Chauffage Résidentiel au Moyen de la Pompe à Chaleur

(1)

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Chauffage Résidentiel au Moyen de la Pompe à Chaleur

(2)

R e f Sez-

TH1

ISSN 0701-5259

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R.L.D. Cane - , : -. ' , . . . :.-I ' . ? . . . ' ,; ::, ... ,! ,-, - . .,.:

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D i v i s i o n des recherches sur le bdtiment Conseil n a t i o n a l de recherches du Canada I

Traduit de l'anglais par L. B a s t s a s h et M. Racette

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Ottawa, j u i n

1981

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CHAUFFAGE ~ S I D E N T I E L AU MOYEN DE

_;

i-li-QG. RES.

(3)

Par

R.L.B. Cane

A

l'heure a c t u e l l e , le mazout et le g a z nature1

s o n t ,

de loin, les

deux combustibles Les plus courarnment u t i l i s e s pour le c h a u f f a g e des

s b s i d e n c e s canadiennes. En 1976, 8 5 p o u r cent des habitations 4 t a i e n t 1

chauffees a u moyen d'installations de chauffage a u g a z et au mazout

.

L e s installations de chauffage

2

l'klectricit&, sous une fosmc o u sous

une a u t r e , ne comptaient que pour 1 3 pour cent, soit peu p r & s le mgme

pourcentage q u q a p r G s lear introduction, h la fin des annbes cinquante.

En dgpit de son c&t initial r e l a t i v e r n e n t peu &lev&

-

en cornparaison du

co6t des installations d e c h a u f f a g e au gaz ou a u mazout

-

le chauffage

electrique Gtait, e t esk encore, dispendieux sur le plan d u coGt d'exploitation.

Toutefois, dans p l u s i e u r s regions du pays, l'ecart entre le p r i x des

combustibles fossiles classiques et c e l u i de L161ectricit6 tend dirninuer

et l q o n a recours au chauffage 6Lectrique beaucoup plus que par l e passe.

La pompe

2

chaleur, q u i utilise ll&lectricite pour produire de la chaleur,

va sfirement contxibuer A rendre Te chauffage 4lectrique pLus Qconamique,

t a n t sur le plan d u coGt d'exploitation que sur celui de la consommation d'Qnergie.

La pompe 2 chaleur fonctionne s e l o n le

m6me

principe fondamental

que le r b f s i g g r a t e u r domestique: elle e x t r a i t la chaleur dQun milieu

2

basse temp6rature et l a l i v r e 2 un autre m i l i e u A temperature plus Glevee. De fait, tout processus par lequel de L a c h a l e u r est t r a n s r n d s e d'uune

basse temperature

2

une tempgrature p l u s @levbe est appel6 "pompage de

chaleur". Selon cette d 6 f i n i t i o n , un conditionneur d l a i r et un refxigerateur

constituent tous deux d e s pornpes

2

chaleur p u i s q u Y 1 s e x t r a i e n t la chaleur

d'un espace conditiorm-6 et Pa rejektent dans u n milieu de temperature

plus & l e v & ,

Ze fonctionnement d l u n e pompe

2

c h a l e u r est fond4 s u r le c y c l e

frigorifique S compression de vapeur q u i permet de tsansmettre la chaleur

d'un cosps basse temperature 5 un a u t r e corps

A

temperature plus

6levGe (figure 1). L e s elements fondamentaux utilishs au cours de ce

c y c l e consistent de deux k h a n g e u r s de c h a l e u r , d ' u n compresseur et d'un

d k t e n d e u r r e l i k entre eux par un rkseau de tuyauterie. On u t i l i s e

g6nGralement un fluide f r i g o r i g h e fluorocarbon6, tel le ~ r & n 22, camme

fluide 6 v o l u a n t dans 1e cycle. On r & g l e la temp6rature 5 laquelle le f l u i d e frigorig&ne se vaporise en s 6 d u i s a n t la pression 2 l9int6rieur de

lt&vaporateur. De la m 6 m e Eaqan, en augmentant la pression de la vapeur

d a n s le compresseur, la temperature de la vapeur e s t @levee au-dessus de

celle de la source froide et la vapeur se candense, libGrant la chaleur

l a t e n t e et l a c h a l e u r de compression. I;e f l u i d e , p o r t 4 2 un haut niveau de ternp6ratur.e et de pression, traverse ensuite un dckendeur qui en r & d u i t

la pression

d

c e l l e de It6vaporateur

et

le cycle recommence.

C e t t e publication e s t l a version f t a n y a i s e d e "Residential Space H e a t i n g

(4)

L'avantage unique de ce c y c l e e s t que lr6nergie l i b e r g e par le

condenseur sous forme de c h a l e u r p a t s1av6rer beaucoup plus consid6rable

que I'energie Glectrique n k e s s a i r e au fonctionnement du compresseur,

La performance d'un tel systgme, reprgsent6e par

Le

coefficient de

performance (CP), est donn4e par 1e rapport entre d k e f f e t

dksir6

et la

q u a n t i t e de c h a l e u r dquivalente absorb6e par Le compresseur. Ce rapport

e s t t o u j o u r s sup6rieur

2

1. Lorsqu'on f o n c t i o n a e e n cycle de refroidis-

sement, L'effet d8sir6 correspond 2 la quantit6 de chaleur absorbee

au niveau de l'6vaporateur; lorsqu'on f o n c t i o n n e en cycle de chauffage, l ' e f f e t desire correspond

2

l a quafitit6 d e c h a l e u r lib&& par le

candenseur. En inversant la direction d e lm6coulernent du f l u i d e frigoriggne

a

travers les 6changeurs de chaleur, la pompe 2 chaleur peut servir aussi bien au refroidissement qu'au chauffage selon l e s besoins (figure 2 ) .

