En varmepumpe (PAC), også kalt termopompe på kanadisk fransk , er en enhet for overføring av termisk energi (tidligere " kalorier ") fra et miljø med lav temperatur (kald kilde) til et miljø med høy temperatur (varm kilde). Denne innretningen gjør det derfor mulig å reversere den naturlige retningen for spontan overføring av termisk energi .
Avhengig av retning av pumpeanordningen, kan en varmepumpe betraktes som et varmesystem , hvis man ønsker å øke temperaturen på den varme kilden, eller nedkjøling , hvis man ønsker å senke temperaturen på den kalde kilden.
Når formålet med pumpeanordningen er å både varme og kjøle, betraktes systemet som en varmepumpe .
Varmepumper finnes således i mange installasjoner som kjøleskap , klimaanlegg og forskjellige varmesystemer.
De brukes også i tørketrommel og i elektriske biler .
Uttrykket "varmepumpe" er generisk og inkluderer mange enheter som utfører varmeoverføringer fra en kald kilde ved et lavt temperaturnivå til et annet medium ved et høyere temperaturnivå ved hjelp av et termodynamisk system . De fysiske fenomenene, energikildene eller og driftsmiljøene kan være veldig forskjellige; varmepumper kan klassifiseres i henhold til disse tre parametrene.
De vektorer av termisk energi til den mer vanlige er:
Imidlertid er vann og luft ikke de eneste vektorene som brukes og kan brukes, noe væske i vid forstand kan tjene som en energivektor.
Aerotermiske varmepumper trekker termisk energi fra den omgivende luften, mens geotermiske varmepumper trekker den fra bakken.
For å kvalifisere en varmepumpe fullt ut, er det derfor nødvendig å spesifisere hvert aspekt av den aktuelle varmepumpen. For eksempel er varmepumpen i et kjøleskap i de aller fleste tilfeller en aerotermisk luft / luft elektrisk (termodynamisk) dampkompresjonsvarmepumpe. De som utstyrer kjøretøyene er enten med Peltier-effekt , eller med butangass, eller til og med begge vekselvis .
Den driftseffektivitet i en varmepumpe er karakterisert ved at forholdet mellom strømnings av nyttig varmeenergi overføres ( termisk kraft ) til strømmen av forbrukt energi ( "betalt" strøm). Dette forholdet, ytelseskoeffisienten (eller "COP"), er derfor et dimensjonsløst tall. For eksempel, en varmepumpe COP 3 Type B0 / W35 gir 3 kWh varme i 1 kWh som forbrukes strøm med en jordtemperatur på 0 ° C og en oppvarmings vanntemperatur på 35 ° C . Varmepumpen er da tre ganger mer effektiv enn direkte elektrisk oppvarming.
Avhengig av behovet, kan den nyttige termiske effekten være den som er hentet fra den kalde kilden (vi snakker om kald COP) eller den som leveres til den varme kilden (vi snakker om den varme COP). I praksis, siden varmepumper hovedsakelig er kjent for publikum for oppvarming, er det utelatt å spesifisere at nevnte COP er en varm COP .
Den "betalte" effekten kan være i form av elektrisk kraft (i tilfelle av en motor som driver en pumpe, strøm i en Peltier-modul eller vibratorstrøm i en akustisk varmepumpe), mekanisk kraft eller ellers termisk kraft (i tilfelle en absorpsjonsvarmepumpe som kjører på naturgass).
VSOPvs.hpåud=PutJeglevs.hpåudePspåyeeVSOPfroJegd=PutJeglefroJegdePspåyee{\ displaystyle COP_ {hot} = {\ frac {P_ {nyttig} ^ {varm}} {P_ {betalingsmottaker}}} \ qquad COP_ {kald} = {\ frac {P_ {nyttig} ^ {kald}} {P_ {betalt}}}}COP for en varmepumpe er lik effektiviteten. Det er mellom 0 og uendelig. Dens utbyttet , kan imidlertid ikke overstige den av Carnot syklus .
En varmepumpe "kjemper" mot den naturlige retningen for termisk energioverføring, og derfor faller COP i de aller fleste tilfeller når temperaturforskjellen mellom den varme kilden og den kalde kilden øker.
For samme varmeeffekt bruker en COP 4- varmepumpe halvparten av energien enn en COP 2- varmepumpe .
For enhver oppvarmingsapplikasjon kan den varme COP beregnes på forskjellige måter i henhold til reglene man bestemmer seg for å pålegge (definisjoner av nyttig kraft og betalt kraft). For å lette forståelsen og tillate en rettferdig sammenligning er disse reglene definert av standarder som EN 14511.
