Comment fabriquer soi-même une pompe à chaleur pour le chauffage domestique : principe de fonctionnement et schémas de montage

Les premières versions des pompes à chaleur ne pouvaient que partiellement satisfaire les besoins en énergie thermique. Les variétés modernes sont plus efficaces et peuvent être utilisées pour les systèmes de chauffage. C'est pourquoi de nombreux propriétaires tentent d'installer une pompe à chaleur par eux-mêmes.

Nous vous expliquerons comment choisir l'option optimale de pompe à chaleur en tenant compte des géo-données du terrain sur lequel elle doit être installée. Dans l'article proposé, le principe de fonctionnement des systèmes utilisant “l'énerie verte” est décrit en détail, et les différences sont énumérées. Grâce à nos conseils, vous choisirez sans aucun doute un type efficace.

Pour les bricoleurs, nous présentons la technologe d'assemblage de la pompe à chaleur. Les informacions présentées sont complétées par des schémas clairs, des sélections de photos et un tutoriel vidéo détaillé en deux parties.

Qu'est-ce qu'une pompe à chaleur et comment fonctione-t-elle ?

Par le terme pompe à chaleur, on entend un ensemble d'équipements spécifiques. La fonction principale de cet équipement est de collecter l'énergie thermique et de la transporter vers le consommateur. La source d'une telle énergie peut être tout corps ou milieu ayant une température d'au moins +1°C.

Dans l'environnement qui nous entoure, les sources de chaleur à basse température sont plus que suffisantes. Ce sont les déchets industriels des entreprises, des centrales thermiques et nucléaires, les eaux usées, etc. Pour le fonctionnement des pompes à chaleur dans le domaine du chauffage domestique, trois sources naturelles qui se renouvellent d'elles-mêmes sont nécessaires : l'air, l'eau, la terre.

Les pompes à chaleur “puisent” l'énergie des processus qui se déroulent régulièrement dans l'environnement. Le déroulement des processus ne s'arrête jamais, c'est pourquoi les sources sont considérées comme inépuisables selon les critères humains.

Les trois fournisseurs potentiels d'énergie listés sont directement liés à l'énergie solaire, qui, par le chauffage, met en mouvement l'air avec le vent et transmet l'énergie thermique à la terre. C'est le choix de la source qui est le critère principal selon lequel les systèmes de pompe à chaleur sont classifiés.

Le principe de fonctionnement des pompes à chaleur repose sur la capacité des corps ou des milieux à transférer l'énergie thermique à un autre corps ou milieu. Les récepteurs et les fournisseurs d'énergie dans les systèmes de pompe à chaleur travaillent généralement en paire.

Ainsi, on distingue les types suivants de pompes à chaleur :

• Air – eau.
• Terre – eau.
• Eau – air.
• Eau – eau.
• Terre – air.
• Eau – eau
• Air – air.

Dans cette désignation, le premier terme détermine le type d'environnement duquel le système extrait la chaleur à basse température. Le second indique le type de fluide caloporteur auquel cette énergie thermique est transmise. Ainsi, dans les pompes à chaleur eau – eau, la chaleur est extraite d'un milieu aqueux et le fluide caloporteur utilisé est un liquide.

Les pompes à chaleur sont, de par leur conception, des installations à compression de vapeur. Elles extraient la chaleur de sources naturelles, la traitent et la transportent vers les consommateurs (+)

Les pompes à chaleur modernes utilisent trois principales sources d'énergie thermique. Il s'agit du sol, de l'eau et de l'air. La plus simple de ces options est la pompe à chaleur aérothermique. La popularité de ces systèmes tient à leur conception assez simple et à la facilité d'installation.

Cependant, malgré cette popularité, ces variétés ont un rendement assez faible. De plus, le coefficient de performance (COP) est instable et dépend des variations saisonnières de la température.

Avec la baisse de la température, leur performance diminue considérablement. Ces options de pompes à chaleur peuvent être considérées comme un complément à la source principale d'énergie thermique existante.

Les variantes d'équipement utilisant la chaleur du sol sont considérées comme plus efficaces. Le sol reçoit et accumule l'énergie thermique non seulement du Soleil, mais il est également constamment réchauffé par l'énergie du noyau terrestre.