POMPE

A

CHALEUR AIR-AIR

Les pompes l e s plus courantes utilisent l'air ext6rieur come source

de c h a l e u r , c'est-%dire source froide (figure 2 ) . En cycle de chauffage,

l'air extkrieur est

entrain6

travers l14changeur de chaleur de

lm6va-

porateur, oG i l transrnet une p a r t i e de sa chaleur au frigorigkne q u i se

vaporise, pour S t r e e n s u i t e rejet4

2

lSext&rieur. Le compresseur

augrnente la pression et la tempbrature de la vapeur frigorighne, ce qui

provoque sa condensation l'interieur d e lu6changeur d e chaleur interne qui transmet la chaleur

5

lraiz qui provient de la p i k e . L'air ainsi

chauffb e s t ensuite retourn4 2 la p i k e ,

# La pompe

2

chaleur air-air a d'abord

6tG

introduite dans l e s u d

des Etats-Unis, afi le refroidissement et la deshumidification de l'air

s o n t de prernigre importance et oG la saison froide est courte et

temp6r6e. Ces appareils

6 t a i e n t

dimensionnk pour repondre aux besoins

de refroidissement et suffisaient, dans l a plupart des c a s , aux b e s o i n s

de c h a u f f a q e . Cependant, les pompes mises

en

marche dans les rkgions

situGes plus au nord ant dCi Gtre dotges drappareils d e chauffage electrique

d'appoint, C e t t e r & g l e s p a p p l i q u e encore d e nos j o u r s .

PERFORMANCE D I U N E POMPE CHALEUR AIR-AIR

a

l'encontre des syst&mes de chauffage classiques g u i fonctionnent

au gaz ou au mazout, la puissance calorifique d'une pornpe chaleur

air-air d6pend de la temp6rature extbrieure (figure 3). La puissance et

le CP de la pompe A c h a l e u r d i r n i n u e n t lorsgue la temperature exterieure

baisse. La temperature ext6rieure minimale 2 laquelle la pdrnpe

c h a l e u r peut s a t i s f a i r e les besoins en c h a u f f a g e duune habitation est

appel&e "point d'&quilibrei'. Le point dn&quilibre e s t f o n c t i o n d e la

d6perdition de chaleur du bbtiment et de l a puissance d e l a pompe

chaleur

.

Au-dessous de ce point d16quilibre, le rendement de la pompe

2

c h a l e u r est insuffisant pour s a t i s f a i r e les b e s o i n s en chaleur et

(5)

c h a u f f a g e d'appoint s o n t

G

a c t i o n progressive d e f a ~ o n que seule la

partie vraimenl n k e s s a i r e pour cornbler

l a

difference e n t r e

La puissance

de l a pampe et les besoins en chauffage se met en marche. Le CCP) q u i

tient compte de L1&nergie Q l e c t r i q u e absorbke p a r

les

a p p a r e i l s d e

chauffaqe, demeure toujouss s u p h r i e u r

2

1, mais il d&crozt dans La

mesure

ah un p l u s grand nombre de modules d'appoint e n t r e n t en a c t i o n .

Au-dessus du point dm6guilibre, c'est

I'inverse

qui se produit: la pompe

A chaleur dispose d n u n s u r p l u s de puissance et e l l e est &glee de f a p n

2

compenser la d e p e r d i t i o n de chaleur du bstiment en se rnettant en

marche et en s1arr6tant automatiquement.

11 est i n t b r e s s a n t d14tudier l a performance d'une pompe A

c h a l e u r s u r u n e base s a i s o n n i G s e . I1 est possible, 5 lmaide des rensei-

g n e m e n t s suivants, da6valuer la contribution de La pomp@

A

c h a l e u r aux b e s o i n s t o t a u x e n chauffage:

(i)

la fiche technique du fabricant concernant la performance

(c'est-;-dire, la puissance, la puissance absorb& et le (CP)

en fonction de la temp4rature extkrieure);

( i i ) les casact6ristiques de d 6 p e r d i t i o n de c h a l e u r du bgtirnent

consid6re;

[ i i i ) la frGquence d'occurrence de temp6ratures extgrieures

exigeant l a mise en marche d e la pompe 2 cbaleur pour la

zone

consid&r&e [<18"C; <65°FS.

~onsid&rons, & t i t r e d'exemple, une pompe

A

c h a l e u r ayant u n e

p u i s s a n c e d e r e f r o i d i s s e m e n t nominale d e 7 kW ( 2 tonnes) et une d6perdition

de chaleur nette de 8,6 kW 2 une temp6rature d e -26OC ( - l S ° F ) pour une

habitation s i t u & e dans la r g g i o n dtOttawa (figure 4 1 . L e p o i n t d l B q u i - l i b r e e s t d ' e n v i r o n -IoC (30°P). La r 6 g i o n hachurke r e p r k e n t e la partie

des b e s a i n s

en

chauffage qui est prise en charge pax les a p p a r e i l s d'appoint.

La f i g u r e 5 indique l a distribution fr6quentielle de la temp6rature de

bulbe sec r e l e v & d'heure en heuse pour d e s i n t e r v a l l e s de 3 - C (SQF).

Ce diagramme repose sur les mopennes observGes au cours de la periede

allant de 1957

2

1946 2 l'a6roport international d l O t t a w a .

La

prochaine Gtape consisre

2

determiner la dCperdTtion de chaleur

moyenne, l16nergie absorbge et p r o d l r i f e par la pompe 2 chaleur et lt6nergie

consomm~e par L e s a p p a r e i l s d'appoint pour chaque fntervalle de t~mpsratuse

( t a b l e a u

1).

Pour c e t exemple, nous avons calculi5 un c o e f f i c i e n t

de

performance saisonnier (CPS) de 1 , 6 , ce qui Squivaut 2 une gconornie de

37 p o u r cent d e la consommation en kilowatts-heures d'une installation de

chauffage Glectrique ordinaire. (Lt6conomie dtEnergie r g e l l e serait

quelque peu infzrieure 2 ce pourcentage, 6tant donnE que

les

caractgris-

t i q u e s du f a b r i c a n t ont Eti5 obtenues alors que la pompe ii chafeus f o n c t i o n -

nait

5

p l e i n e charge sous rggime permanent; d a m la p r a t i q u e , l ' a p p a a r e i l

ne fonctionne que de faqan interrnittente lorsque

la

tempgratuse

st&lZve

(6)

Pour illustrer ce point, naus avons report6 les q u a n t i t e s d'dnergie n k e s s a i r e s a u c h a u f f a g e d " u n e habitation en fonction d e

d i f f k e n t e s temp6ratures extbrieures s u r le graphique prGsent6

la f i g u r e 6 - Le champ total correspondant A A + B + C f o u r n i t une approximation des besoins c i n e r g c t i q u e s annuels n6cessaires pour le chauffage de l'habitatioh. L e champ A + B repr6sente la fraction des b e s o i n s qui est assurnee par la pompe 5 chaleur. L e champ d 4 l i r n i t C par

3 correspond la guantite d'dnergie que consomment le compresseur et

l e s ventilateurs de la pompe c h a l e u r . Le champ C r e p r k s e n t e lr6nergie

thermique Eaurnie par l e s appareils dlappoint et le champ A est

la

f r a c t i o n de l'6nergie thermique t o t a l e q u i provient d e I ' a i r e x t 6 r i e u r

(-37 p o u r cent)

.

