POMPE A CHALEURAérothermie - Géothermie

FORBAT

SOMMAIRE1 – Rappel Théorique

. La réfrigération

. Propagation de la chaleur

. La température

. La quantité de chaleur

. Notion de poids et de masse

. La pression

. Chaleur latente / Sensible

. La température d’équilibre

2 – Fonctionnement Climatisation

3 – Fonctionnement Chauffage

4 – Les différentes types de P.A.C

. Air / Air

. Air / Eau

. Eau / Eau

. Eau glycolé / Eau

5 – Dimensionnement

6 – Mise en service

1 - Rappels Théorique. Qu’est-ce la réfrigération ?

C’est l’extraction de l’énergie contenu dans l’air.

Exemple : Le réfrigérateur pompe la chaleur contenu à l’intérieur du frigo et la rejette à l’extérieur.

. Comment se propage la chaleur ?- Par Conduction dans les matériaux

- Par Convection (ex: Convecteur)

- Par rayonnement (Rayonnement solaire)

La chaleur se propage toujours du milieu le + chaud vers le milieu le + froid

. La température

2 échelles de température :

- Le degré Celsius (°C)

- Le degré Kelvin (°K)

Ex : 0 °C = 273 °K

100 °C = 373°C

-273°C = 0°K

1 - Rappels Théorique. La Quantité de chaleur

L’unité de quantité de chaleur est le Kcal

1 Kcal = 1000 Calories = 1,16 Wh = 1 Frigorie = 4,18J

1 kg d’eau à 10°C

1 kg d’eau à 11°C

Il faut apporter 1 Kcal

1 - Rappels Théorique. Exemple : Ballon d’eau

En combien de temps une résistance de puissance 3 kw mettra pour élever la température de l’eau dans un cumulus de 25°C à 55°C

- Détermination de l’énergie nécessaire

300 * (55-25) = 9 000 kcal comme 1 kcal = 1,16 wh

Il faut apporter : 9000 * 1,16 = 10 440 Wh

- Détermination du temps nécessaire

10440 / 3000 = 3,48 heures

Ballon 300 L eau à 25°C Ballon 300 L

eau à 55°C

1 - Rappels Théorique. Notion de poids et de masse

Le poids s’exprime de la façon suivante :

P = mgP : Poids en Nm : Masse en Kgsg : Accélération de l’apesanteur en N/kg (sur terre g = 9,81 N/kg)

. La Pression

Le pression s’exprime de la façon suivante :

P = F/SF : Force en NS : Surface en m²P : Pascal

Plusieurs unité de pression :

100 000 pascal = 1 bar

Ex : Pression atmosphérique 1013 hpascal ou 1,013 bar ou 1013 mbar

Ex : 1 m3 d’air à 20°C au niveau de la mer à une masse de 1,293 kg

1 - Rappels Théorique. Pression relative et Pression absolue

Pression absolu = Pression relative + 1 bar

Pression absolu : Tiens compte de la pression atmosphèrique

Pression relative : Pression lue au manomètre

1 - Rappels Théorique. Chaleur latente / Sensible : Qu’est ce ?

La chaleur Sensible, c’est la quantité de chaleur qui est ajouter ou retirer sans changement d’état

La chaleur latente, c’est la quantité de chaleur qu’il faut ajouter ou retirer pour changer l’état d’un corps sans changement de sa température.

Ex : Passage de l’eau liquide de 100°c à vapeur 100°C

1 kg de glace à 0°C1 kg d’eau à 0°C 1 kg d’eau à 100°C

Vapeur à 100°C

80 Kcal

Chaleur latente100 Kcal

Chaleur sensible

539 Kcal

Chaleur latente

1 - Rappels Théorique. Exemple

Une chaudière à condensation rejette 12 litres de condensat par jour soit 0,5 litre par heure.

La puissance restituée par les condensat est de :

0,5*539 = 269,5 Kcal

Soit 1,16*269,5 = 312,62 Wh

Remarque : Pour une meilleur condensation, il faut que le retour chauffage soit le + froid possible.

1 - Rappels Théorique. Température d’équilibre : Effet de la pression sur la température d’ébullition de l’eau

Exemple : Une casserole sur le feu au niveau de la mer (pression 1013 mbar)

Au niveau de la mer la température de vaporisation de l’eau est de 100°C

Eau à 100°C

Chauffage

1 - Rappels ThéoriqueExemple : La cocotte minute au niveau de la mer

Dans une cocotte minute, la température d’évaporation de l’eau est de 120°C sous 2 bars.

