4 pompes à chaleur eau/eau

4.1 Les eaux souterraines comme source de chaleur

Si les conditions aux limites correspondantes existent, la génération d'énergie thermique via les eaux souterraines peut représenter une forme très efficace d'utilisation thermique du sous-sol à des fins de chauffage et/ou de refroidissement. Lors de la planification, de la construction et de l'exploitation de systèmes de puits pour l'utilisation thermique du sous-sol, les exigences de la législation sur l'eau et les réglementations nationales respectives doivent être respectées. Pour une utilisation thermique, en vue de l'efficacité du système ainsi que de la protection des eaux souterraines, il convient d'utiliser principalement des eaux souterraines proches de la surface avec un niveau d'eau souterraine libre (même couche aquifère).

Lors de l'utilisation de niveaux d'eau souterraine plus profonds, des mesures de protection spéciales sont nécessaires. La planification et l'exécution des systèmes de puits doivent être effectuées par des bureaux de planification compétents ou des entreprises spécialisées dûment qualifiées dans le domaine de la construction de puits. Les recommandations de la directive VDI 4640 partie 2 doivent être respectées ici. Les informations sur la productivité du stock d'eau souterraine et la composition chimique de l'eau souterraine sont absolument essentielles. Un forage d'essai, qui peut ensuite être converti en puits, est recommandé pour l'évaluation. Les recommandations du fabricant concernant la qualité de l'eau de puits doivent être respectées (voir section 4.2). Si la qualité de l'eau ne répond pas aux spécifications du fabricant, soit un modèle de pompe à chaleur avec un évaporateur adapté (échangeur de chaleur en acier inoxydable) soit un circuit intermédiaire avec un échangeur de chaleur à plaques en acier inoxydable vissé (voir Section 3.6 et Section 4.3.4) peut être utilisé. L'évaporateur doit être protégé des dommages causés par le gel, par exemple au moyen d'une surveillance de la température ou d'un circuit intermédiaire fonctionnant avec un mélange antigel. Les spécifications du fabricant doivent être respectées. Le circuit intermédiaire nécessite une énergie supplémentaire pour faire fonctionner la pompe à eau glycolée et réduit la température de la source de chaleur d'environ 3 K, ce qui entraîne un coefficient de performance réduit.

Pour les petits systèmes, l'eau souterraine est une source de chaleur assez difficile à évaluer s'il n'y a pas d'expérience avec les systèmes à proximité immédiate, car l'effort pour un forage d'essai est très élevé. Le trou d'essai ne peut pas être utilisé s'il ne convient pas. Pour les grands systèmes, les coûts d'un forage d'essai et d'un essai de pompage sont de moindre importance ; des profondeurs plus importantes (jusqu'à 50 m) sont ici économiquement justifiables. Les critères les plus importants pour une décision de système et une planification préliminaire sont résumés ci-dessous :

• Approbation selon la loi sur la gestion de l'eau (WHG) par l'autorité inférieure des eaux

• Distance entre les puits d'aspiration et d'aspiration : au moins 15 m dans le sens d'écoulement de la nappe phréatique

• Distance minimale recommandée entre les forages et les bâtiments existants : 2 m

• La stabilité des bâtiments ne doit pas être mise en danger.

Disponibilité

• Toute l'année

Possibilité d'utilisation

• monovalent

• monoénergétique

• bivalent (alternatif, parallèle, partiellement parallèle)

• régénérative bivalente

Effort de développement

• Procédure d'approbation (autorité inférieure des eaux)

• Puits de refoulement / puits d'absorption avec fermeture hermétique des têtes de puits

• Qualité de l'eau (analyse de l'eau)

• Irrigation, Tuyauterie

• Puits pompe

• Terrassement / travaux de construction

Consignes d'entretien Afin de garantir un fonctionnement sûr de la pompe à chaleur, celle-ci doit être entretenue à intervalles réguliers. Les travaux suivants peuvent également être effectués sans formation particulière :

• Nettoyage de l'intérieur de la pompe à chaleur

• Nettoyage du circuit primaire (piège à poussière, filtre à particules, ...)

De plus, l'étanchéité de la pompe à chaleur et le fonctionnement du circuit frigorifique doivent être contrôlés à intervalles réguliers.

Les travaux sur les composants transportant du réfrigérant ne doivent être effectués que par du personnel dûment formé et instruit.