C'est-à-dire que le sol est une sorte d'accumulateur thermique dont la puissance n'est pratiquement pas limitée. De plus, la température du sol, surtout à une certaine profondeur, est constante et varie dans des limites insignifiantes.

Domaine d'application de l'énergie produite par les pompes à chaleur :

La constance de la température de la source est un facteur important pour un fonctionnement stable et efficace de ce type d'équipement énergétique. Les systèmes dans lesquels le milieu aquatique est la principale source d'énergie thermique présentent des caractéristiques similaires. Le collecteur de ces pompes est placé soit dans un puits, où il se trouve dans la couche aquifère, soit dans un plan d'eau.

La température annuelle moyenne de sources telles que le sol et l'eau varie de +7 °C à +12 °C. Cette température est tout à fait suffisante pour assurer un fonctionnement efficace du système.

Les pompes à chaleur les plus efficaces sont considérées comme celles qui extraient l'énergie thermique de sources à température stable, c'est-à-dire de l'eau et du sol.

Les éléments principaux de la construction des pompes à chaleur

Pour qu'une installation de production d'énergie fonctionne selon les principes de fonctionnement d'une pompe à chaleur, sa construction doit comporter 4 unités principales, à savoir :

• Compresseur.
• Évaporateur.
• Condenseur.
• Clapet de détente.

Un élément important de la construction d'une pompe à chaleur est le compresseur. Sa fonction principale – augmenter la pression et la température des vapeurs formées lors de l'ébullition du réfrigérant. Pour la technique climatique et les pompes à chaleur en particulier, on utilise des compresseurs spirales modernes.

Comme fluide de travail assurant le transfert direct de l'énergie thermique, on utilise des liquides à bas point d'ébullition. En général, on utilise l'ammoniac et les fréons (+)

Ces compresseurs sont conçus pour fonctionner à des températures négatives. Contrairement à d'autres types, les compresseurs spirales produisent peu de bruit et fonctionnent aussi bien à de basses températures d'ébullition du gaz qu'à de hautes températures de condensation. Leur taille compacte et leur faible poids spécifique sont considérés comme des avantages indéniables.

La quasi-totalité de l'énergie de la pompe à chaleur est consacrée au transport de l'énergie thermique de l'extérieur vers l'intérieur du bâtiment. Ainsi, environ 1 unité d'énergie est consommée pour le fonctionnement du système, tandis que 4 – 6 unités sont produites (+)

En tant qu'élément structurel, l'évaporateur est un récipient dans lequel le fluide frigorigène liquide est transformé en vapeur. Le fluide frigorigène, en circulant dans un circuit fermé, traverse l'évaporateur. Il y est chauffé et se transforme en vapeur. La vapeur ainsi formée sous basse pression est dirigée vers le compresseur.

Dans le compresseur, les vapeurs du fluide frigorigène sont soumises à la pression et leur température augmente. Le compresseur refoule la vapeur chauffée sous haute pression vers le condenseur.

Le compresseur comprime le fluide circulant dans le circuit, ce qui augmente sa température et sa pression. Ensuite, le fluide comprimé entre dans l'échangeur de chaleur (condenseur), où il se refroidit en transférant la chaleur à l'eau ou à l'air.

L'élément structurel suivant du système est le condenseur. Sa fonction consiste à transférer l'énergie thermique au circuit intérieur du système de chauffage.

Les modèles de série fabriqués par les entreprises industrielles sont équipés d'échangeurs de chaleur à plaques. Le matériau principal de ces condenseurs est l'acier allié ou le cuivre.

Pour fabriquer vous-même l'échangeur de chaleur, un tube en cuivre d'un demi-pouce de diamètre convient. L'épaisseur des parois des tubes utilisés pour fabriquer l'échangeur de chaleur doit être d'au moins 1 mm.

Le détendeur thermostatique, ou vanne de détente, est installé au début de la partie du circuit hydraulique où le fluide à haute pression se transforme en fluide à basse pression. Plus précisément, le détendeur, en association avec le compresseur, divise le circuit de la pompe à chaleur en deux parties : l'une à haute pression, l'autre – à basse pression.

Lors du passage à travers la vanne de détente, le liquide circulant en circuit fermé s'évapore partiellement, ce qui fait chuter la pression ainsi que la température. Il pénètre ensuite dans l'échangeur de chaleur en contact avec l'environnement extérieur. Là, il capte l'énergie du milieu et la ramène dans le système.

