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Pompe à Chaleur air-air (PAC)

Pompe a chaleur air air

Dans la pompe à chaleur air-air, le chauffage et le refroidissement de l’espace conditionné sont obtenus en inversant le flux du fluide frigorigène (réfrigérant dont est chargé le système de réfrigération) entre les serpentins ou échangeurs appelés classiquement évaporateur et condenseur.

L’inversion de ce flux est réalisée au moyen d’une vanne à 4 voies actionnée par un thermostat situé dans l’environnement conditionné.

Voir notre guide sur la pompe a chaleur air-eau et PAC Géothermique

Qu’est-ce qu’une pompe à chaleur air air ?

Les serpentins de l’échangeur de chaleur ne sont plus appelés évaporateur et condenseur, car ils agissent à la fois comme évaporateur et condenseur, selon que l’unité fonctionne en cycle de chauffage ou de refroidissement. Dans un équipement de pompe à chaleur air-air, on appelle ces serpentins :

  • Serpentin extérieur : celui qui remplit les fonctions de condenseur en cycle froid et d’évaporateur en cycle chaud. Il est situé à l’extérieur de l’espace conditionné, d’où son nom.
  • Serpentin intérieur : situé à l’intérieur de l’espace climatisé, il agit comme un évaporateur dans le cycle de réfrigération et comme un condenseur dans le cycle de chauffage.

Les deux serpentins sont des serpentins à tubes à ailettes car ce sont des échangeurs air-réfrigérant car la chaleur est toujours prélevée et donnée à l’air (à l’intérieur et à l’extérieur de l’espace conditionné), d’où le nom de pompe à chaleur air-air. Actuellement, les pompes à chaleur air-air sont de type compact (package) ou split (split).

  • Leurs capacités vont de 4 500 à 20 000 frig/h et leurs principales caractéristiques sont les suivantes
  • La pompe à chaleur de ce type a la double fonction de chauffer et de refroidir. Par conséquent, avec une seule unité, les conditions de confort peuvent être atteintes toute l’année.
  • Les unités de chauffage et de refroidissement destinées à conditionner un espace donné sont toutes deux réalisées au moyen d’une seule source d’énergie (généralement électrique).
  • La chaleur fournie par l’équipement dans le cycle thermique est deux à trois fois plus importante que la chaleur absorbée par l’équipement pour son fonctionnement.
  • Aucune cheminée ou prise d’air n’est nécessaire pour que l’équipement fonctionne. Par conséquent, les coûts d’installation sont réduits.

Puissance et caractéristiques techniques

En général, une pompe à chaleur comporte trois zones de fonctionnement dans lesquelles les composants de la pompe à chaleur sont soumis à des contraintes importantes. Ces zones sont définies par les conditions ARI de 7°C et -7°C. Le matériau de la pompe doit être conçu non seulement pour fonctionner dans ces zones, mais aussi pour des conditions anormales, telles que :

  • Démarrage par temps très froid.
  • Tensions d’alimentation extrêmes.
  • Défaillances des composants.
  • Contamination plus ou moins importante du réfrigérant.

Les équipements de conception actuelle qui ont été testés dans ces conditions (en plus des conditions ARI) peuvent être considérés comme ayant une fiabilité pratiquement assurée.

Compresseur Le compresseur est l’élément clé d’une pompe à chaleur. Sa tâche consiste à pomper les vapeurs produites dans l’évaporateur à basse pression et à les comprimer à haute pression. Par conséquent, la haute pression (HP) et la basse pression (LP) seront produites en fonction du système, des températures et d’éventuelles anomalies dans l’équipement.

Lorsque les P.A. et P.B. sont élevés, nous sommes dans une zone où la puissance électrique consommée est importante, ce qui implique que les contraintes mécaniques auxquelles sont soumis les roulements, le vilebrequin, les soupapes, etc. sont importantes.

Une autre zone de stress importante se situe à un niveau élevé de P.A. et à un niveau bas de P.B. Avec ce taux de compression, la température de refoulement augmente et le débit de réfrigérant est faible. Il en résulte un mauvais refroidissement du moteur électrique du compresseur, ce qui accélère la destruction chimique du compresseur.

Une unité conçue pour fonctionner uniquement en cycle de réfrigération, elle ne le fait qu’en dehors des zones de forte contrainte.

Lorsque des situations anormales se produisent, comme une fuite de gaz, des filtres sales, un condenseur sale, un manque d’air à travers l’évaporateur ou le condenseur, le point de fonctionnement est alors situé dans la zone de contraintes importantes et afin de protéger le compresseur, les dispositifs de sécurité appropriés (pressostats haute et basse pression, etc.) sont installés.

Compresseur en cycle thermique

Si, dans une unité de réfrigération, le cycle est inversé de manière à ce qu’elle fonctionne en fournissant de la chaleur, on obtient le schéma de fonctionnement suivant.