4.1.1 Informations de dimensionnement - eau de source de chaleur

La source de chaleur de la pompe à chaleur eau/eau doit être conçue pour la puissance frigorifique de la pompe à chaleur. Celle-ci peut être calculée à partir de la puissance de chauffage moins la puissance électrique absorbée de la pompe à chaleur au point de conception. La règle de base pour la source de chaleur est que la puissance Q transférée à l'évaporateur de la pompe à chaleur₀ doit fournir. Ce qui suit s'applique : Sortie évaporateur Q₀ (kW_e) = Puissance calorifique Q_C. (kW_e) - consommation électrique du compresseur P_el (kW_el)

Lors du remplacement d'une ancienne pompe à chaleur par un modèle plus récent, la puissance de la source de chaleur doit donc être vérifiée et, si nécessaire, ajustée à la nouvelle puissance de refroidissement.
Dimensionnement de la pompe de puits

Le débit volumique d'eau dépend des performances de la pompe à chaleur et est véhiculé par la pompe de puits. En fonction de la puissance, le débit massique doit être sélectionné de manière à ce qu'à la température la plus basse de la source de chaleur (7 ° C), il y ait une température répartie dans l'évaporateur de 2 à 3 Kelvin. Le débit d'eau indiqué dans les informations sur l'appareil de la pompe à chaleur correspond à un écart de température de la source de chaleur d'environ 3 K. En plus du débit volumique, les pertes de charge dans le système de puits et les données techniques du fabricant de la pompe doivent être pris en compte. Ce faisant, les pertes de charge dans les canalisations, les éléments internes et les échangeurs de chaleur connectés en série doivent être ajoutées.

** La contre-pression correspond à la compression libre de la pompe du puits au point de fonctionnement moins la différence de pression entre le point le plus haut du système de puits et le niveau d'eau (niveau) dans le puits (manomètre).
Différence de température source de chaleur eau souterraine

La Water Management Act (WHG) définit la différence entre la température d'entrée et de sortie d'une pompe à chaleur eau/eau. Ces valeurs sont définies comme suit :

• Variation admissible de la température de l'eau à introduire par rapport à la température d'extraction de la nappe phréatique : +/- 6 K

• Température minimale de l'eau à introduire : 5°C

• Température maximale de l'eau à introduire : 20°C

4.1.2 Aménagement de la nappe phréatique source de chaleur

D'une profondeur de puits de 8 à 10 m, la source de chaleur à eau souterraine est adaptée au fonctionnement de la pompe à chaleur monovalente, car celle-ci ne présente que de légères fluctuations de température (7-12 ° C) toute l'année. En principe, l'approbation de l'autorité responsable de l'eau doit être disponible pour l'extraction de chaleur des eaux souterraines. Il est généralement délivré en dehors des zones de protection des eaux, mais est lié à certaines conditions, comme une quantité maximale de prélèvement ou une analyse d'eau. Le montant prélevé dépend de la puissance de chauffage. Pour le point de fonctionnement W10 / W35, le tableau 4.1 contient les quantités de soutirage requises. La planification et la construction du système de puits avec puits de distribution et d'absorption doivent être confiées à une entreprise de forage certifiée par l'association internationale des pompes à chaleur avec un sceau d'approbation ou agréée selon DVGW W120. En Allemagne, VDI 4640 feuilles 1 et 2 doivent être pris en compte.

¹ Échangeur de chaleur spiralé en acier inoxydable de série ! ² Faites attention à la contre-pression du système de puits afin d'éviter d'endommager les paliers de la pompe de puits !
Tab.4.1 : Tableau de dimensionnement des pompes de puits minimales requises pour les pompes à chaleur eau / eau pour W10 / W35 pour les systèmes standard avec puits fermés. La définition finale de la pompe de puits doit être faite en consultation avec le constructeur de puits.

4.2 Exigences de qualité de l'eau

Indépendamment des réglementations légales, l'eau souterraine ne doit contenir aucune substance durcissable et les valeurs limites de fer (<0,20 mg/l) et de manganèse (<0,10 mg/l) doivent être respectées afin d'éviter que le système de source de chaleur ne devienne bouché. L'expérience montre que les salissures avec des granulométries supérieures à 1 mm, en particulier avec des composants organiques, peuvent facilement entraîner des dommages. Les matériaux granuleux (sable fin) ne se déposent pas si les débits d'eau spécifiés sont respectés. Le collecteur d'impuretés compris dans la livraison de la pompe à chaleur (taille de maille 0,6 mm) protège l'évaporateur de la pompe à chaleur et doit être installé directement à l'entrée de la pompe à chaleur.

L'utilisation d'eaux de surface ou d'eaux salées n'est pas autorisée. Les premières informations sur une utilisation possible des eaux souterraines peuvent être obtenues auprès de la société locale de distribution d'eau.

