Pompes à chaleur aérothermiques

Une pompe à chaleur aérothermique peut assurer efficacement le chauffage et la climatisation de votre logement, en particulier si vous vivez dans une région au climat chaud. Lorsqu'elle est correctement installée, une pompe à chaleur aérothermique peut fournir à une maison une quantité d'énergie thermique une fois et demie à trois fois supérieure à l'énergie électrique qu'elle consomme. Cela est possible car une pompe à chaleur transfère la chaleur plutôt que de la produire à partir d'un combustible, comme c'est le cas dans les systèmes de chauffage à combustion.

Bien que les pompes à chaleur aérothermiques puissent être utilisées dans presque toutes les régions des États-Unis, elles ne fonctionnent généralement pas bien lorsque les températures restent en dessous de zéro pendant de longues périodes. Dans les régions où les températures hivernales descendent en dessous de zéro, il n'est pas forcément rentable de couvrir tous vos besoins en chauffage avec une pompe à chaleur aérothermique standard.

Cependant, les nouveaux systèmes équipés d'un chauffage au gaz en secours permettent de surmonter ce problème. Il existe également une “ pompe à chaleur pour climats froids ” qui semble prometteuse, mais qui rencontre actuellement des problèmes de fabrication. De plus, un modèle appelé “ refroidisseur à cycle inversé ” prétend pouvoir fonctionner efficacement à des températures inférieures à zéro.

En mode refroidissement, une pompe à chaleur aérothermique fait évaporer un fluide frigorigène dans le serpentin intérieur ; lorsque le liquide s'évapore, il extrait la chaleur de l'air ambiant. Une fois comprimé, le gaz passe dans le serpentin extérieur où il se condense, libérant ainsi de la chaleur dans l'air extérieur. Les variations de pression provoquées par le compresseur et le détendeur permettent au gaz de se condenser à haute température à l'extérieur et de s'évaporer à une température plus basse à l'intérieur.

Comment ils fonctionnent

Le circuit frigorifique d’une pompe à chaleur se compose d’un compresseur et de deux serpentins en tubes de cuivre (l’un à l’intérieur et l’autre à l’extérieur), entourés d’ailettes en aluminium destinées à faciliter le transfert de chaleur. En mode chauffage, le fluide frigorigène liquide présent dans les serpentins extérieurs extrait la chaleur de l’air et s’évapore pour se transformer en gaz. Les serpentins intérieurs libèrent la chaleur du fluide frigorigène lorsque celui-ci se condense à nouveau en liquide. Une vanne d'inversion, située près du compresseur, permet d'inverser le sens de circulation du fluide frigorigène pour assurer le refroidissement ainsi que le dégivrage des serpentins extérieurs en hiver.

Lorsque les températures extérieures descendent en dessous de 40 °C, un panneau de résistances électriques moins performant, similaire à celles de votre grille-pain, prend le relais pour assurer le chauffage intérieur. C’est pourquoi les pompes à chaleur aérothermiques ne sont pas toujours très efficaces pour le chauffage dans les régions où les hivers sont rigoureux. Certains modèles sont désormais équipés de chaudières d'appoint à gaz à la place des résistances électriques, ce qui leur permet de fonctionner de manière plus efficace.

Le rendement et les performances des pompes à chaleur aérothermiques actuelles sont entre une fois et demie et deux fois supérieurs à ceux des modèles disponibles il y a 30 ans. Cette amélioration du rendement résulte des progrès techniques et de certaines options, telles que :

En mode chauffage, une pompe à chaleur aérothermique fait évaporer un fluide frigorigène dans le serpentin extérieur ; lorsque le liquide s'évapore, il extrait la chaleur de l'air extérieur. Une fois comprimé, le gaz passe dans le serpentin intérieur où il se condense, libérant ainsi de la chaleur à l'intérieur de la maison. Les variations de pression provoquées par le compresseur et le détendeur permettent au gaz de s'évaporer à basse température à l'extérieur et de se condenser à une température plus élevée à l'intérieur.

