Imaginez un immeuble de bureaux de quatre étages à Guangzhou en juillet. La charge de refroidissement augmente, chaque étage a besoin d'air frais, et pourtant le toit reste silencieux : aucun ventilateur du condenseur ne martèle. Ce qui rend cela possible est une boucle d’eau se déplaçant silencieusement à travers le bâtiment. À l'intérieur de chaque local technique d'étage, un pompe à chaleur à eau (WSHP) fait le même travail qu'un climatiseur, mais avec une différence cruciale : il échange de la chaleur avec l'eau, pas avec l'air extérieur.
La réponse directe : une pompe à chaleur à eau est une machine de réfrigération qui absorbe la chaleur d'une boucle d'eau courante en mode chauffage, ou rejette la chaleur dans cette même boucle en mode refroidissement. Il déplace la chaleur d’un endroit à un autre au lieu de la créer. Étant donné que la boucle d'eau reste à une température beaucoup plus stable que l'air extérieur, le compresseur travaille moins et l'unité fournit un chauffage ou un refroidissement plus utile pour chaque kilowatt d'électricité consommé.
La réponse courte : Comment une pompe à chaleur à eau déplace la chaleur
Toutes les thermopompes, y compris les WSHP, fonctionnent selon le même cycle de réfrigération en quatre étapes : évaporer, comprimer, condenser, dilater . En mode chauffage, le réfrigérant liquide froid pénètre dans l’échangeur thermique côté eau, absorbe la chaleur de l’eau et bout pour former une vapeur à basse pression. Le compresseur aspire cette vapeur et augmente sa pression et sa température. Le gaz chaud à haute pression s'écoule ensuite vers le serpentin intérieur, où il se condense à nouveau en liquide et libère de la chaleur dans l'air ambiant ou dans un système de chauffage hydronique. Un détendeur thermique dose le liquide dans l'évaporateur et le cycle se répète.
En mode refroidissement, une vanne d'inversion à quatre voies inverse le débit. Le serpentin intérieur devient l’évaporateur et absorbe la chaleur de la pièce, tetis que l’échangeur de chaleur côté eau devient le condenseur et évacue cette chaleur dans la boucle d’eau. Le résultat est que une machine peut fournir à la fois du chauffage et du refroidissement en utilisant un seul circuit d'eau .
Les quatre composants qui font le travail
Le compresseur
Le compresseur is the heart of the system. It raises refrigerant pressure and temperature so that heat can be released at a useful temperature on the indoor side. Small packaged WSHPs typically use rotary or scroll compressors; larger commercial systems use screw compressors or multi-compressor parallel arrangements. A scroll compressor has fewer moving parts than a reciprocating type and handles partial loads well, which is why scroll units dominate packaged WSHPs. In large plants, screw compressors provide high reliability and good efficiency under continuous duty.
La vanne d'inversion à quatre voies
La vanne d’inversion est ce qui différencie une pompe à chaleur d’un climatiseur ordinaire. Lorsque la vanne se déplace, le sens du flux de réfrigérant s'inverse, échangeant les fonctions de l'évaporateur et du condenseur. Un petit pilote de solénoïde déplace la bobine principale. En mode chauffage, les gaz chauds sont acheminés vers le serpentin intérieur ; en mode refroidissement, les gaz chauds sont acheminés vers l’échangeur thermique côté eau.
L'échangeur thermique réfrigérant-eau
C'est là que le WSHP mérite son nom. Au lieu d'un serpentin à ailettes et d'un ventilateur extérieur, le WSHP utilise un échangeur de chaleur à plaques brasées ou un échangeur de chaleur à calandre et tubes. L'eau s'écoule d'un côté de la surface de transfert de chaleur ; le réfrigérant circule de l’autre. Étant donné que l'eau a un coefficient de transfert de chaleur beaucoup plus élevé que l'air, cet échangeur peut être physiquement plus petit qu'un serpentin à air tout en déplaçant la même quantité de chaleur. Dans les systèmes plus grands, le côté eau est souvent une construction en coque et tube, essentiellement la même technologie que le condenseur à calandre et à tubes refroidi à l'eau utilisé dans les installations de réfrigération industrielle. Le choix du matériau des tubes est important : les tubes en cuivre sont standard dans de nombreuses unités commerciales, tandis que les tubes en acier inoxydable sont préférés pour les applications agressives ou à l'eau de mer.
