Les avantages de l’utilisation des pompes à chaleur à eau

Les pompes à chaleur à eau s'avèrent plus économes en énergie que les systèmes alternatifs destinés aux bâtiments commerciaux.Naveen Halbhavi, PE, ClimateMaster Inc., Oklahoma City

Objectifs d'apprentissage:

• Analysez les pompes à chaleur à eau et comparez-les à des systèmes alternatifs.

• Examinez comment les pompes à chaleur à eau peuvent réduire la consommation énergétique des bâtiments.

• Mettez en œuvre un système de pompe à chaleur à eau pour répondre à la demande simultanée de chauffage et de climatisation.

Le premier code commercial de l'énergie a été promulgué en 1975 avec leASHRAE Norme 90-1975 : Économie d'énergie dans la conception de nouveaux bâtiments.Depuis lors, les efforts ultérieurs ont conduit à des normes d’efficacité énergétique plus strictes, comme le montre la figure 1.

Une adoption complète et uniforme de ces codes énergétiques aurait entraîné une réduction d’environ 50 % de la consommation énergétique normalisée entre 1975 et 2012. En réalité, la consommation totale d’énergie par pied carré dans les bâtiments commerciaux est passée de 114 kBtu/pied carré en 1979 à 79,9 kBtu/pied carré en 2012, soit une diminution de 30 %.

Bien qu'il s'agisse d'une réalisation importante, l'adoption et l'application des normes par les différents États n'ont pas été uniformes et les bâtiments continuent de représenter un pourcentage important de la consommation d'énergie aux États-Unis. Administration américaine d’information sur l’énergie, les bâtiments commerciaux ont consommé 7 quadrillions de Btus d'énergie.De plus, le CVC représente 44 % de la demande énergétique des bâtiments commerciaux, comme le montre la figure 2. Cela comprend le chauffage, la ventilation et le refroidissement des locaux, mais exclut la réfrigération.

Pompes à chaleur commerciales

Une pompe à chaleur est un circuit de réfrigération qui peut refroidir les espaces par temps chaud et chauffer les espaces par temps frais.Avec une pompe à chaleur, vous pouvez rafraîchir ou chauffer un espace en utilisant uniquement de l'électricité.En ne brûlant pas de combustible pour le chauffage, comme dans un four central traditionnel, le risque d’inflammabilité est éliminé.

Les pompes à chaleur disponibles dans le commerce peuvent être classées en deux grands types :

• Une pompe à chaleur à air ou refroidie par air

• Une pompe à chaleur à eau (WSHP).

Une pompe à chaleur à air ou refroidie par air est un type de pompe à chaleur qui fonctionne en rejetant la chaleur vers l'air extérieur pendant l'été ou en absorbant la chaleur de l'air extérieur pendant l'hiver.Une WSHP est un type de pompe à chaleur qui fonctionne en rejetant la chaleur vers un système de conduites d'eau (ou une boucle d'eau) pendant l'été ou en absorbant la chaleur de la même boucle d'eau pendant l'hiver.Si plusieurs unités de WSHP sont installées, elles peuvent toutes être desservies par un système de boucle d'eau commun (ou collecteur).

Avantages des pompes à chaleur à eau

Pour les WSHP, puisque la chaleur est transférée via un échangeur de chaleur dans un tuyau qui transporte de l'eau, le fonctionnement est plus silencieux et l'empreinte du système est plus petite puisque l'eau est plus efficace pour évacuer la chaleur que l'air.Dans un système à air, le coefficient de transfert de chaleur limite se situe du côté de l'air et les coefficients de transfert de chaleur typiques du côté air à convection forcée se situent dans la plage de 25 à 250 W/m.² K. En revanche, le coefficient de transfert de chaleur par convection forcée côté eau est compris entre 50 et 20 000 W/m.² K. Cela rend les équipements WSHP plus efficaces et plus petits que les pompes à chaleur à air.

Les unités à source d'air traditionnelles peuvent nécessiter que chaque unité de traitement d'air soit équipée d'une unité de condensation séparée.Pour un grand système à plusieurs unités, ce qui est courant dans un bâtiment commercial, il faudrait plusieurs unités de condensation qui sont non seulement bruyantes, mais qui présentent également un défi à installer car elles nécessitent beaucoup d'espace libre.Avec une installation WSHP à plusieurs unités, l'échange de chaleur peut être réalisé avec une seule tour de refroidissement par évaporation centrale ou un refroidisseur sec situé au sol ou sur le toit.Les unités WSHP peuvent être placées dans des plafonds suspendus ou cachées loin des espaces occupés dans les salles mécaniques ou les placards utilitaires.Placer les unités dans les plafonds, à proximité du point d'utilisation, entraîne également moins de conduits et moins de consommation d'énergie des ventilateurs.La consommation d'énergie des ventilateurs peut être l'une des composantes énergétiques les plus importantes d'un système CVC, et une bonne conception globale du système tentera de la minimiser.

Les WSHP offrent également certaines des efficacités les plus élevées du secteur CVC. ASHRAE fixe les exigences minimales d'efficacité pour les WSHP afin qu'elles soient plus élevées que les pompes à chaleur refroidies par air et les systèmes VRF traditionnels.Les tableaux 1 et 2 montrent les valeurs d'efficacité pour les unités les plus directement comparables et sont dérivés de ASHRAE 90.1-2013 : Norme énergétique pour les bâtiments, à l'exception des bâtiments résidentiels de faible hauteur.Cette comparaison montre que les WSHP répondent aux exigences minimales les plus élevées en matière de ratio d'efficacité énergétique (EER) et de coefficient de performance (COP).

Les WSHP sont également plus efficaces en matière de chauffage que les climatiseurs à fournaise monobloc.Dans une chaudière, le rendement maximal du chauffage par combustion du gaz naturel est d'environ 95 % (pour un COP de 0,95) ;le chauffage électrique est de 100 % (COP = 1,0).Avec une pompe à chaleur à eau en mode chauffage, non seulement l'énergie thermique de la boucle d'eau est extraite et utilisée, mais également la chaleur de compression dans le circuit frigorifique est captée et utilisée comme source de chauffage.Grâce à cette capacité d'extraire la chaleur d'une source de chaleur (c'est-à-dire la boucle d'eau) et d'utiliser la chaleur de compression, le WSHP peut facilement fournir 4 à 6 unités de chauffage pour chaque unité d'énergie consommée.Il s’agit évidemment d’un système plus efficace.