A

la droite d u point d16quilibre, l a pompe 2 chaleur o f f r e u n

surplus de puissance en r e g a r d de la demande en chauffage 5 satisfaire.

S'il 6 t a i t possible d e faire correspondre le rendement de la pompe 5

chaleur

2

la deperdition n e t t e de chaleur du bstirnent a u - d e s s u s d u point d G q u i l i b r e , il en r 6 s u l t e r a i t une am&~ioration s e n s i b l e d e la performance. Ceci permettrait Ggalement d1arn61iorer la f i a b i l i t e en klirninant les

effets dus a u fonctionnement intermittent du systPrne. En thborie, on

p e u t y parvenir en utilisant u n compresseur

A

v i t e s s e i n f i n i r n e n t v a r i a b l e . Dans La r G a l i t 6 , un compresseur 2 deux vitesses p e r m e t t r a i t d & j &

d ' a m k l i o r e r l a performance d e f a ~ o n n o t a b l e .

Outre les ameliorations possibles grdce

2

la modulation de la

puissance, i l existe u n c e r t a i n nombre de modifications qui p e r m e t t r o n t

dTarn&liorer La performance d e la pompe

2

chaleur dans les r g g i o n s froides. 1. S e l o n l'importance d e IWhumidit& r e l a t i v e , du g i v r e et d e la glace se

Easrneront 2 la surface si le serpentin e x t e r i e u s air-fluide frigorigGne

est soumis 2 des temp6ratures de cong62ation; ceci n u i r a 5 ln6coule-

ment de l u a i r 2 la surface du serpentin et e n t r a I n e r a u n e s6duction

g r a d u e l l e du rendement 2 tel point que l T s n devra inverser le cycle

de fanctionnement de la pompe c h a l e n r (en mode d e refroidissement)

pour d h g i v r e r le serpentin. La f r g g u e n c e

i

l a q u e l l e on dolt proc6der a u d b g i v r a g e d6pendr d a n s une l a r g e mesure, de l'espacernent des

a i l e t t e s du serpentin. L e s cycles de dkgivrage sont d i a u t a n t p l u s

fr6quents qu'il y a dyailettes par pouce. En augmentant la surface

primaire Icelle des t u b e s ) et en reduisant La s u r f a c e secondaire

(celle des a i l e t t c s ) , il devrait Gtre possible de rkduire la fr6quence de c e s cycles de dGgivrage.

2. D a n s le systhme a c t u e l de pompe

2

c h a l e u r

2

deux blocs (une partie

i

I1int&rieur et l v a u t r e

2

llext@rieur), la section extbrieure

comprend le compresseur, l e serpentin extGrieur, un robinet inverseur, le moteur d u ventilateur e x t e r i e u r et l e ventilateur. La tuyauterie

du ErigorigGne liqu6fig et vaporis4 r e l i e les sections e x t g r i e u r e et

interieure. On pent reduire les pertes de chaleur d e s conduites d e

(7)

i n s t a l l a n t les &l&ments haut niveau de temp6rature 5 l1int6rieur.

Sur certains modgles, le frigorigsne est refsoidi en-dessous de

La

temp6ratuse de condensation en ornettant d'isoler La c o n d u i t e de

Liquide. Ceci constitue, de t o u t e Q v i d e n c e ,

un

cornpramis en faveur

du m o d e de refsoidissement; en e f f e t , dans les systGmes centralisk

d e conditionnement d l a i r le compresseur, le condenseur, ainsi que Le

ventilateur et s o n moteur sont gGn6ralement situhs

h

l%xt&rieur a f i n

de permettre

2

la chaleur de se dissiper facilement. I1 ne fait aucun

doute qulan pousrait tires un meilleur parti de cette c h a l e u r pour

am6liorer le cycle d e chauffage.

ASPECTS ~CONOMIQUES DE LA PQMPE

A

CHRLEUR AIR-AIR

On reconnazt g k g r a l e m e n t q u e l q i i n s t a l l a t i o n d'une pompe chaleur

n'est r e n t a b l e que si e l l e peut Gtte utilis6e p u s le conditionnement de l'air durant 116t&. Au Canada, le besoin d ' a i r conditionn6 n'est pas

primordial; par consgquent, la decision de recourir

A

un

systsme de pompe

2

chaleur devrait s'appuyer uniquement sur li&conornie de chauffage.

Le cofit d'une pompe

2

chaleur ( i n c l u a n t les f r a i s d'installatian)

convenant au chauffage d a m e habitation s'6chelonne de $2000 h $3500,

selon la p u i s s a n c e du s y s t h e ( 5 , 3

A

10'5 k W ) (1 112 A 3 tonnesl, dans

1'hypothGse

06

les gaines et les installations 6lectriques d'un bztiment

e x i s t a n t ne soient pas 2 r e f a i r e . Comparons Les avantages r e s p e c t i f s

d'une chaudihre &lectrique et d'une pompe

A

chaleur pour lohabitation m ~ n t i o n n k e

plus haut. L e s gaines et les installations & l e c t r i q u e s sont les msmes

dans l e s deux cas. L e s cofits cornparks des deux syst&mes apparaissent au

t a b l e a u 2. D'aprgs cet exemple, la pompe 2 chaleur repr6sente-t-elle

un

meilleur investissement que la chaudisre Glectrique? Si

on

suppose q u e la v i e utile d t u n e p o m p A c h a l e u r est de q u i n z e ans, une gconomie

annuelle constante de $165 ne justifiera qu'un investissernent de $1262

2 un

taux d'int6rGt de 10 pour cent, a l o r s que

Ie

co6t de premier

i n v e s t i s s e r n e n t additiannel qwe n6cessite

une

pompe

2

chaleur sW6l&ve

$1500. Toutefois, comme le co8t unitaire d e l'&lectricit& a augment6

rGguli6rement au cours des derniGres annees et q u r i l en sera probablement de mgme dans

I'avenir,

nous devons 6galement tenir compte de ce f a c t e u r dans notre analyse.