On peut s’apercevoir que la température d’évaporation de l’eau varie dans le même sens que la pression.

Eau à 120°C, pression 2 bars

Chauffage

1 - Rappels ThéoriqueExemple : Les œuf dur

On peut s’apercevoir une nouvelle foi que la température d’évaporation de l’eau varie dans le même sens que la pression.

Temps de cuisson d’un œuf dur au niveau de la mer : 9 minutes.

Au sommet du mont blanc ce temps de cuisson sera égal / + élevé ou – élevé ?

Remarque à 4810 m, la température d’ébullition de l’eau est de 84°C et 0,55 bar.

1 - Rappels Théorique. Température d’équilibre : Effet de la pression sur la température d’ébullition des fluides caloporteurs.

Au niveau des fluides caloporteurs (R410, R407, R22 …), le principe reste le même, ces fluides vont s’évaporer à une température d’équilibre qui dépend de la pression.

Température réelle du milieu

Température réelle du milieu

Température d’équilibre du fluide caloporteur

Evaporation

Condensation

1 - Rappels Théorique. Exemple : Remplir le tableau grâce la rêgle de la page 13

Température d’équilibre 2°C 42°C 60°C

R22

R407C

R410A

R404

R407C = R134 + R32 + R125 (Non homogène, si fuite nécessite de changer toute la charge)

R410A = R32 + R125 (homogène)

1 - Rappels Théorique. Informations environnementales

1 Français rejette 8 tonnes de CO² dans l’atmosphère

1 Indien rejette 3 tonnes de CO² dans l’atmosphère

1 Américain rejette 21 tonnes de CO² dans l’atmosphère

1 kg de R22 représente un équivalent de 1,6 tonne de CO²

1 kg de R407C représente un équivalent de 1,7 tonne de CO²

1 kg de R410A représente un équivalent de 1,9 tonne de CO²

1 kg de R404 représente un équivalent de 3,8 tonne de CO²

Remarque : Le chlore contenu dans le R22 détruit la couche d’ozone.

Compresseur

Vapeur BPVapeur HP

2 – Fonctionnement climatisationTempérature Intérieur 20°CTempérature Extérieur 32°C

2°C42°C

9°C

60°C

Détendeur

Liquide HPLiquide BP

Sous-refroidissement = T° équi. HP – T° sortie condenseur

Surchauffe = T° sortie évaporateur – T° équi.

EvaporateurCondenseur

Compresseur

Vapeur BPVapeur HP

3 – Fonctionnement chauffageTempérature Extérieure 5°CTempérature Intérieure 20°C

2°C42°C

9°C

60°C

Détendeur

Liquide HPLiquide BP

Sous-refroidissement = T° équi. HP – T° sortie condenseur

Surchauffe = T° équi. BP – T° sortie évaporateur

EvaporateurCondenseur

3 – Fonctionnement chauffage

Les cycles de dégivrage permettent de dégivrer l’échangeur extérieur lors de formation de givre (lorsque la température d’équilibre devient négative).

Dans cette configuration, la PAC fonctionne en mode climatisation pour faire fondre le givre accumulé sur l’échangeur extérieure.

Les cycles de dégivrage peuvent représenter jusqu’à 7% à 17% du temps total de fonctionnement.

Remarque : Le COP commencera à diminuer à partir de 7°C, car à cette température, les cycles de dégivrage commence à apparaître.

4 – Les différentes types de PAC

Evaporateur

Compresseur

Détendeur

Liquide HPLiquide BPCondenseur

. Pompe à chaleur Air / Air (Split système)

Gaz HP Gaz BP

Exemple de fournisseur : DAIKIN / AIRMAT / AJITECH / MITSUBISHI / HITASHI / FUDJI

4 – Les différentes types de PAC

Condenseur

Compresseur

Détendeur

Liquide HPLiquide BPEvaporateur

. Pompe à chaleur Air / Eau ou Air / Eau glycolé (Monobloc)

Gaz HP Gaz BP

Exemple de fournisseur : DAIKIN / AIRMAT / AJITECH / MITSUBISHI / HITASHI / FUDJI

Plancher chauffant ou

Unité intérieur

4 – Les différentes types de PAC

Evaporateur

Compresseur

Détendeur

Liquide HPLiquide BPCondenseur

. Pompe à chaleur Eau / Eau ou Eau glycolé/ Eau

Gaz HP Gaz BP

Exemple de fournisseur : VIESSMANN / CIAT

Plancher chauffantCaptage horizontal

vertical

5 - Dimensionnement. Déperditions

D = V x G x (T° intérieure souhaitée – T° extérieure de base)