1. Pompes à chaleur eau/eau avec échangeur de chaleur spiralé en acier inoxydable soudé (Tab.4.1)
   Une analyse de l'eau concernant la corrosion de l'évaporateur n'est pas nécessaire si la température moyenne annuelle de la nappe phréatique est inférieure à 13°C. Dans ce cas, seules les valeurs limites pour le fer et le manganèse doivent être respectées (formation d'ocre). A des températures supérieures à 13°C (par exemple récupération de chaleur perdue), une analyse de l'eau doit être effectuée conformément au Tab.4.2 et la résistance de l'évaporateur en acier inoxydable de la pompe à chaleur doit être vérifiée. Si une caractéristique est négative « - » ou deux caractéristiques sont « 0 » dans la colonne « Acier inoxydable », l'analyse doit être évaluée comme « Négative ».

2. Pompes à chaleur eau/eau avec échangeurs à plaques en acier inoxydable brasé cuivre Indépendamment des dispositions légales, une analyse de l'eau selon le tableau 4.2 doit être effectuée afin de prouver la résistance de l'évaporateur soudé au cuivre de la pompe à chaleur. Si une caractéristique est négative « - » ou si deux caractéristiques sont « 0 » dans la colonne « Cuivre », l'analyse doit être évaluée comme « Négative ».

Tab 4.2 : Résistance des échangeurs de chaleur à plaques en acier inoxydable brasées ou soudées au cuivre aux constituants de l'eau « + » généralement une bonne résistance ; « 0 » Des problèmes de corrosion peuvent survenir, surtout si plusieurs facteurs sont notés 0 ; "-" ne doit pas être utilisé ; [<inférieur à,> supérieur à]

Même si les valeurs limites pour la qualité de l'eau spécifiées dans le tableau 4.2 sont respectées, des dépôts constants de fer, de manganèse et de chaux peuvent altérer les performances de la pompe à chaleur, jusqu'à et y compris une défaillance complète du puits et du système de pompe à chaleur . Par conséquent, le système de puits doit être vérifié régulièrement et, si nécessaire, le système de pompe de puits doit être nettoyé.

4.3 Développement de la source de chaleur

4.3.1 Utilisation directe d'une eau de bonne qualité constante

L'eau dont la température est comprise entre 7 °C et 25 °C peut être utilisée directement avec une pompe à chaleur eau/eau si la compatibilité des eaux souterraines, de l'eau de refroidissement ou des eaux usées a été prouvée conformément au tableau 4.2. En cas d'évaluation négative de la qualité de l'eau ou si la qualité de l'eau change, une pompe à chaleur avec un circuit intermédiaire (voir paragraphe 4.3.2 et suiv.) doit être utilisée.

4.3.1.1 Source de chaleur eau souterraine

Puits d'extraction L'eau souterraine, que la pompe à chaleur utilise comme source de chaleur, est prélevée dans le sol via un puits. La sortie du puits doit assurer une extraction continue pour le débit d'eau minimum à travers la pompe à chaleur.
Fontaine d'entrée L'eau souterraine refroidie par la pompe à chaleur est réinjectée dans le sol via un puits d'injection. Celui-ci doit être foré à au moins 15 m derrière le puits de livraison dans le sens de l'écoulement de la nappe phréatique afin d'exclure un "court-circuit d'écoulement". Le puits de prise doit pouvoir absorber la même quantité d'eau que le puits de livraison peut livrer.

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Fig. 4.1 : Exemple d'intégration de la pompe à chaleur eau/eau avec puits de refoulement et d'absorption

4.3.1.2 Chaleur résiduelle de la source de chaleur provenant de l'eau de refroidissement

Écart de température
Lors de l'utilisation d'eau à des températures comprises entre 8 ... 25 ° C, il faut d'abord déterminer si l'eau de refroidissement est disponible en qualité et en quantité suffisantes et dans quelle mesure la chaleur générée par la pompe à chaleur peut être utilisée. Si la compatibilité du refroidissement ou des eaux usées selon le tableau 4.2 est assurée en permanence, une pompe à chaleur eau/eau peut être utilisée.

4.3.2 Utilisation indirecte de l'eau comme source de chaleur

Si la compatibilité de l'eau ne peut pas être prouvée ou s'il existe un risque que la qualité de l'eau puisse changer, un échangeur de chaleur intermédiaire doit être raccordé en amont pour protéger la pompe à chaleur. Le circuit intermédiaire augmente la fiabilité de fonctionnement, notamment lorsqu'une pompe à chaleur eau glycolée/eau est utilisée et que le circuit secondaire est ainsi rempli d'eau glycolée. Une pompe à chaleur eau/eau avec un échangeur de chaleur intermédiaire ne doit être utilisée que si l'utilisation de saumure comme fluide caloporteur n'est pas autorisée et que des températures d'eau permanentes supérieures à 10 ° C (par exemple, la chaleur résiduelle des processus de production) peuvent être garanties.