On peut voir que dans ce cas, le cycle du système est situé à un point plus éloigné que le réglage du pressostat basse pression de l’unité conçue comme un refroidisseur uniquement. Les premières pompes sur le marché étaient équipées d’un pressostat basse pression réglé pour une pression plus basse, qui à son tour est déjà situé dans la zone de forte contrainte (à noter que le point ARI -7°C n’est pas situé dans cette zone).

En plus des contraintes énumérées ci-dessus qui sont imposées à une pompe à chaleur, les pompes à chaleur sont soumises à une contrainte supplémentaire qui se produit pendant le cycle de givrage et de dégivrage. Cette zone est située autour de 0°C. Au-dessus de +7°C, il n’y a pas de formation de glace et en dessous de -7°C, très peu de glace est déposée.

Pendant le cycle de dégivrage, le fonctionnement de l’équipement se trouve dans la zone marquée [DE].

Vérifiez que les zones de givrage sur la bobine externe et la zone de dégivrage ne sont pas situées à des endroits critiques. L’effort demandé au compresseur pendant ces périodes est celui qui découle des inversions de cycle et est causé par les variations de pression, de température et de débit de réfrigérant. Pour cette raison, il peut arriver que le compresseur fonctionne dans la zone de forte contrainte.

En résumé, nous avons trouvé trois zones d’effort.

1.º Les points ARI 7°C et -7°C qui encadrent parfaitement la zone de formation de la glace.

2e Au-dessus de 7°C, c’est-à-dire autour de 13°C et plus, vous entrez dans une zone de températures extérieures élevées.

3e Autour de -15°C est la zone de basse température extérieure.

Par conséquent, une pompe à chaleur est soumise à des contraintes importantes dans les régions qui ne sont pas définies par les points de mesure 7ºC et -7ºC, dans lesquelles pratiquement tous les équipements de réfrigération fonctionnent correctement. C’est pourquoi il est nécessaire que le compresseur utilisé dans une unité de pompe à chaleur soit conçu de telle manière que :

  • Les enroulements du moteur sont préparés pour résister à des températures plus élevées que d’habitude.
  • Les éléments de protection de ces enroulements doivent être adaptés.
  • L’huile utilisée pour lubrifier le compresseur doit être adaptée pour résister aux températures élevées auxquelles il sera soumis sans subir de transformations chimiques.
  • La lubrification doit être assurée dans toutes les conditions de fonctionnement pour garantir la durée de vie de toutes les pièces mobiles et des roulements, des soupapes, du robinet inverseur, des clapets anti-retour, etc.

Le réfrigérant doit être maintenu à son niveau approprié dans les cycles d’été et d’hiver pour éviter que le liquide ne vienne frapper le compresseur.

Aujourd’hui, grâce aux tests effectués sur les conditions de fonctionnement d’une pompe à chaleur, il existe des compresseurs hermétiques spécialement conçus pour fonctionner dans des unités de pompe à chaleur. Des mesures ont été prises pour renforcer les roulements et offrir une plus grande surface au travers des vannes.

Les moteurs électriques sont mieux isolés et le refroidissement du stator a été amélioré. Des huiles à base minérale sont également utilisées dans ce type de compresseurs, ce qui permet d’éviter un certain nombre de problèmes qui surviennent lors de l’utilisation d’huiles de réfrigération standard.

Par conséquent, ces améliorations permettent d’étendre la zone de fonctionnement de l’équipement.

Conclusion

La pompe à chaleur AIR-AIR est de plus en plus fiable et donc de plus en plus simple (ou inversement).

Les compresseurs plus robustes nécessitent moins d’organes de protection. Les compresseurs nouvellement développés pour les applications de pompes à chaleur sont plus compacts, plus légers, plus faciles à entretenir, contiennent moins d’huile et de réfrigérant dissous, sont moins bruyants, peuvent fonctionner dans des limites de tension plus larges et résistent mieux à la contamination des circuits.

D’autre part, la technologie électronique permet d’avoir des panneaux de contrôle de la pompe à chaleur où les contacteurs électromécaniques peuvent être remplacés par des interrupteurs électroniques (triac) et tous les problèmes de fonctionnement de l’équipement (protection contre le fonctionnement dans les zones d’efforts importants en haute et en basse température, rupture de flux à travers les batteries, les filtres encrassés, les pertes de gaz, les températures anormales du réfrigérant, le démarrage et la durée du dégivrage uniquement lorsqu’il est réellement nécessaire, la connexion automatique du froid ou de la chaleur en fonction des besoins de la pièce conditionnée, le fonctionnement des résistances complémentaires lorsque la température extérieure est inférieure à la température d’équilibre, etc.), est résolu de manière simple et qui réduit les coûts de réparation.