D : Déperdition en W

V : Volume

G : Coefficient d’isolation (RT 2000 : 0,75 / RT 2005 : 0,72 / Maison

mal isolée : 1)

T° extérieure de base : Les 5 jours ayant les + basses température

Ex : TOURS T°ext de base = - 7°C

. C.O.P : Coefficient opérationnel de performance

COP = PC / Pélec

Avec PC = Pélec + Pfrigo

PC : Puissance chauffage

Pélec : Puissance électrique absorbée

Pfrigo : Puissance frigo

5 - Dimensionnement. Exercice

Déterminer la déperdition pour une maison de 120 m² ayant un G de 0,75.

Hauteur sous plafond : 2,5 m

T° intérieure souhaitée : 21°C

T° ext de base : - 2°C

D = 120 x 2,5 x 0,75 x (21 – (-2))

D = 5 175 W

5 - Dimensionnement. Exemple PAC Air / Air

En prenant comme exemple la maison précédente, déterminer la PAC Air / Air nécessaire en prenant comme un COP de 4.

Tout en sachant que dans ce cas de figure les déperditions sont majorés de 20%.

Soit PC = 1,2 x D (La puissance de chauffage est égal à la puissance PAC)

PC = 1,2 x 5175 PC = Ppac = 6 210 W

Ppac = Pelec + Pfrigo et COP = Ppac / Pelec

Pelec = Ppac / COP

Pelec = (6210 / 4) Pelec = 1552,5 W

Pfrigo = Ppac – Pelec

Pfrigo = 6210 – 1552,5 Pfrigo = 4567,5 W

5 - Dimensionnement. Exemple PAC Air / eau

En prenant comme exemple la maison précédente, déterminer la PAC Air / Eau nécessaire en prenant comme un COP de 4.

Tout en sachant que dans ce cas de figure les déperditions sont minorés de 20%.

Soit PC = 0,8 x D (La puissance de chauffage est égal à la puissance PAC)

PC = 0,8 x 5175 PC = Ppac = 4 140 W

Ppac = Pelec + Pfrigo et COP = Ppac / Pelec

Pelec = Ppac / COP

Pelec = (4140 / 4) Pelec = 1035 W

Pfrigo = Ppac – Pelec

Pfrigo = 4140 – 1035 Pfrigo = 3105 W

5 - Dimensionnement. Exemple PAC Eau / Eau

En prenant la maison précédente, déterminer la PAC Eau / Eau (géosolaire) nécessaire en prenant comme un COP de 4,5 et le sol est argileux humide 20 W/m². Les diamètres des tubes seront de 20 mm.

Tout en sachant que dans ce cas de figure les déperditions sont majorés de 20%.

Soit PC = 1,2 x D (La puissance de chauffage est égal à la puissance PAC)

Nbre de m² au sol = Pfrigo/20 = 4 657,5/20 = 232,88 m²

Nbre de mL = 232,88 x 3 = 698,6 mL soit 700 mL

Recalcul du Nbre de m² au sol = 700/3 = 234 m² de décapage

5 - Dimensionnement. Exemple PAC Eau / Eau

En prenant la maison précédente, déterminer la PAC Eau / Eau géothermie nécessaire en prenant comme un COP de 4,5 et la puissance au mL est de 50 W/mL.

Tout en sachant que dans ce cas de figure les déperditions sont majorés de 20%.

Soit PC = 1,2 x D (La puissance de chauffage est égal à la puissance PAC)

Profondeur du puit nécessaire :

Profondeur = Pfrigo / 50 (Pfrigo = 6210 – 6210/4,5)

Profondeur = 4830 /50

Profondeur = 96,6 mL

5 - Dimensionnement. Exemple PAC Eau / Eau

En prenant la maison précédente, déterminer la PAC Eau / Eau aquathermie nécessaire en prenant comme un COP de 5 et la puissance au mL est de 50 W/mL. Les diamètres des tubes seront de 25 mm.

Tout en sachant que dans ce cas de figure les déperditions sont majorés de 20%.

Soit PC = 1,2 x D (La puissance de chauffage est égal à la puissance PAC)

Le débit du puit se calcul de la manière suivante :

Débit (en m3) = Pfrigo / 4,64

Débit (en m3) = 4,83 / 4,64

Débit (en m3) = 1,04 m3 / H