Si nous supposons que le caGt unitaire de 11&lectricit6 grimpera

6 urn taux c o n s t a n t , nous pourrons a l o r s d h x r n i n e r 1Yinvestissement maximum q u i peut &tre j u s t i f i 6

6

l t a i d e de l'6guation s u i v a n t e :

Investissement maximum

oh ~ = k c o n o m i e rkalisee au cours de l a p r e m i k e annGe I[$)

l + e

a =-

I +

( e = t a u x d'accroissement du cofit unitaire de lt61ectricit4)

(8)

Si i = 1 0 pour c e n t , e = 8 pour c e n t , E = $166 et n = 1 5 ans, l'investissernent maximum juatifi6 se chiffrera

h

1 2 , 0 3 x $166 = $1997. Par c o n s 6 q u e n t , la

pompe chaleur constituera un meilleur inveseissement que la chaudi&re

Glectrique si l ' i n v e s t i s s e r n e n t suppl6mentaire est i n f k i e u r

2

$1997.

Quels seraient l e s e f f e t s d h u e modification de ces hypothGses sur nutre

a n a l y s e ? ~onsid6rons les cas s u i v a n t s :

(1) u n coefficient de performance saisonnier (CPS) de

1,4 au Lieu de 1,6, taus les a v t r e s pastulats demeurant

inchanges. Les 6conomies realisges au cours de la

premi&re annee se trouvent r6duites $117' ( - 3 0 pour cent);

Investissernent maximum j u s t i f i & = $1407

( 2 ) le taux d'accroissement du coGt unitaire de lrGlectricit6

est de 12 pour cent e t le CPS e s t r e d u i t comme en

(I),

l e s a u t r e s p o s t u l a t s demeurant inchanghs;

Investissement maximum j u s t i f i & = S L 8 L S

( 3 ) meme chose qu'en (1) mais avec, en plus,

un

d6boursk dfi

aux S r a l s d'entretien d e $50 par ann6e;

Investissement maximum j u s t i f i e = $1165.

I1 est tr&s probable que le CPS s e r a moindre que celui qui a 6 t i i

calcu16 pour l e s raisons que nous avons d g j ; mentionnGes, c'est-a-dire

cause du fonctiannement intermittent de la pompe au-dessus du point

dr6quilibre et de la d6pense d'energie nGcessit6e par le d6givrage.

5ans l'exemple ( 3 3 , n o u s mettons en jeu la fiabilit6 de l16quipernent q u i a, par le pass&, constit&

un

p r o b l h e . Vraisemblablernent, les

fabricants ont r & u s s i & rbsoudre c e r t a i n s des probl&rnes qui affligeaient

Les premiers modgles d e pornpe 5 c h a l e u r air-air. Les f r a i s moyens

encourus pour L'entretien s161$veraient, selon une 6 t u d e recenter

2

environ $50 par annge 2 -

En comparant l e s exernples (1) e t ( 2 ) " naus c o n s t a t o n s l'importance

q u t i l faut attacher aux tendances des cocts en matagre d ' h e r g i e . Dans

le cas de l%lectricit&, 1e taux d'accroissernent du coGt u n i t a i r e

excgdera, selon toute p r 0 b a b i l i t - 6 ~ le t a u x d'inflatlon des a u t r e s b i e n s

et services. La r4partition de la production glectrlque, crest-;-dire

1e pourcentage dt6lectricit6 produit p a r t i r de combustibles fossiles,

d t 6 n e r g i e nuclbaire ou hydro-&lectrique, e s t un f a c t e u r important q u i

d4termine l'augrnentation des coGts unitaires la source, augmentation

q u i se r6percute subs6quernrnent sur le coit a u niveau d u consommateur.

Le calcul du CPS d e l a pompe

A

chaleur air-air indique q u e les

appareils de chauffage d'appoint fournissent seulement 27 pour cent de

l'ensemble des besoins en c h a u f f a q e . C e t apport rgduit llefficacit&

de la pompe

A

c h a l e u r de 23 pour cent (c'est-;-dire q u e l'on passe d'un

CP d e 2,12 5 u n CPS de 1,61). Ce q u i importe, ce s o n t les r6percussions d e la demande d'energie electrique e n p k r i o d e de pointe. La pompe

a

chaleur e x i g e la mzme puissance de pointe q u e Ie chauffage & l*&lectricit&,

(9)

Les resistances cilectriques sur lqeenemble de la saison de chauffage.

L a socibtk d10tilit6 publique doit quand mgme posskder la puissance

n d c e s s a i r e pour satisfaire aux besoins en periode de pointe.

En

d'autres

mots, Les pompes

S

c h a l e u r o n t

un

facteur de charge p l u s f a i b l e que les

appareils d e chauffage Glectriques en c e q u i a t r a i t la p r o d u c t i o n

d16nergie e t , d e ce fait, e n t r a h e r a i e n t des taux de consommation

d16lectricit& plus &Lev&s.

-.

En S l i m i n a n t les serpentins i5Sectriques d'appoint, la pompe 5

chaleur sesait plus conforme au type de charge s o u h a i t g , puisque I'Gnergie

ngcessaire au cycle d e compression diminue larsque la tempErature ext6-

rievre baisse (tableau 1). I1 e x i s t e d'autres solutions pernettant de

subvenir aux bessins calorifiques d'appoint. De nos j o u r s , certains

fabricants offrent des pompes 2 chaleur qui peuvent Ztre install6es sur

d e s chaudisres au mazout ou au gaz neuves ou d E j Z en place. ~ossqu'elle

e s t situge d e manfGre 3 fonctionner come un serpentin de refroidissement

normal,

la

pompe 3 chaleur pousvoit 5 tous l e s besoins en chauffage au-

dessus du p o i n t dlGquilibre, tandis que la chaudisre prend en charge les

besoins en chauffage en dessous du p o i n t dlEquilibre.