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Entre le condenseur et l'évaporateur, le dispositif d'expansion - généralement un détendeur thermostatique (TXV) ou un détendeur électronique (EEV) - fait baisser la pression du réfrigérant et mesure le débit correct dans l'évaporateur. Un EEV réagit plus rapidement aux changements de charge et maintient la surchauffe plus serrée, ce qui améliore l'efficacité à charge partielle. Cela est important dans un système WSHP car la température de l'eau entrante change au cours de l'année, le dispositif d'expansion doit donc s'adapter en permanence.
Mode chauffage et mode refroidissement : le même cycle en sens inverse
Mode chauffage
En mode chauffage, la boucle d’eau est la source de chaleur. Pour la plupart des conceptions de boucles commerciales, l'eau pénètre dans l'unité à environ 50°F à 68°F (10°C à 20°C) . Le réfrigérant absorbe la chaleur de cette eau et s'évapore. Le compresseur élève ensuite le gaz à une température suffisamment élevée pour que le serpentin intérieur fournisse de l'air chaud – généralement entre 90 °F et 105 °F (32 °C à 40 °C). Tant que la boucle reste au-dessus d'environ 45 °F (7 °C), l'unité peut maintenir un chauffage utile sans recourir au chauffage d'appoint électrique.
Mode refroidissement
En mode refroidissement, la boucle devient un dissipateur thermique. L'eau de la boucle de retour se situe généralement entre 70°F et 90°F (21°C à 32°C) . Le serpentin intérieur absorbe la chaleur de la pièce, le compresseur élève la température du réfrigérant bien au-dessus de la température de l'eau et l'échangeur thermique réfrigérant-eau transfère cette chaleur dans la boucle. Plus l'eau de la boucle est chaude, plus le compresseur doit travailler dur — c'est pourquoi le contrôle de la tour de refroidissement et la réinitialisation de la température de l'eau sont des éléments si importants dans une usine WSHP bien gérée.
Boucle fermée, boucle ouverte et boucles de construction : d'où vient l'eau ?
Les WSHP fonctionnent avec plusieurs sources d’eau. Le choix affecte à la fois l’efficacité et le coût d’installation.
| Type de système | Source d'eau | Température typique de l'eau à l'entrée | Idéal pour |
|---|---|---|---|
| Boucle de masse fermée | Tuyau PEHD enterré avec mélange eau-glycol | 32°F à 70°F (0°C à 21°C) selon la saison | Maisons et bâtiments commerciaux avec terrain pour forages |
| Boucle ouverte (eau de puits) | Eau souterraine pompée à travers l'échangeur de chaleur | 45°F à 60°F (7°C à 16°C) | Propriétés avec eau de puits propre et fiable et réinjection ou drainage approuvé |
| Boucle de construction avec chaudière et tour de refroidissement | Boucle d'eau du bâtiment partagée ; la chaudière ajoute de la chaleur, la tour rejette la chaleur | 60°F à 90°F (16°C à 32°C) | Bureaux multi-locataires, hôtels, immeubles à usage mixte |
| Boucle de lac ou de rivière | Boucle fermée immergée en eau libre | 35°F à 75°F (2°C à 24°C) | Bâtiments à proximité de plans d’eau profonds |
La plupart des grandes installations commerciales WSHP utilisent une boucle de bâtiment partagée. Chaque unité intérieure est suffisamment petite pour tenir dans un vide de plafond ou dans un petit local technique, et toutes les unités sont alimentées par le même circuit d'eau à deux tuyaux. Lorsque certaines zones ont besoin de chaleur tandis que d'autres ont besoin de refroidissement, la chaleur rejetée par les zones de refroidissement est absorbée par les zones de chauffage — une fonctionnalité appelée récupération de chaleur . Cela peut réduire considérablement l’énergie de chauffage et de refroidissement simultanée, ce qui est l’une des principales raisons pour lesquelles les propriétaires de bâtiments choisissent des systèmes à eau.
