Par Jeremy Cook
Le chauffage électrique résistif - où un courant passe à travers un milieu électriquement résistif, perdant de l’énergie sous forme de chaleur - est la manière la plus simple de chauffer électriquement. En fait, cette perte de chaleur est inhérente aux processus électriques et constitue généralement une inefficacité qu’il convient d’éviter et/ou de gérer à l’aide de dispositifs comme les dissipateurs thermiques et les ventilateurs de refroidissement.
Dans un rôle de chauffage résistif, cette inefficacité (chaleur) est le produit, ce qui le rend théoriquement efficace à 100 % sur la base de l’énergie produite/entrée.
Malheureusement, un rendement de 100 % n’est pas suffisant pour que le chauffage électrique des maisons et des bâtiments soit plus pratique que la combustion de combustibles fossiles. Il existe cependant une autre solution : la pompe à chaleur électrique. Au lieu de convertir l’énergie électrique directement en énergie thermique, les pompes à chaleur absorbent et transportent la chaleur d’une zone (c’est-à-dire de l’extérieur) et la pompent à l’intérieur, multipliant ainsi la chaleur produite par rapport à l’énergie électrique absorbée. L’efficacité des pompes à chaleur et les économies réalisées par rapport à la chaleur résistive électrifiée peuvent être très intéressantes.
Performance et fonctionnement de la pompe à chaleur
La performance de la pompe à chaleur est mesurée par le coefficient de performance (COP) du système, exprimé par l’équation : travail fourni x COP = production de chaleur.
Alors que le COP d’un serpentin de chauffage résistif est de 1, les pompes à chaleur peuvent atteindre un COP de 2 ou 3 (voire plus, en fonction de la conception et des conditions thermiques). Divisez la production de chaleur requise par le COP pour obtenir l’apport énergétique requis - normalement une fraction de l’apport de chauffage résistif équivalent.
Le transport de l’énergie par pompe à chaleur s’effectue par le biais d’un cycle thermique utilisant un fluide à faible point d’ébullition (un réfrigérant) dans un circuit de pompe à chaleur. Il s’agit du même cycle thermique que celui par lequel un réfrigérateur pompe la chaleur d’un espace confiné pour maintenir les aliments au froid, mais en sens inverse.
Simplifier le processus pour un appareil de chauffage intérieur :
1. Un fluide thermique à bas point d’ébullition (c’est-à-dire un réfrigérant) quitte le compresseur sous la forme d’une vapeur surchauffée à haute pression et à haute température.
2. Le fluide pénètre dans l’échangeur de chaleur intérieur. L’énergie est perdue par le fluide et ajoutée à l’air intérieur sous forme de chaleur (avec un flux d’air forcé via un ventilateur), ce qui provoque la condensation du liquide en un liquide à haute pression, légèrement plus froid.
3. Le détendeur transforme le fluide en un mélange liquide/vapeur à basse température et à basse pression.
4. Le fluide pénètre dans l’échangeur de chaleur extérieur. De l’énergie est ajoutée au liquide depuis l’extérieur (avec un flux d’air forcé via un ventilateur), ce qui provoque son évaporation. Le fluide quitte l’échangeur de chaleur sous forme de vapeur à basse pression, basse température et légèrement surchauffée.
5. Le fluide entre dans le compresseur et se transforme en vapeur surchauffée à haute température et à haute pression, ce qui relance le cycle.
Le concept clé de ce cycle est que l’énergie est perdue dans l’environnement à l’étape 2, en chauffant l’espace intérieur, tandis que l’énergie est absorbée de l’extérieur à l’étape 4 et transportée à l’intérieur. Le même concept est appliqué en sens inverse pour refroidir les espaces intérieurs sous la forme d’un climatiseur.
Les réfrigérants ont généralement un point d’ébullition bien inférieur à 0º (F ou C). Le R410A, par exemple, a un point d’ébullition de -48,5ºC (-55,3ºF). La clé de ce cycle réside dans le fait qu’une grande quantité d’énergie est nécessaire pour faire bouillir un fluide et qu’une grande quantité d’énergie est libérée lors de la condensation.
Les avancées modernes en matière de pompes à chaleur
Le concept général d’une pompe à chaleur est connu depuis environ deux siècles et est utilisé dans les climats plus tempérés pour le chauffage des maisons et des bâtiments depuis de nombreuses décennies. Cependant, jusqu’à récemment, les pompes à chaleur ne pouvaient pas être utilisées dans les climats plus froids comme le nord des États-Unis et du Canada. Des progrès récents modifient cette restriction.
Des fluides frigorigènes très performants avec des points d’ébullition très bas (par exemple, le R410A avec un point d’ébullition de -55,3 ºC) permettent un fonctionnement à basse température, et la conception améliorée des échangeurs de chaleur permet de récupérer plus de chaleur de l’extérieur.
Les compresseurs à vitesse variable qui utilisent des moteurs avancés permettent à l’équipement de chauffage de monter et de descendre en puissance en fonction des besoins, au lieu d’être complètement en marche ou à l’arrêt.
Des drivers de porte IGBT améliorés et même dispositifs à base de carbure de silicium, avec des produits de mesure du courant qui permettent un contrôle en boucle fermée et une maintenance prédictive avancée des pompes à chaleur contribueront à faire progresser cette technologie à l’avenir. D’autres composants, tels que les magnétiques et les inductances de pointe, et même les connecteurs, peuvent aider les échangeurs de chaleur à fonctionner avec une efficacité maximale et une fiabilité à long terme.
Possibilités futures de pompes à chaleur
Cet article se concentre sur les pompes à chaleur dans le contexte du chauffage d’espaces intérieurs avec de l’air extérieur, mais les chauffe-eau à pompe à chaleur peuvent utiliser la même technologie. Ces concepts peuvent également être mis en œuvre en utilisant un échangeur de chaleur enterré dans une installation de pompe à chaleur géothermique, en tirant parti des températures presque uniformes de la terre pour créer une source d’énergie plus facilement disponible que l’air extérieur plus froid. Les pompes à chaleur pourraient également être utilisées pour les processus industriels, en remplacement des combustibles fossiles ou des options résistives.
Compte tenu de leurs avantages et de la volonté actuelle de réduire les combustibles fossiles, il faut s’attendre à ce que l’utilisation des échangeurs de chaleur pour le chauffage se développe bientôt. Grâce aux améliorations apportées à la conception électrique et mécanique, nous pouvons également nous attendre à un meilleur rendement de ces appareils, ce qui en fera une option encore plus attrayante dans les années à venir.
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