L'un d e s d6savantages du jumelage pompe

A

chaleur/chaudiGre e s t que la pomp@

2

chaleur et la c h a u d i & r e n e p e u v e n t pas fonctionner simultan6ment

Ic'est-2-dire que le serpentin int4rieur de l a pompe

2

c h a l e u r est sit&

en avaL d u tuyau d e d e c h a r g e de la chaudi&re). Cela dbcoule du Eait que

la tempgrature d e l ' a i ~ repris Il'ais q u i pGn6tre dans le serpentin

int6rieur de la pompe 5 c h a l e u r ) doit Etre limitee, faute de quoi la

puissance d u cornpresseur augmente, ce q u i &l&e la tempgrature du fluide

frigorig&ne

2

l a decharge. Ceci entrazne une baisse d u C P et de la p u i s s a n c e

calorifique et cr&e des c o n t r a i n t e s importantes au niveau du compresseur.

D'autres rn6thodes permettent de f a i r e fonctionner La pompe c h a l e u r en

dessous du point d16quili$re.

~ r s c e

5 un thermostat 2 deux niveaux3, la

chaudihre se m e t en marche A la temp6rature d u point d16quilibre (mesurde

i

l'aide d'un thermistor sit& dans lmentr6e d'air d u s e r p e n t i n e x t 6 s i e u r ) . Lossque

l'air

qui alimente la c h a u d i g r e a t t e i n t une temp6rature dGterminke,

l a pompe

2

chaleur cesse de fonctionner. La cbaudigse

6Lgve

la temp6rature

j u s q u l a u s e c o n d niveau et snarr@te, mais le ventilateur interne continue

A

fenctionner jusqu" cce que l a temp6rature de Iqair fourni soit infgrieure

au premier niveau. Quelques minutes p l u s tard, la p m p e .% c h a l e u r se

remet e n marche ~t tente de s a t i s f a i r e les besoins. Si elle n'y r h s s i t

pas, la chaudikre r6p;te c e cycle.

Une autse mdthode consiste A recourir

A

un systgme hydronique4, avec u n

Gchangeur d e c h a l e u r eau-air l o g 6 dans le conduit d'alimentation en aval

d u serpentin condenseur de la pompe chaleur. Cela permet un fonctionnement

continu d e la pompe chaleur sous l e point dl&quilibre. La chaleur

drappoint d u systgme h y d r o n i q u e peut etre obtenue disectement partir d e

combustibles fossiles, ce qui permet d e ne consommer que ka quantit6 de

combustible nkcessaire pour combler l a d i f f 6 r e n c e e n t r e les besoins d u bztiment et la puissance de la pompe & chaleur.

(10)

S'iL n t e s t ni souhaitable n i n&cessaire g n e la pompe

A

chaleur fonctionne en mode de refroidissernent, le serpentin i n t b r i e u r peut c t s e situe en amont de la c h a u d i G r e , ce qui permettra le fonctionnement continu de la pompe 5 chaleur en dessous du paint dr&quillbre. Dans

la pratique, on craint q u e , en mode de reSroidissement, la p o m p

A

chaleur d6shumidifie I ' a i r repxis de l'espace c o n d i t i o n n b , et que les condensats e n t r a T n e s pas T'air provoquent la corrosion de lt6changeur

de chaleur de la chaudigre.

AUTRES SOURCES DE CHALEUR POUR LA POMPE

6

CHALEUR

Source souterraine

la fin des ann6es quasante et a u cours des ann6es c i n q u a n t e , des

entreprises de production G l e c t r i q u e , des univessik6s et d t a u t s e s

organismes de recherche o n t &pens& beawcoup de temps e t d t a r g e n t pour

Q v a l u e r le potentiel d u sol comme source de c h a l e u r p o u r alimenter la

pompe5. cette Gpoque, t o u s G t a i e n t dropinion gue La pompe

A

c h a l e u r

a i r - a i r n9&tait pas en mesure de subvenir aux besoins en chauffage

sovs un c l i m a t t r & s f r o i d . la fin des a n n g e s cinquante, tcutefois,

les efforts de recherche ont Gt6 interrompus pour certaines raisons,

dont l e s suivantes:

L'air, en tank que source d e chaleur, est un PlGment dont

l a composition est universellement pr6visible. Le fabricant

peut mettre au point une gamme de produits qui pousront

gtre

utilises sous un l a r g e &ventail de conditions climatlques.

Par c o n t r e , dans le cas oh La source de c h a l e u r est dmorigine souterraine, les propribtbs d a sol ont tendance

a

v a r i e r

cansid6rablernent d'une rkgion A une autre, d'oh la n6cessit6

de proc6der 2 une analyse d u sol

in

situ pour chaque

installation. En particulier, la taille et la configuration de lR6changeur de c h a l e u r dans la source souterraine

d4pendent de la prafondeur de l a nappe p h r 6 a t i q u e .

2. Lorsque 1 e refroidissement de l % i r durant 116t6 constitue

un f a c t e u r p r & p o n d & r a n t , le sol est l o i n de constituer

u n e source froide ideale. La chaleur provenant de L'espace

conditionn6 est dissip6e dans le s o l , q u i est assGch6 autour

du s e r p e n t i n .

A

l a Longue, des v i d e s provoqu6s par le

dessgchement du sol autour d e la s u r f a c e d'echange d e chaleur

e n t r a i n e n t

une

importante reduction d u rendement de l a

source froide.

3. Le cofit d'installation d u serpentin servant

2

la transmission

de la c h a l e u r est peut-Etre la r a i s o n e s s e n t i e l l e gui explique le recours

l i m i t 6

2

la pompe & c h a l e u r d e source souterraine, Dans c e r t a l n s cas cependant, d b p e n d a n t du type

de s o l , de l a teneur en eau ou de la proximit6 de l a nappe

phrGatique, la pompe 5 chaleur de source souterraine p e u t

se r4v6ler supGrieure, s u r le plan de la performance, l a pompe

(11)

l e s dGpenses d'investissement plus 6~evGes que requiert

l'knstallation du serpentin souterrain.