EU-kommisjonen definert i 2013 (forordning (EU) n o 813/2013) en beregning av en del av en "sesong energieffektivitet for romoppvarming" , ofte betegnet ETAS (den greske bokstaven eta for effektivitet, og S for "sesong"). Det er over et gitt år og med standardiserte gjennomsnittstemperaturer forholdet mellom produksjon av oppvarming og energiforbruket som kreves for å tilfredsstille det. ETAS gir derfor et estimat av effektiviteten til varmesystemet gjennom året; for eksempel vil en ETAS på 100% tilsvare samme effektivitet som en elektrisk motstandsvarmeapparat. Denne effektiviteten må beregnes og vises av varmepumpeprodusentene.
Avhengig av teknikkene som brukes, kan varmen som pumpes fra den kalde kilden hentes fra forskjellige medier. Denne termiske energien blir deretter returnert til den varme kilden (gass, væske, materiale).
Avhengig av bruksområde og for å skille mellom de mest klassiske installasjonssakene, brukes kvalifiseringer i feltet for å lette kommunikasjonen.
Varmepumper som bruker varme fra bakken kalles geotermiske varmepumper . Dette navnet kan være forvirrende med geotermisk fjernvarme som bruker høy temperatur varme fra dypt under jorden, men det er et helt annet system.
Det er hovedsakelig tre typer opptak:
Den horisontale samlingen på bakken består av et nettverk av flere rør parallelt, der det sirkulerer en varmeoverføringsvæske eller kjølemediet i tilfelle direkte ekspansjon. Disse rørene er i gjennomsnitt begravd mellom 60 cm og 1,2 m dype, avhengig av klimaet, vanligvis under en plen uten trær.
Vertikal samling er i likhet med horisontal samling i prinsippet, men i stedet for å være horisontal, består sensoren av rør som skaper vertikale løkker. Systemet krever færre sløyfer og lengder på rør, men boringen som kreves for å implementere det er dyrere enn å utbetale den horisontale sensoren. Fordelen er at den ikke endrer jorda og tillater planting av trær i resten av eiendommen.
Eksempel på sensordimensjoner for en vann-til-vann-varmepumpe på 11 kW brennende:
Oppsamling av grunnvann krever at det pumpede vannet har en temperatur over 10 ° C , noe som er mesteparten av tiden tilfelle. Brennkraften og COP oppnådd fra fangsten overgår alle de andre modusene, men energien som kreves for pumping må ikke påvirke gevinsten. Det ideelle er å bruke en pumpe med variabel hastighet og tømme vannet ut i en andre brønn, nedstrøms for vannet.
Andre tekniske begrensninger kan begrense driftstemperaturene: umulig å avvise rent vann ved mindre enn 0 ° C , ising (kald kilde); høyt trykk begrenset av den mekaniske motstanden til høytrykkskretsen (varm kilde), begrensning av effektiv overføring av energi mellom kildene (dimensjonering og tilsmussing av vekslerne).
Gulvvarme i hjemmet ( oppvarmet gulv ), et alternativ til tradisjonelle radiatorer, gir optimal ytelse fordi det ikke krever høy temperatur. Når det gjelder radiatorer, er det å foretrekke at de er dimensjonerte for å kunne operere ved "lav temperatur". Hvis de ikke er det, vil det være nødvendig med en annen energikilde for å øke temperaturen i kretsen og sikre at de fungerer (se temperaturbegrensning i forrige kapittel).
Den termiske energien (tidligere kjent som " kalorier " eller "negative kalorier") pumpes inn i et stort volum vann, som havet , en innsjø eller en elv . For en individuell installasjon kan det være en dam .
Noen eksempler på installasjoner som bruker en marin varmepumpe:
Varmen ekstraheres fra uteluften for å bli ført tilbake til inneluften. Denne enheten kan også finnes på systemer som pumper varme fra den utmattede (foreldede) luften i et rom for å gjenopprette den til den nye injiserte luften. Dette er tilfellet med noen dual flow CMV-er .
Andre varmepumper bruker luft som en kald kilde (for eksempel luftkjøling for å varme opp vannet i et svømmebasseng), men effektiviteten er lavere og avhenger av temperaturen på uteluften. Risikoen for ising av den utvendige radiatoren kan være betydelig når temperaturen på uteluften er lav og luftfuktigheten er høy, og effektiviteten da blir veldig lav.
