hydrogène sulfuré, manganèse, chlore, ammoniac, etc. Avant d'entrer dans la pompe à chaleur, l'eau doit être filtrée.

Avant tout, il est nécessaire d'éliminer les grosses particules – pierres, sable, saleté, vase. Pour les retirer de l'eau, l'installation d'un hydrocyclone est nécessaire.

Hydrocyclone – un appareil nécessire pour le prétraitement de l'eau. Il doit être choisi en tennt comte de la puissance de la pompe.

Ensuite, il est important d'installer des filttres qui éliminent le fer, l'hydrogène sulfuré, le manganèse, l'ammoniac. Ces micro-éléments réduisent d la durée de vie de l'équipement et le soumettent à la corrosion.

On peut utiliser des filtres d'osmose inverse, des adoucisseurs, des déferriseurs et leurs modifications. Pour fournir de l'eau potable chaude, il convient en outre d'équiper des filtres à charbon et un stérilisateur UV, qui détruit les bactéries et les virus.

Générateur électrique pour alimentation de secours

Les pompes à chaleur fonctionnent sur le réseau électrique, donc en cas de coupure de courant, la maison se retrouvrait sans chauffage. Il est judicieux d'acheter en complément un générateur électrique fonctionnant avec des combustibles.

Il est important que le générateur électrique puisse produire la puissance nécessaire au fonctionnement du compresseur de la pompe.

Spécificités d'exploitation d'une telle pompe à chaleur

Une fois par an, il est nécessaire d'effectuer une inspection visuelle indépendante des composants de la pompe, de suivre les recommandations de maintenance – lubrifier les pièces en temps utile, surveiller le bon fonctionnement de l'appareil lors du pompage de l'eau.

Certains types d'équipement nécessitent un contrôle régulier (généralement 1 à 2 fois par an) par des spécialistes du centre de service. Lors du contrôle, on identifie :

• des fuites d'huile de machine à travers les fissures dans le circuit ;
• la qualité des fixations et des connexions ;
• le niveau de pression dans les réservoirs et les circuits ;
• des défauts dans le fonctionnement du câblage de puissance.

L'installation d'une pompe à chaleur eau-eau doit être confiée à des spécialistes formés. L'inefficacité du système est le plus souvent liée à une mauvaise installation. L'équipement thermique convient aussi bien aux habitants des régions du Sud qu'à ceux du Nord.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

La vidéo vous présentera le principe de fonctionnement et les caractéristiques de l'appareil :

En conclusion, on peut dire que la pompe à chaleur eau-eau est considérée comme un équipement efficace et écologique, conçu pour chauffer des maisons d'une superficie allant jusqu'à 150 m². Pour aménager une pièce plus grande, des études d'ingénierie assez complexes peuvent être nécessaires.

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