• Vannes de détente thermostatiques permettant un contrôle plus précis du débit de fluide frigorigène vers le serpentin intérieur
• Les ventilateurs à vitesse variable, qui sont plus efficaces et permettent de compenser certains des effets néfastes liés à des conduits obstrués, à des filtres encrassés et à des serpentins encrassés
• Conception améliorée de la bobine
• Conceptions améliorées de moteurs électriques et de compresseurs à deux vitesses
• Tuyau en cuivre, rainuré à l'intérieur pour augmenter la surface de contact.

La plupart des pompes à chaleur centrales sont des systèmes split, c'est-à-dire qu'elles comportent chacune un serpentin à l'intérieur et un autre à l'extérieur. Les conduits d'alimentation et de retour sont raccordés à un ventilateur central, situé à l'intérieur.

Certaines pompes à chaleur sont des systèmes monoblocs. Dans ce cas, les serpentins et le ventilateur sont généralement situés à l'extérieur. L'air chauffé ou refroidi est acheminé vers l'intérieur par un réseau de conduits qui traversent un mur ou le toit.

Choisir une pompe à chaleur

Chaque pompe à chaleur résidentielle vendue dans ce pays est dotée d'une étiquette « EnergyGuide », qui indique son rendement en mode chauffage et en mode climatisation, en le comparant à celui d'autres marques et modèles disponibles sur le marché.

Le rendement de chauffage des pompes à chaleur électriques à air est indiqué par le coefficient de performance de chauffage (HSPF), qui correspond au rapport entre la puissance de chauffage saisonnière en Btu et la consommation électrique saisonnière en watts. Le rendement en mode refroidissement est indiqué par le coefficient de rendement énergétique saisonnier (SEER), qui correspond au rapport entre la chaleur évacuée sur une saison, exprimée en Btu par heure, et la consommation électrique saisonnière, exprimée en watts.

Le coefficient de performance saisonnier en chauffage (HSPF) évalue à la fois le rendement du compresseur et celui des éléments de résistance électrique. Les pompes à chaleur les plus efficaces affichent un HSPF compris entre 8 et 10.

Le coefficient de rendement énergétique saisonnier (SEER) évalue l'efficacité de refroidissement d'une pompe à chaleur. En général, plus le SEER est élevé, plus le coût est élevé. Cependant, les économies d'énergie réalisées peuvent amortir plusieurs fois l'investissement initial plus élevé au cours de la durée de vie de la pompe à chaleur. Remplacer une pompe à chaleur centrale datant des années 1970 (SEER = 6) par un nouvel appareil (SEER = 12) permettra de consommer deux fois moins d’énergie pour obtenir le même niveau de refroidissement, réduisant ainsi de moitié les coûts de climatisation. Les pompes à chaleur les plus efficaces affichent des indices SEER compris entre 14 et 18.

Pour choisir une pompe à chaleur électrique à air, recherchez le label ENERGY STAR®, qui est attribué aux appareils présentant un SEER de 12 ou plus et un HSPF de 7 ou plus. Si vous achetez une pompe à chaleur électrique à air et que vous n'êtes pas certain qu'elle réponde aux critères ENERGY STAR, vérifiez sur l'étiquette EnergyGuide jaune vif qu'elle présente un rendement de 12 SEER/7 HSPF ou plus. Pour les appareils présentant des indices HSPF comparables, vérifiez leur rendement en régime permanent à -8,3 °C, le réglage de basse température. L'appareil présentant le rendement le plus élevé sera le plus efficace.

Envisagez d'acheter une pompe à chaleur dont le coefficient HSPF est d'au moins 7,7. En septembre 2006, le ministère américain de l'Énergie commencera à appliquer une nouvelle norme qui exigera que les pompes à chaleur centrales aient un coefficient HSPF minimal de 7,7. Dans les régions au climat plus chaud, le SEER est plus important que le HSPF ; dans les régions au climat plus froid, privilégiez le HSPF le plus élevé possible.