Noen modeller er reversible (eller, feilaktig, "reversible"), det vil si i stand til å overføre varme fra huset til utsiden. Disse maskinene har fordelen av å kunne fungere som klimaanlegg hvis varmevekslerne er egnet: gulvvarmen har relativt begrenset kapasitet til å bli et kjølegulv, men radiatorene er ikke egnet (spørsmål om bytteområde og generering. Kondensater): de må erstattes av viftspoler som er mye dyrere og genererer andre begrensninger (strømforsyning, kondensavløp, støy osv. ).
Luft-til-luft-varmepumper kan bruke luft fra en luft-til-jord- varmeveksler for å tilføre luftinntaket og dermed forbedre effektiviteten. I praksis reduserer den høye strømmen av sirkulert luft denne fordelen sterkt: den kanadiske eller provençalske brønnen er bare effektiv med et volum luft som er kompatibelt med hastigheten på varmeutvekslingen av den innførte luften, kanalens varmevekslingskapasitet og temperaturen på jorden rundt kanalen.
Generelt er en kanadisk brønn mer vant til å varme litt opp den nye luften som kommer inn i bygningen. Med slike luftstrømmer er det bedre å gjenvinne energi fra avtrekksluften og muligens varme opp frisk luft med gjenvunnet energi . Det er doble luft-luft-varmepumper som utfører denne utvekslingen mens de sørger for luftstrømningshastighetene og dermed den kontrollerte luftfornyelsen inne i bygningen.
Prinsippet for drift av en varmepumpe er det for et invertert kjøleskap (i vanlig tilfelle av oppvarming, mens klimaanlegg følger samme operasjon). I stedet for å trekke ut varme fra et lukket kammer for å avkjøle det, trekker varmepumpen ut varme fra omgivelsene for å overføre det til et hus takket være kompresjon og utvidelse av en gass.
Varmepumper bruker en faseendringssyklus . Denne prosessen kjører en kjølesyklus for å overføre varme fra delen som skal kjøles (kalt "kald kilde") til den delen som skal varmes opp (kalt "varm kilde"). Kompressoren er kretspumpen som sirkulerer kjølemediet . Denne syklusen finner sted i fire trinn:
Den termodynamiske studien av driften av en varmepumpe, enten geotermisk (ved bruk av varmen i bakken), aerotermisk (som finnes i luften) eller akvatermisk (som inneholder i sjøvann, bekker eller frie akviferer), krever isolering av varmen overføre væske og bruke prinsippet om energibesparelse i løpet av en syklus. Den "inn- og utgående" varmestrømmen til denne væsken balanserer deretter nødvendigvis i løpet av syklusen. Således blir varmestrømmen som sendes ut av væsken ved den varme kilden under den eksoterme (dvs. varmeproduserende) reaksjonen i kondensatoren, sett negativt på av kjølevæsken, mens begge energiformene den mottar fra utsiden blir sett positivt på av den samme væsken. , nemlig tilførselen av primærenergi som forbrukes av selve pumpen og den termiske tilførselen som kommer fra den kalde kilden under den endotermiske reaksjonen (c 'dvs. forbruker varme) i fordamperen .
Denne teknikken, kjent i mer enn tretti år, har gjennomgått bemerkelsesverdige tekniske utviklingstrekk som gjør at den kan konkurrere eller til og med overgå i ytelse de "tradisjonelle" oppvarmingsmidlene. En varmepumpe sies å være reversibel (eller inverterbar) når varmeoverføringsfluidkretsen inkluderer en treveisventil som gjør at funksjonene til kondensatoren og fordamperen kan reverseres, noe som gjør det mulig i liten grad i tilfelle gulv for å avkjøle stuer om sommeren.
Den mest effektive akvatermiske (vann) varmepumpen bruker en vannkilde: brønn, elv, innsjø, bekk, grunnvann. Denne kilden må være tilgjengelig i tilstrekkelig mengde, og bruken av den må være autorisert (vannadministrasjon og sanitære tjenester). For dobbeltvirkende klimaanlegg (varmt og kaldt) er innvirkningen på kilden:
Den aerotermiske varmepumpen (luft) bruker uteluft, alltid tilgjengelig i overflod ved å avvise kaldere luft om vinteren (med fare for ising av utesensoren hvis været er fuktig) og varmere om sommeren (noe som kan være irriterende under en hetebølge ). Luftsirkulasjonen kan være støyende, spesielt hvis klimaanlegget er av dårlig kvalitet og brukes mye.
