Pompe à chaleur

Une pompe à chaleur est un système thermodynamique servant à transférer la chaleur du milieu le plus froid vers le milieu le plus chaud, tandis que, naturellement, la chaleur se diffuse du plus chaud vers le plus froid jusqu'à l'égalité des températures.



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Une pompe à chaleur (PAC) est un système thermodynamique servant à transférer la chaleur du milieu le plus froid (et par conséquent le refroidir toujours) vers le milieu le plus chaud (et par conséquent de le chauffer), tandis que, naturellement, la chaleur se diffuse du plus chaud vers le plus froid jusqu'à l'égalité des températures. Le réfrigérateur est le dispositif de PAC le plus connu. Le climatiseur est un autre dispositif de PAC courant. Les pompes à chaleur des climatisations sont quelquefois réversibles contrairement aux réfrigérateurs.

Mais le terme de «pompe à chaleur» s'est en particulier diffusé pour désigner la pompe à chaleur géothermique ou la pompe à chaleur air-eau, dispositif de chauffage domestique popularisé en France suite au premier choc pétrolier en 1973. Dans certains pays, dont la France, des incitations fiscales soutiennent la diffusion de certains modèles de pompe à chaleur air-eau. Ces dispositifs regagnent en popularité depuis l'an 2000, surtout à cause de l'augmentation du prix du pétrole et de préoccupations écologiques.

Principe

Le principe de fonctionnement d'une PAC est précisément celui d'un réfrigérateur.

Tandis qu'un réfrigérateur transfère la chaleur pour rafraîchir son atmosphère intérieure, la PAC transfère la chaleur de l'air extérieur pour l'injecter au sein de la maison. Car l'air, même froid, contient de la chaleur.

On définit deux milieux : la source froide (d'où on extrait l'énergie) et la source chaude (où on la réinjecte). La température réelle des sources n'intervient pas dans cette définition, quoique le système soit en particulier intéressant dans le cas où la source chaude a une température plus élevée que la source froide[1]

Un circuit frigorifique transfère l'énergie grâce au changement d'état (liquide / gaz) du fluide utilisé (cf. enthalpie). Le moto-compresseur assure la compression du fluide dans le condenseur (source chaude) pour que le changement d'état souhaité se produise à une température élevée. La pression du fluide est alors réduite au moyen d'un «détendeur» (terme impropre car on agit sur la phase liquide, incompressible : l'expression réducteur de pression est plus correcte) avant d'entrer dans l'évaporateur (source froide) pour que le changement d'état voulu se produise à basse température. L'inversibilité du cycle peut être obtenue au moyen d'une vanne à quatre voies qui sert à choisir l'échangeur (voir ci-dessus) vers lequel la phase gazeuse est dirigée et , corollairement, l'échangeur alimenté par la phase liquide. Cette vanne (si elle existe) permet par conséquent de choisir quelle source sera froide (ou chaude).

La température de la source froide doit obligatoirement être supérieure à la température d'évaporation du fluide et celle de la source chaude inférieure à celle de condensation du fluide pour que ces changements d'état se produisent. Dans le cas opposé, les changements d'état ne se produiraient pas et l'efficacité du circuit frigorifique ne serait qu'au mieux de 1 ou 0 (voir formules ci-dessous).

On définit l'efficacité η d'une PAC par le rapport de l'énergie «utile» (la chaleur restituée à la source chaude) sur le travail, énergie apportée à la PAC :

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Mais η peut être inférieur à 1 si on ne considère que la chaleur transférée par le condenseur (la différence pouvant par exemple être évacuée par le refroidissement forcé du compresseur).

Dans le cas d'une machine frigorifique (par exemple un réfrigérateur), l'énergie «utile» est la chaleur prise à la source froide :

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L'efficacité d'une pompe à chaleur décroît avec l'écart de température entre sources et est limitée par la deuxième loi de la thermodynamique.

En pratique, les vendeurs de pompes à chaleur annoncent le plus souvent le rapport entre la puissance thermique de leur machine et sa consommation électrique. On lui donne par convention le nom de cœfficient de performance ou COP. En outre, des contraintes techniques limitent les températures de fonctionnement : impossible de rejeter de l'eau pure à moins de 0°C, phénomène de givrage (source froide)  ; haute pression limitée par la résistance mécanique du circuit'haute pression' (source chaude)  ; transfert effectif d'énergie à chaque source (dimensionnement et encrassement des échangeurs).


COP_{\mathrm{chaud}} = \frac{\ Q_{\mathrm{chaud}}}{\Delta A} \leq \frac{T_{\mathrm{chaud}}}{T_{\mathrm{chaud}}-T_{\mathrm{froid}}} = \frac{1}{\eta_{\mathrm{cycle Carnot}}}

COP_{\mathrm{froid}} = \frac{\ Q_{\mathrm{froid}}}{\Delta A} \leq \frac{T_{\mathrm{froid}}}{T_{\mathrm{chaud}}-T_{\mathrm{froid}}}

Le cycle de Carnot est le cycle ditherme présentant la meilleure efficacité. Les températures T sont exprimées en Kelvin. T[K]= T[°C] + 273, 15 soit par exemple T = 290, 15 K pour 17 °C.

Calcul du COP chaleur : pour un chauffage domestique, le maximum théorique est de l'ordre de 15 (en pratique, le COP brut des machines aujourd'hui en vente est de 3 à 5). Précisons que l'énergie absorbée par tout le dispositif doit aussi comprendre l'énergie absorbée par ses satellites (ventilateurs, pompes, ... ) pour que le COP calculé soit "réaliste".