La vanne de détente permet de réguler le débit du réfrigérant vers l'évaporateur. Lors du choix de la vanne, il faut tenir compte des paramètres du système. La vanne doit correspondre à ces paramètres.

Lors du passage à travers le régulateur de température, le caloporteur liquide s'évapore partiellement et la température du flux diminue (+)

Chois du type de pompe à chaleur

Le principal indicateur de ce système de chauffage est la puissance. La puissance déterminera en premier lieu les coûts financiers d'achat de l'équipement et le choix de telle ou telle source de chaleur à basse température. Plus la puissance du système de pompe à chaleur est élevée, plus le coût des composants est important.

Il s'agit en premier lieu de la puissance du compresseur, de la profondeur des puits pour les sondes géothermiques ou de la surface nécessaire pour un capteur horizontal. Des calculs thermodynamiques corrects sont une sorte de garantie que le système fonctionnera efficacement.

En présence d'un plan d'eau à proximité de votre terrain, le choix le plus rentable et le plus performant sera une pompe à chaleur eau-eau

Pour commencer, il convient d'étudier le terrain prévu pour l'installation de la pompe. La condition idéale serait la présence d'un plan d'eau sur ce terrain. L'utilisation de la variante de type eau-eau réduira considérablement le volume des travaux de terrassement.

L'utilisation de la chaleur du sol, en revanche, implique une grande quantité de travaux liés à l'excavation. Les systèmes qui utilisent l'eau comme source de chaleur à bas potentiel sont considérés comme les plus efficaces.

Le dispositif d'une pompe à chaleur qui extrait l'énergie thermique du sol implique une quantité considérable de travaux de terrassement. Le collecteur est installé en dessous du niveau de gel saisonnier.

L'énergie thermique du sol peut être utilisée de deux manières. La première implique le forage de puits d'un diamètre de 100 à 168 mm. La profondeur de ces puits, selon les paramètres du système, peut atteindre 100 mètres ou plus.

Dans ces puits, on place des sondes spéciales. Dans la deuxième méthode, on utilise un collecteur de tubes. Ce collecteur est placé sous terre dans un plan horizontal. Cette option nécessite une surface assez grande.

Pour l'installation du collecteur, les zones avec un sol humide sont considérées comme idéales. Naturellement, le forage de puits coûtera plus cher qu'une disposition horizontale du collecteur. Cependant, tous les terrains ne disposent pas d'espaces libres. Pour un kW de puissance de la pompe à chaleur, il faut de 30 à 50 m² de surface.

La construction pour capter l'énergie thermique avec un seul puits profond peut s'avérer légèrement moins chère que le creusement d'une fosse. Mais l'avantage majeur réside dans une économie d'espace considérable, ce qui est important pour les propriétaires de petits terrains.

En cas de présence d'une nappe phréatique peu profonde sur le terrain, les échangeurs de chaleur peuvent être installés dans deux puits distants d'environ 15 m l'un de l'autre.

Le prélèvement d'énergie thermique dans ces systèmes se fait en pompant l'eau souterraine dans un circuit fermé dont les parties sont situées dans les puits. Un tel système nécessite l'installation d'un filtre et un nettoyage périodique de l'échangeur de chaleur.

Le schéma le plus simple et le moins coûteux d'une pompe à chaleur repose sur l'extraction de l'énergie thermique de l'air. Autrefois, il est devenu la base des réfrigérateurs, puis les climatiseurs ont été développés selon ses principes.

Le système de pompe à chaleur le plus simple tire son énergie de la masse d'air. En été, il participe au chauffage, en hiver à la climatisation. L'inconvénient du système est que, dans une réalisation autonome, l'unité a une puissance insuffisante.

L'efficacité des différents types de cet équipement n'est pas identique. Les pompes utilisant l'air ambiant présentent les performances les plus faibles. De plus, ces performances dépendent directement des conditions météorologiques.

Les variétés géothermiques des pompes à chaleur ont des performances stables. Le coefficient d'efficacité de ces systèmes varie entre 2,8 et 3,3. Les systèmes eau-eau ont la plus grande efficacité. Cela est dû, en premier lieu, à la stabilité de la température de la source.