L1une des Gtudes les plus complhtes 2 ce sujet a

6t6

men&

P o r t C r e d i t , en O n t a r i o , d e 1949

2

1952'. Cette Gtude e s t le f r u i t

d r u n e f f o r t coordonn6 de L'Ontario Hydro et de l'universit6 de Toronto.

On a u t i l i s 6 , aux f i n s de c e t t e Gtude, la maison d'un des employgs de

llOntario Hydro. On a enterre sbpaw6ment trois serpentins d t u n e

Lonqucur e q u i v a l e n t e d e 9 4 , 2

rn

(369 pi) chacun

A

une profondeur de 1,5m ( 5 pi)

s u r un terrain de 3 0 , 5 sur 4 5 , 7 m (100 sur 150 pi) (figure 7 ) . Le sol

de l'endroit 6tait constitu6 d e s a b l e t r 6 s fin et r e c e l a i t u n e nappe

aquif&re superficielle. Une solution d'alcool Gthylique et d % n t i - g e l

ci~culait dans les serpentins souterrains q u i G t a i e n t r e l i k s

2

une pompe

chaleur eau-air. On a 6vaLui. l a performance du systsme en fonctionnement

au c o w s de trois hivers successifs (tableau 3 1 .

Parce qu'ils avaient 2 leur disposition trois serpentins d i s t i n c t s ,

les chercheurs ont pu 6tudier les e f f e t s r 6 s u l t a n t d'une modification

du volume d u serpentin souterrain. Ru cours de l'hiver 1950-51 (figure 8 ) ,

on a

eu

recouss aux trois s e r p e n t i n s et L 1 o n a &t& en mesure de s a t i s f a i r e

A 48 pour cent dcs besoins e n chauffage annuels grdce 5 la chaleur

extraite d u sol. Un moteur de 3,73 kW ( 5 HPE actionnait le compresseur.

Au cours de lwhiver 1951-52 (figure 9 ) , un seul serpentin fut

u t i l i s 6 ;

malgr6 c e l a , 43 pour cent des besoins en c h a u f f a g e annuels o n t &t6

prelevgs du sol. On a remplacb le compresseur d'une puissance d e 3 , 7 3 kW

15 H P ) par un compresseur dmune puissance de 2,24 kW ( 3 HP). En d6pit

d t u n e rbduction de 66 pour cent d e la longueur utile du s e r p e n t i n souterrain,

l e s economies dr&nergie n'ont d i r n i n u h q u e de 10 pour cent. Ces chiffres indiquent que des 6tudes d'optirnisation des coBts s o n t n k e s s a i r e s pour

d6termines q u e l l e l o n g u e u r d e serpentin et quelle putssancc de pompe se

s6vGlent l e s p l u s &cenomiques. Pompe 5 chaleur et P n e r g i e solaire

Dans le pass&, cause de sa nature intermittente e t du manque de

capteurs ad&quats, ll&nerqie solaire a 6tG d&laiss&e e n faveur d'autres

sources de chaleur q u i provenaient indirectement du soleil ItelLes la

chaleur de Ltair arnbiant et du sol), En f a i s a n t appel 5 une forme

q u e L c a n q u e d e stockage dt6nergie thermigue, on p e u t sufmonter une grande

partie des problGmes soulev& par la n a t u r e al6atoire du rayonnement

solaire.

~'efficacit6 d e s capteurs s o l a i r e s plans augmente lorsque la

temperatute d e l'absorbeur approche d e la t e m p b r a t u r e d e l'air extgrieur

( f i g u r e 10). Pour assurer l e c h a u f f a g e direct d'une habitation, Le

capteux doit fonctionner avec an &cart de ternp6rature consid6rable entse

lrabsorbeur et llair ext6rienr dans les conditions normales de l'hiver

c a n a d i e n . Cependant, Itutilisation d u capteur comme source chaude pour la pompe chaleur permet d e r g d u i r e la temperature d e captation, ce q u i

se traduit par une plus grande efficacit6 des capteurs et m e contribution

plus importante de 1"nerqie s o l a i r e pour l a d u r e e d e la saison de

(12)

A

l'instar de la pompe

2

chaleur air-air classique, oh la surface

de 114vaporateur exterieus l i m i t e l a quantitg d e c h a l e u r "gratuite"

disponible pour le cycle, l'efficacitk de la pompe 5 chaleur coupl6e

A

un capteur solaire est r 6 g i e par la surface d u capteur et par la capacite thermigue du s t o c k a g e . Le f a i t d'augmenter la

superficie

des capteurs

(tout en conservant la

m6me

c a p a c i t e thermique du stockage) sernbLe

prcduire u n effet p l u s marqu6 s u r la performance du systGme que le Eait

d'augmenter la capacite de stockage (en gardant La mGme superficie de

captage 1 5 r 7 . Cependant

,

il

existe c e r t a i n e s restrictions d e cofit et

d'espace q u i imposent

un

plafond en ce q u i a trait 2 la surface des

c a p t e u r s et au volume d e stockage t h e r m i q u e . Pour cette raison, il

convient de consid6rer

un

nombre limit6 d e configurations possibles

(voit figure 11). On peut Ggalement pr6voir llinstalfation d'une pompe

A

c h a l e u r extgrieure a i r - a i r 5 t 7 . Lors d e s journkes chaudes et ensoleillbes,

la pompe 2 chaleur peut satisfaire l e s b e s o i n s en chauffage en f a i s a n t

appel A l ' a i z extgrieur comme source c h a u d e , t a n d i s que l e circuit des

capteurs rechauffe le stockage. Par temps doux rnais couwert, le systgme

pexrnettra encore de rgpondse aux besoins e n chauffage s a n s q u ' i l soit nkcessaire d e puiser 5 m6me lr&nergie emmagasinGe. Une installation

munie d e deux ballons d e s t o c k a g e thermique,

I ' u ~

d u c&& d e 1'6vaporateur

et I 1 a u t r e du

c6tC

du c o n d e n s a t e u r de la pompe 5 chaleur, o f f r i r a une

performance plus & l e v & que dans le cas d h u nyst6me stockage sirnple5r J .