Pourquoi l'eau bat l'air : WSHP vs pompe à chaleur à air
Les deux systèmes utilisent le même cycle de compression de vapeur. La différence réside dans le support côté extérieur. La température de l'air change en fonction de la météo ; l'eau en boucle fermée reste beaucoup plus stable. Cette stabilité change toute la situation des performances.
| Aspect | WSHP | Pompe à chaleur air-air (ASHP) |
|---|---|---|
| Source/puits de chaleur | Boucle d'eau, stable toute l'année | L'air extérieur évolue selon la météo |
| Performances de chauffage | Se dégrade lentement à mesure que la température de la boucle diminue | Le COP chute fortement par temps glacial |
| Performances de refroidissement | Stable même lors des journées très chaudes | Chute à des températures ambiantes supérieures à environ 95°F (35°C) |
| Bruit | Calme ; pas de ventilateur extérieur | Bruit du ventilateur du condenseur extérieur |
| Espace | Aucune unité sur le toit ; local technique intérieur ou vide de plafond | Nécessite une unité extérieure et un espace libre autour |
| Mise en place | Plus de tuyauterie ; infrastructure de boucle d'eau requise | Généralement plus simple dans les bâtiments rénovés |
| Entretien | Traitement de l'eau, entretien des pompes et des échangeurs | Nettoyage des serpentins et accès au réfrigérant à l’extérieur |
Parce que l'eau a plus de 3 000 fois la capacité thermique volumétrique de l’air , un échangeur de chaleur eau-réfrigérant peut être beaucoup plus petit qu'un serpentin à air ayant la même fonction. Pour le compresseur, le chiffre important est l’élévation de température. Avec une entrée d'eau à 60 °F en chauffage hivernal, le compresseur augmente le réfrigérant d'environ 50 °F à 100 °F – une augmentation de 50 °F. Par temps glacial, une unité à air peut devoir augmenter le réfrigérant de -10 °F à 100 °F – une augmentation de 110 °F. Environ la moitié de l’ascenseur signifie environ le double du COP de chauffage. Cette relation physique est la véritable raison pour laquelle les systèmes de source d’eau offrent une meilleure efficacité saisonnière. Pour voir jusqu'où s'étend le même principe, regardez le gamme complète de condenseurs et évaporateurs utilisé dans les centrales hydroniques modernes.
L’efficacité en chiffres : COP, EER et à quoi s’attendre
Le COP (coefficient de performance) est le rapport entre le chauffage ou le refroidissement utile et la consommation électrique. Un COP de 4,0 en chauffage signifie que pour chaque kW d'électricité consommé par le compresseur, l'unité fournit 4 kW de chaleur. L'EER (rapport d'efficacité énergétique) est l'équivalent de refroidissement, normalement exprimé en Btu par wattheure.
Que peut raisonnablement attendre un acheteur d’une WSHP moderne ?
- COP chauffage entre 3,5 et 5,5 pour la plupart des systèmes de source d'eau, en fonction de la température de l'eau entrante.
- EER de refroidissement entre 14 et 22 Btu/W-h dans des boucles commerciales typiques.
- Meilleures performances à charge partielle, car le compresseur module ou cycle moins dans des conditions douces.