OppsamlingskretsFor individuelle boliger eller små bygninger fanger de fleste "geotermiske" varmepumper energi fra bakken av en krets som består av kobberrør dekket med polyetylen for installasjoner med kjølemiddel eller polyetylen for installasjoner med glykolvann. To typer samlinger er mulige:
horisontale sensorer begravd mellom 60 og 120 cm dyp, består kretsen av løkker (for eksempel under hagen). Overflaten okkupert av sensorene avhenger av arten av grunnen, kan det oppta omtrent to ganger den overflate som skal oppvarmes, det vil si for eksempel 400 m 2 for en overflate som skal oppvarmes på 200 m 2 . Denne plassen kan plantes med gress eller små busker, men kan ikke ta imot trær med lange røtter; vertikale sensorer kretsen omfatter et rør som danner en enkelt vertikal sløyfe. Det krever dypboring (rundt 80 m ), eller grunnboring (rundt 30 m ) i tilfelle en direkte ekspansjonssamling. Dyrere har den fordelen av å oppta mindre gulvplass. Vertikale samlere kalles også "geotermiske sonder".Luftvarmepumpens oppsamlingskrets er vanligvis fraværende når pumpen er utenfor: den suger inn og avviser i sitt miljø visse innendørsmodeller eller i tekniske rom som suger og avvises gjennom kanaler.
Fjernkontrollsensorene må likevel kobles til med kjølekretsen fylt med kjølemiddel.
Vannvarmepumpens oppsamlingskrets består av en sirkulasjonspumpe , et prøvetakingspunkt med sil og filter og en avvisning.
DesignEnheten, som tar varme fra den kalde kilden takket være oppsamlingskretsen, består av fire hovedkomponenter (se diagrammet overfor):
Sirkulasjonen av væsken (e) er tilpasset typen miljø de passerer gjennom:
Fordeler :
Ulemper:
Saltvannssystemer Fordeler:
Ulemper:
Tre typer varmeavgivere brukes hovedsakelig: gulvvarme , viftspoler og radiatorer med lav temperatur.
Varmepumper gir bare interessant effektivitet hvis de er koblet til sendere som er dimensjonert for lave temperaturer. Faktisk er ytelseskoeffisientene kunngjort av visse annonser ved høye vanntemperaturer fantasifulle .
Radiatorer kan noen ganger brukes om de er egnet for oppvarming med lav temperatur; Dette kan være tilfelle for gamle installasjoner som er dimensjonert for drift av termosyfon : Dimensjonene på rør og radiatorer kan tillate oppvarming ved lav temperatur med en strømningshastighet som er mye større enn termosyfonens takket være moderne akseleratorer.
Det er også mulig å endre størrelsen på visse radiatorer i henhold til det spesifikke behovet til det aktuelle rommet for å kompensere for temperaturfallet med en større utslippsflate. Dette er den mest brukte løsningen i tilfelle renovering av en eksisterende installasjon. Behovet for å minimere temperaturen på kjølevæsken for å optimalisere COP til varmepumpen krever finregulering i henhold til en godt tilpasset vannlov, og tar også hensyn til utetemperaturen.
Væsken som sirkulerer i en varmepumpe gjennomgår en transformasjonssyklus som består av fire trinn:
De mest brukte kjølemediene for varmepumper er: R407C , R410A , R134a for termodynamiske varmtvannsbereder og R32 .
De eldste fungerer fremdeles med gasser som nå er forbudt i nytt utstyr, for eksempel R22 som ikke har blitt markedsført i Europa siden 2015. Disse væskene er gjenstand for obligatorisk gassutvinning i en overføringssylinder som skal behandles. Disse gassene er skadelige for ozonlaget.
Det er også varmepumper som bruker CO 2superkritisk som kjølemiddel, markedsført under det generiske navnet EcoCute . Fortsatt lite diffust i Europa, de er mye bredere i Japan.
Flåten i drift i EU er estimert til 34,4 millioner varmepumper (PAC) i 2017. Deres fornybare energiproduksjon er estimert til 10,6 Mtoe . Markedet for aerotermisk varmepumpe i 2017 nådde 3,46 millioner solgte enheter, inkludert 1,44 millioner i Italia, 0,913 millioner i Spania og 0,487 millioner i Frankrike; markedet for geotermisk varmepumpe nådde 82 401 enheter, inkludert 22 641 enheter i Sverige og 20 170 enheter i Tyskland. Den totale flåten brytes sammen som følger ved utgangen av 2017:
Land | Aerotermiske varmepumper | Geotermiske varmepumper | Total PAC | % EU28 |
Italia | 19 520 000 | 14.200 | 19.534.200 | 56,7% |
Frankrike | 5.572.743 | 154 870 | 5 727 613 | 16,6% |
Spania | 3201 810 | 1.388 | 3,203,198 | 9,3% |
Sverige | 1.136.341 | 525 678 | 1622019 | 4,8% |
Tyskland | 616 659 | 358,181 | 974.750 | 2,8% |
Finland | 683 621 | 110 981 | 794.602 | 2,3% |
Portugal | 528.746 | 909 | 529 655 | 1,5% |
Totalt EU28 | 32 880 160 | 1.544.560 | 34 342 720 | 100% |
I 2006 ble det installert 53 510 innenlandske varmepumper i Frankrike mot bare tusen i 1997 , noe som gjør at dette landet kan bli det andre europeiske markedet for denne enheten bak Sverige, men foran Tyskland og Sveits . I de nordiske landene er imidlertid 95% av de nye husene utstyrt med det, sammenlignet med bare 10% i Frankrike, der markedet imidlertid dobler seg fra år til år.