Cela permettrait

2

la p m p e 3 c h a l e u r de nlentrer en jeu qu'en dehors

des p6riodes de pointe. I1 serait Ggalement possible d'utiliser une

pompe c h a l e u r de puissance r G d u i t e , fonctionnant de f a p n p l u s ou moins

continue, q u i n'aurait pas n6cessairement

2

s a t i s f a i r e la totalit6 des

besoins en c h a u f f a g e d n moment. 11 faudra p r o c a e r 5 d'autres 6tudes pour &valuer le potentiel des syst6mes que nous venons de d & c r i r e , et

des a u t r e s systsmes bivalents pempe 5 chaleur-Gnergie solaire, pour l e

clirnat c a n a d i e n .

Pompe

A

chaleur 2 effet de glacigre

L'eau est le matgriau

l e

plus cornrnun6ment utilisk pour Le stockage

de 116nergie t h e r m i q u e . Pour c h a q u e kilogramme I l i v r e ) d'eau et pour c h a q u e degre Celsius ( F a h r e n h e i t ) de diffzrence entre les temp6ratures

limites infkrieure et supbrieure de stockage, il est possible d'emmagasines

4,187 kJ (1 Btu) de chaleur. Le s t o c k a g e thermique de 1,055 m 7 (lo6 B t u ) avec u n e p l a g e d e tempbrature u t i l e de 2 7 , T ° C (50°F) exige 9072 kg

I 2 0 000 Ib) d m e a u ( 9 0 7 7 L; 2000 gal. 1 et occupe un volume de 9,07 m 3 { 3 2 0 pi3).

Cela est applicable lorsque seule la chaleur s e n s i b l e de l l e a u peut stre

u t i l i s 6 e camme, par exemple, dans

Ie

c a s des applications solaires.

Consid6rons p l u t G t llexploitation d q u n s y s t h e avec une plage d e

-I

2

1 0 ° C

130 2 50°F} qui i n c l u t le point de cong6lation de l'eau. La puissance

calorifique sera alors de 379 kJ/kg (163 B t u / h b ) , 3 3 5 k J / k g (144 ~ t u J 1 b )

provenant d e l a c h a l e u r l a t e n t e de la fusion d e l'eau avec 44 k J / k g (19 B t u / l b )

suppl6mentaires de L a chaleur sensible ( l a glace ne poss&de que la moitie

d e la c h a l e u r s p 6 c i f i q u e de l ' e a u ) . Pour cette plage d e tempbratures, Le

stockage thesmique d e 1,055 GJ (106 B t u ) sxigera environ 2783 L 1613 g a l . )

d'eau g u i occuperont un volume d e 3 m3 ( 1 0 7 p i 3 ) lorsque l'eau sera g e l e e .

(13)

La pompe

3

chaleur 3 e f f e t de glaci6re a 6t6 mise au p o i n t au

Laboratoire n a t i o n a l . dWak ~ i d ~ e ~ ( E i g u r e 125. Un kvaporateux 5 plaque

d'aluminium remplace l'echangeur de chaleur air-frigoriq6ne cdurants

c r o i s 4 s d'une pompe c h a l e u r air-air classique. Une pornpe de circulation

l i v r e l'eau glac6e

5

un distributeur situ6 au-dessus d e La plaque d e

l G v a p o r a t e u r . L%au g&le

i

la s u r f a c e de l'&vaporateur, qui est maintenu

A

environ -7OC 1 2 0 ° F ) , et transmet sa chaleux.latente de fusion au

fluide fsigoriggne q u i se vaporise. Au bout d'un c e r t a i n temps, la glace

s'accumule et, en raison d e son e f f e t i s o l a n t , la performance t e n d 5

dirninuer. La g l a c e e s t enlevee de l a plaque de l'6vaporatewr au rnoyen

d ' u n f l u i d e frigorig6ne chaud en provenance du candenseur, q u i permet

d t & l e v e r temporairement l a temp&rature de la plaque au-dessus de O°C (32OP).

C e t t e glace fondra par

la

s u i t e , l o r s q u e le temps s'adoucira. Dans l e s

rGgions s i t u 4 e s p l u s a u nord, il p e u t Gtre n6cessaire d e recourir h d e s

capteurs solaires pour Eaire f o n d r e la glace et fournir une source de

c h a l e u r auxiliaire 2 la pompe 2 chaleur, afin d e r k d u i r e la d i m e n s i o n

du bac d e stockage de l a glace.

1. De nos jours et d a n s bien d e s c a s , la plsmpe

2

c h a l e u r peut concursencer le chauffage glectrique sur le plan 6conomique. Au p l a n de La consommation dq&nergFe "primaire" elle permet

d'augmenter L'efficacitG g6nQrale du chauffage Glectrique de

28 5 4 2 pour cent ( f i g u r e 1 3 ) . Si l'on pouvait ameliorer le

coefficient d~ performance saisonnier {CPS), dans ce cas-ci,

de 3 5 pour cent, la pompe A chaleur a i r - a i r s e r a i t en mesure

drutiliser p l u s efficacement l e s ressources GnergGtiques que

les syst&mes classiques de chaudigre a u gaz ou au mazout,

2. L e s autres systgrnes de pompe 5 chaleur, que nous enurn6rons

ci-dessous, devront f a i r e l'objet d'6tudes additionnelles en

vue d l e n & v a l u e r l e potentiel pour des applications residentielles:

(i) la pompe c h a l e u r de source s o u t e r r a i n e ;

( i i ) l a pompe

2

chaleur couplee i u n capteur solaire; ( i i i ) la pompe A chalpur & effet de glacikre.