- Le ministère américain de l'Énergie rapporte que les pompes à chaleur géothermiques et eau-air peuvent réduire la consommation d'énergie d'environ 25 à 50 pour cent par rapport aux pompes à chaleur à air installées dans des bâtiments similaires (source : Département américain de l'énergie, aperçu des pompes à chaleur géothermiques).
| Température d'entrée d'eau (mode chauffage) | Plage de COP typique |
|---|---|
| 50°F (10°C) | 4,2 à 5,5 |
| 60°F (16°C) | 4,0 à 5,0 |
| 70°F (21°C) | 3,5 à 4,2 |
Notez la tendance : une eau de boucle plus froide signifie un COP inférieur, c'est pourquoi les boucles souterraines et l'eau de puits - qui restent plus chaudes en hiver que l'air extérieur - produisent une meilleure efficacité hivernale que les équipements à air.
Cinq considérations de conception qui déterminent les performances dans le monde réel
- Débit d'eau. Chaque unité a besoin d'un débit suffisant pour transporter la chaleur sans énergie de pompe excessive. Les unités commerciales de source d’eau sont généralement spécifiées à 2,5 à 3 gallons américains par minute par tonne de refroidissement ; les systèmes plus grands utilisent des débits plus faibles avec des différences de température plus élevées.
- Plage de température d’entrée de l’eau. Maintenir les températures de boucle dans les limites du fabricant – généralement 50°F à 95°F (10°C à 35°C) en refroidissement and 45°F à 75°F (7°C à 24°C) en chauffage — pour protéger le compresseur et maintenir les capacités nominales valides.
- Qualité de l'eau et encrassement. Les échangeurs de chaleur à plaques ont des canaux étroits ; les débris, le tartre ou la croissance biologique peuvent rapidement réduire le transfert de chaleur et augmenter la pression de condensation. Utiliser des crépines, un traitement de l'eau et — pour les eaux agressives — des échangeurs thermiques en acier inoxydable.
- Protection contre le gel. Les boucles de terre nécessitent un mélange eau-glycol ; les boucles de construction dans des espaces non chauffés nécessitent de l'antigel, du traçage thermique ou une procédure de vidange fiable.
- Réinitialisation de la température de la boucle. Contrôlez la température de la boucle en fonction des conditions extérieures et de la demande de la zone. Augmenter la température de la boucle en mode refroidissement ou la baisser légèrement en mode chauffage réduit la montée du compresseur et réduit la consommation d'énergie dans l'ensemble de l'usine.
Associer la boucle d'eau avec le bon équipement de réfrigération
Une pompe à chaleur à eau est un élément d’un système de réfrigération hydronique plus vaste. Les mêmes principes d’ingénierie – compression fiable, échange thermique côté eau propre et contrôle stable du réfrigérant – s’appliquent au reste de l’usine. Pour les équipes de projet qui assemblent leur propre solution de salle d'usine, le choix du condenseur, du refroidisseur et de l'unité de condensation détermine si la boucle atteindra réellement son efficacité nominale.
Côté refroidissement, un emballage refroidisseur à eau est la méthode standard pour évacuer la chaleur de la boucle lorsque le bâtiment est équipé d'une tour de refroidissement. Côté échange thermique, le condenseur refroidi à l'eau à calandre transfère la chaleur entre le réfrigérant et l'eau sur une grande surface facile à nettoyer. Dans les usines équipées d'évaporateurs alimentés par pompe, un unité de condensation de pompe à fût fournit la recirculation nécessaire pour maintenir l’approvisionnement en réfrigérant stable sous des charges variables.
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À emporter pratique : le WSHP est aussi efficace que le reste de la centrale hydronique. Des pompes surdimensionnées, de l’eau non traitée ou une tour de refroidissement sous-dimensionnée éroderont rapidement l’avantage COP. Commencez par la conception de la boucle, puis sélectionnez l’ensemble compresseur et échangeur de chaleur qui l’entoure.
Foire aux questions sur les pompes à chaleur à eau
Les pompes à chaleur à eau fonctionnent-elles dans les climats froids ?