Il convient de noter que plus le collecteur de la pompe est situé profondément dans le plan d'eau, plus la température sera stable. Pour obtenir une puissance système de 10 kW, il faut environ 300 mètres de canalisations.

Le principal paramètre caractérisant l'efficacité de fonctionnement d'une pompe à chaleur est son coefficient de performance. Plus le coefficient de performance est élevé, plus la pompe à chaleur est considérée comme efficace.

Le coefficient de performance d'une pompe à chaleur s'exprime par le rapport entre les valeurs du flux thermique et de la puissance électrique consommée par le compresseur.

Assemblage de la pompe à chaleur par vos propres moyens

Connaissant le schéma de fonctionnement et la structure d'une pompe à chaleur, il est tout à fait possible d'assembler et d'installer soi-même un système de chauffage alternatif. Avant de commencer les travaux, il est nécessaire de calculer tous les paramètres principaux du futur système. Pour calculer les paramètres de la future pompe, on peut utiliser un logiciel conçu pour l'optimisation des systèmes de refroidissement.

La variante la plus simple à construire est le système air-eau. Il ne nécessite pas de travaux complexes pour la mise en place d'un circuit externe, comme c'est le cas pour les variétés aquatiques et géothermiques des pompes à chaleur. Pour l'installation, seuls deux conduits sont nécessaires : l'un pour l'admission d'air, l'autre pour l'évacuation de la masse usée.

Le plus simple est de construire vous-même une pompe à chaleur avec captage de chaleur de l'air. Le ventilateur installé à l'extérieur souffle l'air vers l'évaporateur.

En plus du ventilateur, il faut se procurer un compresseur de la puissance nécessaire. Pour un tel appareil, un compresseur équipant les systèmes split classiques convient parfaitement. Il n'est pas nécessaire d'acheter un nouvel appareil.

On peut le retirer d'un ancien équipement ou utiliser des composants d'un vieux réfrigérateur. Il est conseillé d'utiliser une variante spirale. Ces options de compresseurs, en plus d'offrir une efficacité suffisante, créent une pression élevée assurant l'augmentation de la température.

Pour la réalisation du condenseur, vous aurez besoin d'un réservoir et d'un tube en cuivre. Vous fabriquez un serpentin à partir du tube. Pour sa fabrication, vous pouvez utiliser tout corps cylindrique du diamètre voulu. En enroulant le tube en cuivre autour, vous pouvez fabriquer facilement et rapidement cet élément de structure.

Le serpentin prêt est monté dans un réservoir préalablement coupé en deux. Pour la fabrication du réservoir, il est préférable d'utiliser des matériaux résistants à la corrosion. Après avoir placé le serpentin à l'intérieur, les moitiés du réservoir sont soudées.

La surface du serpentin se calcule selon la formule suivante :

MT/0,8 RT,

où :

• MT – la puissance thermique fournie par le système.
• 0,8 – le coefficient de conductivité thermique lors de l'interaction de l'eau avec le matériau du serpentin.
• RT – la différence de température de l'eau entre l'entrée et la sortie.

Lors du choix du tube en cuivre pour la fabrication artisanale du serpentin, vous devez faire attention à l'épaisseur des parois. Elle doit être d'au moins 1 mm. Sinon, le tube se déformera lors de l'enroulement. Le tube par lequel le réfrigérant entre est placé dans la partie supérieure du réservoir.

L'échangeur de chaleur en tube de cuivre est fabriqué en enroulant le tube de cuivre autour d'un objet de forme cylindrique. Plus la surface du serpentin est grande, plus le rendement de la pompe est élevé.

L'évaporateur de la pompe à chaleur peut être réalisé en deux versions – sous la forme d'un réservoir contenant un serpentin et sous la forme d'un tube dans un tube. Comme la température du liquide dans l'évaporateur est basse, le réservoir peut être fabriqué à partir d'un fût en plastique. Dans ce réservoir est placé le circuit, qui est réalisé en tube de cuivre.

Contrairement au condenseur, la spirale du serpentin de l'évaporateur doit correspondre au diamètre et à la hauteur du réservoir choisi. La deuxième version de l'évaporateur : tube dans un tube. Dans cette version, le tube contenant le réfrigérant est placé dans un tube en plastique de plus grand diamètre, dans lequel circule de l'eau.