Voici quelques autres éléments à prendre en compte lors du choix et de l'installation de pompes à chaleur aérothermiques :

• Choisissez une pompe à chaleur équipée d'un système de dégivrage à la demande. Cela permettra de limiter au maximum les cycles de dégivrage, réduisant ainsi la consommation d'énergie de la pompe à chaleur et celle du chauffage d'appoint.
• Si vous installez une pompe à chaleur en complément d'un poêle électrique, le serpentin de la pompe à chaleur doit généralement être placé du côté froid (en amont) du poêle pour garantir une efficacité optimale.
• Les ventilateurs et les compresseurs génèrent du bruit. Installez l'unité extérieure à l'écart des fenêtres et des bâtiments voisins, et choisissez une pompe à chaleur dont le niveau sonore extérieur est inférieur ou égal à 7,6 bels. Vous pouvez également réduire ce bruit en installant l'unité sur un socle insonorisant.
• L'emplacement de l'unité extérieure peut avoir une incidence sur son rendement. Les unités extérieures doivent être protégées des vents violents, qui peuvent entraîner des problèmes de dégivrage. Vous pouvez placer stratégiquement un buisson ou une clôture en amont des serpentins afin de protéger l'unité des vents violents.

Voir la section consacrée à Choix et remplacement des systèmes de chauffage et de climatisation pour plus d'informations sur le choix d'un entrepreneur, et consultez la section consacrée à Dimensionnement de votre système de chauffage et de climatisation pour connaître les techniques de prise de mesures appropriées.

Problèmes de performance liés aux pompes à chaleur

Selon un rapport issu d'une étude financée par ENERGY STAR, plus de 50% de toutes les pompes à chaleur présentent des problèmes importants liés à un débit d'air insuffisant, à des conduits non étanches et à une charge de fluide frigorigène incorrecte.

Le débit d’air devrait être d’environ 400 à 500 pieds cubes par minute (cfm) pour chaque tonne de puissance frigorifique de la pompe à chaleur. Le rendement et les performances se détériorent si le débit d’air est nettement inférieur à 350 cfm par tonne. Les techniciens peuvent augmenter le débit d’air en nettoyant le serpentin de l’évaporateur ou en augmentant la vitesse du ventilateur, mais il est souvent nécessaire de modifier le réseau de conduits. Voir les sections consacrées à Minimiser les pertes d'énergie dans les conduits et sur Conduits isolants.

Les systèmes de réfrigération doivent faire l'objet d'un contrôle d'étanchéité lors de l'installation et à chaque intervention de maintenance. Les pompes à chaleur autonomes et les pompes à chaleur monoblocs sont chargées en fluide frigorigène en usine. Elles présentent rarement un mauvais niveau de charge. En revanche, les pompes à chaleur de type split sont chargées sur site, ce qui peut parfois entraîner un excès ou un manque de fluide frigorigène. Les pompes à chaleur à système split dont la charge de fluide frigorigène et le débit d’air sont corrects fonctionnent généralement à des niveaux très proches des valeurs SEER et HSPF indiquées par le fabricant. Un excès ou un manque de fluide frigorigène réduit toutefois les performances et le rendement de la pompe à chaleur.

Pour garantir des performances et un rendement satisfaisants, la charge d’un système de pompe à chaleur split doit se situer à quelques onces près de la charge correcte spécifiée par le fabricant. Le technicien doit mesurer le débit d’air avant de vérifier la charge de fluide frigorigène, car les mesures de ce dernier ne sont précises que si le débit d’air est correct. Lorsque la charge est correcte, les températures et pressions spécifiques du fluide frigorigène indiquées par le fabricant correspondent aux températures et pressions mesurées par votre technicien de maintenance. Vérifiez ces mesures avec le technicien. Si les températures et pressions indiquées par le fabricant ne correspondent pas à celles mesurées, il convient d’ajouter ou de retirer du fluide frigorigène, conformément aux normes spécifiées par l’EPA.

Technologies de pointe : refroidisseurs à cycle réversible

L'une des innovations les plus remarquables dans le domaine des pompes à chaleur aérothermiques est le « refroidisseur à cycle inversé » (RCC). Il présente l'avantage de permettre au propriétaire de choisir parmi une grande variété de systèmes de distribution de chauffage et de climatisation, allant des systèmes de plancher radiant aux systèmes à air pulsé multizones. Elle permet également de réduire les factures d'électricité en hiver et de bénéficier d'un air plus chaud sortant des bouches d'aération, pour un confort accru.

Un poêle à bois à combustion rapide (RCC) est particulièrement économique pour les logements entièrement électriques ou dans les régions où le gaz naturel n'est pas disponible. En fonction des tarifs des autres combustibles, il peut même s'agir de l'option de chauffage la moins chère parmi toutes les autres solutions de chauffage.