3. 11 ne fait aucun d o u t e que I'utilisation de sources de c h a l e u r

autres que

l ' a i r

permettra d1am&liorer l a performance d e s

s y s t h e s de pompe 8 c h a l e u r ; cependant, trois f a c t e u r s

importants m6ritent consid&ration:

(i)

le coGt i n i t i a l dGbours6 par l e c o n s o m a t e u r ;

(ii) la f i a b i l i t d d u s y s t h e ;

(14)

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8. Fischer, A. C. Thermal Storage Applications of the Ice Maker H e a t

(15)

(16)

TABLEAU 2

Pompe

6

chaleur Chaudiere electrique

7 kW ( 2 tonnes) (15 kW]

Entretien $ 5 0 $ 2 0

6conomie n e t t e paur l a

(17)

TABLEAU 3

194 9-5U

.- 1950-51 1951-52

2 6 act.-9 j u i n 22 w t . - l e r j u i n 17 sept.4 juin

Energie totale fournie par lc 1 4 910 14 883 13 6 7 1

s e r p e n t i n souterrain en ki4.h ( 8 t u ) 150 890 000) (50 3 9 5 000) E46 659 000)

gnergie Qlectrique t o t a l e consommce,

en kW-h, par

- le moteur du compresseur

-

les motcurs auxiliaires

-

les appareils de chauffage

electrique Coefficient d e performance a n n u e l l e - global - pompe c h a l e u r ( s e r p e n t i n soutersain et cornptesseur) - pompe c h a l e u r et ~ j ~ ) l ~ a r ~ i l d c chauffage Glectrique

- pompe i chaleur ct rnoteurs

auxiliaires

Longueur u t i l e du serpentin souterrain,

en m [pi 1 186,s 1622)

Saison d e chauEfe totalc, en h 5 1 8 3

Dur& totale de fonctionnement d e l a m m p e 5 c h a l e u r , en h

Poutcentage des besoins annuels en chauffage fournis p a r

- la pampe A chaleur

-

2e serpentin soutersain

- l e s appareils de c h a u f f a g e blectriques

(18)

F R I G O R I G ~ N E - - G A Z

-

L l Q U l D E B A S S € T E M P ~ R A T U R E H A U T E T E M P F R A T L I R E F I G U R E 1 C Y C L E F R I G O R I F I Q U E FONDAMENTAL C O M P R E S S I O N P E V A P E U R S A S S E P R E S S I O N

r----

k-4 SERPENTIN UL CYCLE DE REFROIDISSEMENT H A U T E P R E S 5 1 0 N - + - t - - - -1 I F I G U R E 2 E L ~ M E N T ~ D ' U N L P O M P E

A

C H A L E U R A I R - A I R H A U T E T E M P ~ R A T U R E B A S S E P I I E S S I O N D'TEf4'Eun H A U T E P R E S S I O N

0

I I C O M P R E S S E U U _t

r

SOURCE

)

C H A U D E

Ill

I I I - - -

-

- - - - - -

;

I

z

- - - - - - - - ~ V A P O M E U R C Q N D E N S E U R r -

- -

- - - - - - - -

- ;

- - - - - - - -

3

SOURCE F R O l D E

(19)

I " I 1 CP DE LA POMPE

-

EMENT \ I DES APPAREIU I c I D'APPOINT W I I LLll 0 0 " ,

.

1 7 q _m W A CHALEUR o

/-

Y n 4

-

IOINT D ~ ~ ~ O U I L I B R E - P . O

2

_Y - U - LL U_ 1 . 5

g

U w a Z w

a

- > 1.0

'mpiRimRE tUKL PUl SSANCE CALOR IFlQUE

CALCUL -26°C i-15'FI

DE LA pOMPE CHALWR

8

(20)

F I G U R E 5

D I S T R I B U T I O N F R ~ Q V E N T ~ E L L E D E S T E M P E R A T U R E S H O R A I R E S I N F E R I E U R E Z A 18°C { 6 5 " f l , P O U R L A R ~ G I O N D ' O T T A W A

BESOINS CALORIFIOUES ANNLIELS

REQUIS E N FONC310N DE L.& A

CP5 1 t -

T E M P ~ W W R E EXI~AIEURE 6 + C 1.b

~ N E R G I E ANNUELLE CONSOMM~E -

PA2 LA POMPE _ACtrALEUR E N

F M U C T l O N DE LA TEMPE'RATURE

LL

F I G U R E 6

D l S T P l B U T f O N DE L A P U f S S R N C E C A L O R l F l O U E I N D l Q U h N T L E S

(21)

F I G U R E 7

EMPLACEMENT D E L A P O M P E

I\

C H A L E U R D E S O U R C E

(22)

LA PROFONDEZIR OU SERPENTIN

0 TAUX D'EXTPACTION DE SHAPEL'R INSTANTANE C TAUX D'EXTRACTIDN DE CHALEUR MOYEN

D TEMP~RATLIRE DU SERPENTIN

F I G U R E 8

RENDEMENT D U S E R P E N T I N S O U T E R R A I N - H l Y ER 1 9 5 0 - 5 1

B l u l h p i

LA WOFONDEUK DU SECPENTIN

B T A P X D'EXTRACTION DE CrlALFL'R INSTANTANF'

(23)

(ABSORBEUR OUD1NAIRE, COUVERllJRE TRANSPARENT€)

'

CAPTATION R ~ D U ~ T E \ , -\ - - - ( 5 0 ) (1001 1 1 5 0 ) 12001 (2501 0 28 56 ₈₃ ₁₁₁ ₁₃_P F I G U R E 10 RENDEMENT D U C A P T E U R S O L A I R E A V E C E T S A N S P O M P E C H A L E U R

(24)

Of CHACEUR IS€ CHALEUR R - FRIGORIG~NE SKOCKAGE D BASS£ TEMP. HAUVE TEMP. FVAWRATCUR F I G U R E 12 S C H E ~ ~ A S P O S S I B L E S P O U R L A D I S P O S I T I O N D ' U N E P O A Z P E A C H A L E U R C O U P L E E A U N C A P T E U R S O L A I R E

BAC A GLACE SOL£

F I G U R E 12

(25)

L I W ~ E SOUS

0, ?E ( FORME D~E'CECTRICITE'

1,o t l d € S O U S FORME

0.42 POMff A CHALEUR PRODUCTLON W ~ N E R G I E CALORIFIQUE

ET ~ P E C T R I C I T ~ ET TRANSPORT CPS = 1,5 W CHARBON PRQWCTroN

I

I t 0

I

Q.52 PRODUCTION ~ F ~ N A G E TRANSPORT (C PS = O . b S ) MAZOWT No 2 BRUIF.

I

0.025 0,04 0 , I25 0,29 1 L I V ~ E sms FORME

TRANSPORT DISTRIkJflON PAR

'

C'*u'~''E _D'CNERGIE

CALORIFI eRODUCTI C f 4 PAR LE FQURNISSEUR [CPS = 0,7)

GAZ NATUREL v'

PIPE-LINES

0.01

0,04 0,24 0.22

* Dipendfa de la distance, de la copocit6 des pipe-lines, etc.

F I G U R E I 3