La longueur de ce tube dépend de la puissance prévue de la pompe. Elle peut être de 25 à 40 mètres. Ce tube est enroulé en spirale.

La vanne de régulation thermique appartient à la robinetterie de régulation et d'arrêt. L'élément d'arrêt dans le détendeur est une aiguille. La position de l'élément d'arrêt de la vanne est déterminée par la température dans l'évaporateur.

Cet élément important du système a une structure assez complexe. Il est constitué de :

• L'élément thermique.
• La membrane.
• Le tube capillaire.
• Le bulbe thermostatique.

Ces éléments peuvent se détériorer à haute température. Par conséquent, lors des travaux de soudure du système, la vanne doit être isolée à l'aide d'un tissu en amiante. La vanne de régulation doit correspondre à la capacité de l'évaporateur.

Après avoir fabriqué les pièces structurelles principales, vient le moment crucial de l'assemblage de l'ensemble en un seul bloc. L'étape la plus cruciale est le processus de chargement du réfrigérant ou du caloporteur dans le système.

Effectuer soi-même une telle opération n'est probablement pas à la portée d'un simple particulier. Il faudra faire appel à des professionnels qui s'occupent de la réparation et de l'entretien des équipements de climatisation.

Les travailleurs de ce secteur disposent généralement de l'équipement nécessaire. Outre le remplissage du réfrigérant, ils peuvent tester le fonctionnement du système. Une charge de réfrigérant effectuée par vous-même peut non seulement endommager la structure, mais aussi causer des blessures graves. De plus, un équipement spécial est également nécessaire pour démarrer le système.

Au démarrage du système, une charge de démarrage de crête se produit, généralement d'environ 40 A. Par conséquent, le démarrage du système sans relais de démarrage est impossible. Après le premier démarrage, un réglage de la vanne et de la pression du réfrigérant est nécessaire.

Le choix du réfrigérant doit être pris très au sérieux. En effet, cette substance est en fait considérée comme le principal “transporteur” d'énergie thermique utile. Parmi les réfrigérants modernes existants, les fréons sont les plus populaires. Ce sont des dérivés d'hydrocarbures dans lesquels une partie des atomes de carbone est remplacée par d'autres éléments.

L'assemblage des différents éléments de la pompe à chaleur doit aboutir à un circuit fermé dans lequel circule le fluide de travail.

Les travaux effectués ont abouti à un système en circuit fermé. Le réfrigérant y circulera, assurant le prélèvement et le transfert de l'énergie thermique de l'évaporateur au condenseur. Lors du raccordement des pompes à chaleur au système de chauffage de la maison, il faut tenir compte du fait que la température de l'eau à la sortie du condenseur ne dépasse pas 50 – 60 degrés.

En raison de la faible température de l'énergie thermique produite par la pompe à chaleur, il convient de choisir des apparèils de chauffage spécialisés comme consommateurs de chaleur. Il peut s'agir d'un plancher chauffant ou de radiateurs volumineux à faible inertie en aluminium ou en acier avec une grande surface de rayonnement.

Les variantes artisanales de pompes à chaleur sont plus pertinentes à considérer comme un équipement auxiliaire qui soutient et complète le fonctionnement de la source principale.

Chaque année, les conceptions des pompes à chaleur s'améliorent. Dans les modèles industriels destinés à un usage domestique, des surfaces de transfert thermique plus efficaces sont utilisées. En conséquence, la performance des systèmes ne cesse de croître.

Un facteur important qui stimule le développement de cette technologie de production d'énergie thermique est l'aspect écologique. Ces systèmes, en plus d'être assez efficaces, ne polluent pas l'environnement. L'absence de flamme nue rend son fonctionnement totalement sûr.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Vidéo #1. Comment fabriquer une pompe à chaleur artisanale simple avec un échangeur de chaleur en tube PEX :

Vidéo #2. Suite des instructions :

Les pompes à chaleur sont utilisées depuis longtemps comme systèmes de chauffage alternatifs. Ces systèmes sont fiables, ont une longue durée de vie et, ce qui est important, sont inoffensifs pour l'environnement. Ils commencent sérieusement à être considérés comme une nouvelle étape dans le développement de systèmes de chauffage efficaces et sûrs.

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