Le système se compose d’une pompe à chaleur aérothermique standard à vitesse unique, d’un coefficient de performance (SEER) de 12, dimensionnée en fonction de la charge de chauffage plutôt que de la charge de refroidissement estivale, généralement plus faible. La pompe à chaleur est reliée à un grand réservoir d’eau fortement isolé qu’elle chauffe ou refroidit, selon la saison. La plupart des systèmes utilisent un ventilo-convecteur relié à des conduits, qui utilise l'eau stockée pour chauffer ou refroidir l'air et le distribuer dans la maison. Pendant la saison de chauffage, l'eau chaude peut être distribuée via un système de plancher radiant.

Le système RCC élimine l'un des principaux motifs de mécontentement concernant les pompes à chaleur aérothermiques, à savoir le soufflage périodique d'air froid pendant leur cycle de dégivrage et au début du cycle de chauffage, lorsque les conduits de distribution se réchauffent. Le système RCC résout ces problèmes en utilisant la chaleur stockée dans le réservoir d'eau pour dégivrer les serpentins de refroidissement, plutôt que l'air ambiant.

Le système RCC permet également à la pompe à chaleur de fonctionner à son rendement maximal, même à basse température. Cela garantit un confort accru et des économies, sans qu'il soit nécessaire de recourir à des serpentins de chauffage d'appoint à résistance électrique. Par exemple, lors d’une installation dans le Michigan, le système RCC a fourni de l’eau à 115?ㆠau système de traitement de l’air et au plancher radiant, alors même que la température extérieure était de -15?ㆮ

Un autre avantage significatif en termes d’économies d’énergie réside dans le fait que le RCC peut être équipé d’un récupérateur de chaleur de réfrigération (RHR). Ce dispositif est similaire au serpentin de désurchauffage que l’on trouve couramment sur les pompes à chaleur et les climatiseurs haut de gamme (voir ci-dessous). La principale différence réside dans le fait que le RHR produit non seulement de l’eau chaude pendant la saison de refroidissement, mais également pendant la saison de chauffage, en utilisant la capacité excédentaire de l’unité extérieure lors des journées d’hiver plus clémentes pour produire de l’eau chaude sanitaire pratiquement gratuite. En été, il produit de l’eau chaude gratuitement en récupérant la chaleur perdue de la maison, à condition que le système assure également le refroidissement du bâtiment.

Le système combiné RCC et RHR coûte environ 25% de plus qu'une pompe à chaleur standard de taille similaire. Dans les régions où le gaz naturel n'est pas disponible, le délai de récupération simple du surcoût est d'environ 2?C3 ans.

Technologies de pointe : pompe à chaleur pour climats froids

Une entreprise a mis au point la pompe à chaleur “ Cold Climate ”, équipée d’un compresseur à deux vitesses et à deux cylindres garantissant un fonctionnement efficace ; un compresseur d'appoint qui permet au système de fonctionner efficacement jusqu'à -15 °F et un échangeur de chaleur à plaques appelé « économiseur » qui, selon l'entreprise, étend encore les performances de la pompe à chaleur bien en dessous de 0 °C.

The system has been tested favorably by several utilities in the Northwest, which announced that the heat pump showed a 60% efficiency improvement over standard air-source heat pumps in preliminary testing.

The product has never been made available to consumers on a large scale, but it appears that manufacturing may resume and the heat pumps will soon be available to consumers.

Advanced Technologies: All-Climate Heat Pump

Another technology showing promise is an All Climate Heat Pump, which the manufacturer says can operate in the coldest days of winter without supplemental heat, maintaining comfortable indoor temperatures even when the temperature outdoors falls below zero. The heat pump could reduce heating and cooling costs 25%?C60%. Wenatchee Valley College in Washington has installed the heat pump and campus and has been testing it since October 2006.

While the design of most heat pumps puts the focus on cooling, the All Climate Heat Pump was designed with heating as the primary focus. Initial costs for the All Climate Heat Pump are high, but if it continues to work as well as predicted, the energy savings over the life of the system would more than make up the up-front cost. The All Climate Heat Pump is currently available for consumer purchase.