I 2009 tilbød den franske regjeringen en skattekreditt på 40% på utstyr, begrenset til en verdi av € 16 000 for et ektepar og € 8 000 for et enslig eller ugift par. dette taket blir satt pris på over fem år på rad. Denne skattekreditten fra 2009 var utelukkende knyttet til den eneste kostnaden for hovedvarmepumpeenheten, unntatt installasjon. Det dekket geotermiske varmepumper og luft-vann varmepumper; siden1 st januar 2009, luft / luft varmepumper støttes ikke lenger.
Fra januar 2010, finansloven (LFR 2009 artikkel 28 ter) gir en opprettholdelse av frekvensen på 40%, men bare for geotermiske og termodynamiske varmepumper (vann-vann), inkludert installasjon av geotermisk kollektor. Skattekreditten som gjelder andre varmepumper (annet enn luft-til-luft og termodynamisk) er redusert fra 40% til 25%.
I 2011 reduserte staten varmepumpeavgiftskreditten til 36% for geotermiske varmepumper (inkludert installasjon av samlere i bakken) og med 22% for andre aerotermiske varmepumper enn luft-til-luft. Det franske markedet for varmepumper er således underlagt ulike finanslover. I Frankrike økte det årlige antallet nye luftvann- og geotermiske varmepumpeutstyr fra 153.000 enheter i 2008 til 121.000 i 2009 og til 63.000 i 2010.
I 2018 gjorde EWC- mekanismen i tillegg til kombinasjonen av skattekreditt for energiovergangen (CITE) og bonusen "Energibesparende boost", franske husholdninger med lav inntekt muligheten til å dra nytte av "pumpe. Varme på 1 €" under visse ressursforhold fastsatt av ANAH .
I følge AFPAC (Association française de la PAC) gjorde det franske PAC-markedet betydelig fremgang i første quadrimester i 2014, takket være RT2012 : en PAC ble installert i 40 til 50% av nye hus; en arbeidsgruppe som tilknyttet AFPAC og AFPG (fransk sammenslutning av geotermiske fagpersoner) hadde nettopp blitt opprettet for å starte den geotermiske varmepumpen på nytt, redusere installasjonskostnadene og la dette markedet på lang sikt komme tilbake til et "naturlig" nivå av 15 til 20.000 stykker per år.
Ifølge en studie publisert i Nature i 2020, selv om vi antar at karboninnholdet i elektrisitet ikke viser noen forbedring, vil det fortsatt være interesse for å bytte til elbiler for transport, og varmepumper for biler. Bygninger.
I “ negaWatt 2017 ” -scenariet utgjør elektrisiteten som brukes til oppvarming 63,4 TWh / a , mens fornybar varme utgjør 135,1 TWh / a , i Frankrike i 2050, bruker varmepumper , inkludert reversible klimaanlegg, strøm mye mer effektivt enn elektrisk varmeovner .
Det system-modulen varmepumpe (PAC system-modul) er et sveitsisk standard for planlegging, konstruksjon og ferdigstilling av varmepumper med en varmeytelse på omtrent 15 kW eller mindre .
En varmepumpe kan optimaliseres og til og med forsterkes ved å kombinere den med en annen energikilde (for eksempel solcelleanlegg ), noe som muliggjør en forbedring av de respektive utbyttene, som vist i et eksperiment (+ 20% utbytte i Chambéry i Savoie ). Det er et av midlene ( patentert i Frankrike under navnet " Aedomia ") for å oppnå "lavt forbruk" eller til og med positive energibygninger . Varmen som lagres av solcellepanelene kan gjenvinnes for å forbedre effektiviteten til en varmepumpe, som i seg selv drives av produsert elektrisitet. I tillegg produserer solcellemodulen mer strøm når den dermed blir avkjølt. Mellomliggende lagring av termisk energi ( " kalorier ") i en varmtvannstank er nødvendig, fordi konvensjonelle varmepumper stopper (for sikkerhet) over 40 ° C , mens luften varmes opp av solen kan nå 50 ° C .