Oui. En mode chauffage, une unité eau-air peut toujours fournir un COP de 3,0 ou mieux avec une entrée d'eau à 40 °F (4 °C), ce qui est bien au-dessus des températures de l'air hivernales dans la plupart des régions froides. La raison pour laquelle cela fonctionne à Harbin, Minneapolis ou Oslo est simple : la boucle est enterrée sous terre ou puisée dans les eaux souterraines, de sorte que les températures hivernales de l’air ne touchent jamais la source de chaleur.
Une pompe à chaleur à eau est-elle la même chose qu’une pompe à chaleur géothermique ?
Pas exactement. Une pompe à chaleur géothermique ou géothermique est un type de système à eau. Il utilise une boucle souterraine fermée ou de l’eau de puits comme source de chaleur et comme puits. Mais de nombreux WSHP fonctionnent sur une boucle de bâtiment avec une tour de refroidissement et une chaudière – sans aucune connexion à la terre. Toutes les pompes à chaleur géothermiques sont des systèmes alimentés à l’eau ; toutes les pompes à chaleur à eau ne sont pas géothermiques.
Une boucle d’eau peut-elle chauffer et refroidir différentes zones en même temps ?
Oui, et c’est l’un des plus grands avantages d’un système WSHP. Chaque unité intérieure décide indépendamment si elle doit chauffer ou refroidir. Lorsqu'un bureau a besoin de refroidissement et qu'un autre a besoin de chauffage, la boucle transfère la chaleur de l'un à l'autre, et la chaudière et la tour de refroidissement ne font que compenser la différence.
De quel entretien une pompe à chaleur à eau a-t-elle besoin ?
Trois domaines comptent : la qualité de l’eau, la charge de réfrigérant et la propreté côté air. La boucle nécessite une filtration et un traitement de l'eau réguliers pour éviter l'encrassement des échangeurs de chaleur à plaques ou à calandre ; les surfaces des échangeurs de chaleur doivent être inspectées chaque année ; et les serpentins et filtres intérieurs nécessitent le même programme de nettoyage que n’importe quel ventilo-convecteur. Puisqu’il n’y a pas de ventilateur de condenseur extérieur, les problèmes habituels de corrosion et de débris des unités extérieures disparaissent pour la plupart.
Combien de temps dure une pompe à chaleur à eau ?
Avec un traitement de l'eau correct, un WSHP commercial de qualité sert généralement 20 à 25 ans , et la boucle d'eau elle-même peut durer 50 ans ou plus. Le circuit réfrigérant est scellé et le compresseur est protégé par la température de boucle stable, contrairement aux unités de toit qui subissent des cycles thermiques extrêmes. De nombreux propriétaires trouvent que l'emplacement intérieur de l'équipement constitue un véritable avantage à vie : il ne voit jamais la neige, le sel ou le soleil d'été.
Comment choisir entre eau-eau et eau-air ?
Les unités eau-air sont les plus courantes dans les immeubles de bureaux car elles conditionnent les espaces occupés directement via des conduits. Les unités eau-eau sont utilisées lorsque le bâtiment est équipé d'une distribution hydraulique (chauffage par le sol, plafonds rafraîchissants ou eau de refroidissement de procédé) car elles produisent de l'eau chauffée ou refroidie au lieu de l'air chaud. Pour les processus industriels tels que le refroidissement laser ou la transformation des aliments, l’architecture eau-eau est généralement la bonne.
L'essentiel
Une pompe à chaleur à eau est simplement une machine de réfrigération qui utilise une boucle d’eau comme source de chaleur et comme puits. Les composants sont conventionnels, le cycle est le cycle standard de compression de vapeur et l’avantage en termes d’efficacité provient presque entièrement de la stabilité de la température de l’eau. Que vous conceviez une tour de bureaux de 40 étages, un entrepôt frigorifique ou un système de refroidissement de processus, le concept WSHP est le même — et les choix d'équipement côté eau, des échangeurs de chaleur à plaques aux condenseurs à calandre, déterminent la performance de ce concept en fonctionnement réel.