4.3.3 Recommandation de planification échangeur de chaleur eau souterraine / circuit intermédiaire

Pompe à chaleur eau glycolée avec échangeur de chaleur à circuit intermédiaire (forfaits WSI)
(Utilisation des eaux souterraines, système fermé)
La température minimale de sortie de la saumure doit être réglée à > 1°C. Un thermostat doit être prévu dans le circuit source de chaleur qui arrête la pompe à chaleur en cas de défaut (thermostat à sangle inclus dans la livraison des packs WSI).
Pompe à chaleur à eau avec échangeur de chaleur à circuit intermédiaire
(Utilisation des eaux souterraines, système ouvert)
L'installation d'un commutateur de débit est recommandée car il peut y avoir des délais jusqu'à ce que suffisamment d'eau souterraine soit pompée ou le débit volumique peut chuter brusquement pendant le fonctionnement.
Pompe à chaleur à eau avec échangeur de chaleur à spirale en acier inoxydable pour les eaux souterraines
(Utilisation des eaux souterraines, système ouvert)
Un échangeur de chaleur à spirale en acier inoxydable ("Spirec") augmente la fiabilité du système de pompe à chaleur. L'utilisation d'un commutateur de débit (DFS) contribue à une augmentation supplémentaire de la sécurité de fonctionnement.

4.3.4 Échangeur de chaleur (Séparateur système) pour protéger la pompe à chaleur

L'extérieur L'échangeur de chaleur doit être prévu en fonction de la pompe à chaleur utilisée, du niveau de température existant et de la qualité de l'eau. Dans le cas le plus simple, l'échangeur de chaleur est constitué de tuyaux en PE qui sont posés directement dans la source de chaleur et ne nécessitent donc pas de pompe à chaleur supplémentaire. Cette alternative économique peut être utilisée si le volume de la source de chaleur est suffisamment grand (par exemple, bassin d'eaux usées, eau courante).
Sinon, des échangeurs de chaleur à plaques vissées doivent être utilisés.
L'échangeur de chaleur est configuré en fonction des paramètres suivants :

• La qualité d'eau

• Plage de température de fonctionnement

• Puissance frigorifique du type de pompe à chaleur utilisé

• Débit d'eau circuit primaire et secondaire

Selon la version du logiciel de la régulation de pompe à chaleur, la protection antigel d'une pompe à chaleur eau glycolée/eau peut être réglée. Si la valeur standard est augmentée de -8°C à +4°C, la pompe à chaleur s'éteint à des températures de sortie d'eau glycolée inférieures à +4°C.
Montage de l'échangeur de chaleur Pour un transfert de chaleur optimal, les échangeurs de chaleur doivent être raccordés selon le principe à contre-courant. Ils doivent également être protégés de la contamination. A cet effet, un collecteur d'impuretés avec un maillage d'environ 0,6 mm doit être installé devant l'entrée de l'échangeur de chaleur. Des compensateurs doivent être utilisés pour réduire la transmission des bruits solidiens et des vibrations (ex : pompes à chaleur...).
Maintenance des échangeurs de chaleur Selon le degré de contamination de l'eau, l'échangeur de chaleur peut s'encrasser, ce qui réduit sa capacité de transmission. Un nettoyage régulier doit avoir lieu pour éviter cela. Par exemple, le processus dit CIP (nettoyage en place) est utilisé. L'échangeur de chaleur est rincé sur place avec un acide faible tel que l'acide formique, citrique ou acétique pour éliminer les dépôts.

* Suggestion pour une pompe de puits ** Contrôle avec signal d'entrée 0 - 10V absolument nécessaire
Tableau 4.3 : Tableau récapitulatif des pompes à chaleur eau / eau à 2 compresseurs avec pompes de circuit de générateur (compris dans la livraison de la pompe à chaleur) et les pompes de puits minimales requises pour W10 / W35 pour les systèmes standard avec puits fermés. La définition finale de la pompe de puits doit être faite en consultation avec le constructeur de puits.

4.3.4.1 Échangeurs de chaleur à plaques en acier inoxydable WTE 20 à WTE 40

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Fig.4.2 : WTE 20 - WTE 37

Fig.4.3 : WTE 40

Informations sur l'appareil échangeur de chaleur à plaques en acier inoxydable

Tab.4.4 : Caractéristiques techniques des échangeurs de chaleur à plaques vissées en acier inoxydable WTE 20 - WTE 40

4.3.4.2 Échangeurs de chaleur à plaques en acier inoxydable WTE 50 à WTE 130

Informations sur l'appareil échangeur de chaleur à plaques en acier inoxydable

Tab.4.5 : Caractéristiques techniques des échangeurs de chaleur à plaques vissées en acier inoxydable WTE 50 - WTE 130

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