Les différents dispositifs

Certaines PAC ont pour source froide l'air extérieur ou rejeté par la ventilation (air-air ou air-eau), d'autres un circuit d'eau (eau-eau, plus rarement eau-air). La source chaude est définie par le deuxième terme et consiste soit en un circuit d'eau, soit en l'air du volume habitable.

Les PAC utilisant la chaleur du sol sont nommées pompe à chaleur géothermique. Cette appellation peut prêter à confusion avec le chauffage urbain géothermique qui utilise la chaleur à haute température du sous-sol profond, mais c'est un dispositif particulièrement différent. Un capteur de sol est fréquemment constitué d'un circuit d'eau glycolée enterré en moyenne à soixante-dix centimètres de profondeur, généralement sous un jardin. Ces dispositifs sont utilisés pour transférer de l'énergie du sol vers une habitation, pour les besoins en chauffage l'hiver. Ces dispositifs sont économiques comparé au prix d'installation d'une PAC et plus performants.

Le chauffage au sol dans l'habitat, alternative aux radiateurs respectant les traditions, est une bonne source chaude car il ne nécessite pas une température élevée. Dans le cas contraire, les radiateurs doivent être surdimensionnés pour pouvoir fonctionner à "basse température". S'ils ne le sont pas, une autre source d'énergie sera indispensable pour augmenter la température du circuit et assurer leur fonctionnement (voir limitation de la température dans le chapitre précédent).

D'autres pompes à chaleur qui utilisent l'air comme source froide (refroidissement de l'air pour chauffer de l'eau de piscine par exemple) mais le rendement est moindre et la période de fonctionnement est plus restreinte. Les risques de givrage peuvent être importants quand la température de l'air extérieur est basse et l'hygrométrie élevée. L'investissement peut par contre être bien moindre.

Les dispositifs vendus au grand public ont une puissance thermique de 15 à 20 kW ce qui est équivalent à la gamme basse de puissances des chaudières au gaz ou au fioul.

Certains modèles sont réversibles, c'est-à-dire capables de transférer de la chaleur de la maison vers l'extérieur. Ces machines ont l'avantage de pouvoir servir de climatisation si les échangeurs de chaleur s'y prêtent : le plancher chauffant a une capacité assez limitée à devenir plancher rafraîchissant mais les radiateurs ne conviennent pas (question d'aire d'échange et de génération de condensats)  : il faut les remplacer par des ventilo-convecteurs nettement plus coûteux et générant d'autres contraintes (alimentation électrique, évacuation des condensats, bruit généré).

Les pompes à chaleur air/air peuvent utiliser l'air issu d'un puits canadien (ou puits provençal) pour alimenter l'entrée d'air et perfectionner ainsi leur efficacité. Dans la pratique, le débit d'air brassé réduit particulièrement fortement cet intérêt : le puits canadien ou provençal n'est efficace qu'avec un débit et une vitesse d'air limités.
En général, un puits canadien sert plutôt à réchauffer un tant soit peu l'air neuf admis dans le bâtiment. Avec de tels débits d'air, il vaut mieux récupérer l'énergie sur l'air rejeté et , peut-être, réchauffer l'air neuf avec l'énergie récupérée. Il existe des PAC à double flux air-air qui exécutent cet échange tout en assurant les débits d'air et par conséquent le renouvellement d'air contrôlé à l'intérieur du bâtiment.


Cœfficient de performance et performance économique d'une PAC

Le cœfficient de performance (ou "COP") est de l'ordre de 5 sur les modèles avec l'eau comme source froide et 3 pour les dispositifs air-eau installés à l'heure actuelle : cela veut dire que pour 1 kWh d'électricité consommé, la maison recevra respectivement 5 kWh ou 3 kWh de chaleur. Mais lorsqu'il s'agit de chauffer, il convient de compter à l'inverse : pour obtenir 1 kWh de chaleur, il faudra apporter 1/5 ou 1/3 kWh d'électricité, sachant qu'on obtiendra respectivement 4/5 et 2/3 de puissance calorifique gratuite.

Ainsi, au contraire de ce qu'on pourrait croire, un dispositif de COP double n'est pas deux fois meilleur à l'usage : la proportion d'énergie gratuite dépend de l'inverse du COP et n'augmente que comme l'inverse du carré du COP, autrement dit de plus en plus lentement. La rentabilité des gains de performances est fortement décroissante : quatre appareils de COP respectif 2, 3, 4 et 5 fournissent respectivement 50 %, 67 %, 75 % et 80 % d'énergie gratuite, ce qui veut dire qu'on gagne 50 % (comparé à un radiateur électrique par exemple) en adoptant le premier, uniquement 17 % qui plus est en adoptant le second, 8 % supplémentaires avec le troisième, et enfin 5 % qui plus est avec le dernier. Entre une PAC de COP 3 et une autre de COP 5, le gain n'est que de 13 % sur la facture de référence, sans PAC, tandis que la différence de prix est énormément plus grande.

Le COP de toute pompe à chaleur augmente avec la température de la source froide et diminue avec celle de la source chaude, il peut atteindre 5 à 7 en été pour de l'eau de piscine (air à 25 °C pour de l'eau à 28 °C) mais inférieur à 3 en hiver (les valeurs normalisées données par les fabricants sont pour un air à 7 °C et de l'eau de chauffage à 35 °C). Le COP n'a de signification qu'à températures de source froide et de source chaude données ; il ne peut jamais être identique à 1, même pour les particulièrement basses températures extérieures (< -15 °C)[2]. La courbe de COP selon la température extérieure et de l'eau de chauffage est par conséquent à prendre en compte pour décider de l'opportunité d'installation et évaluer les performances.

Fonctionnement de la PAC

La pompe à chaleur géothermique, aussi nommée géothermie domestique, utilise la chaleur contenue dans le sol pour alimenter un réseau de chauffage comme un plancher chauffant ou des radiateurs. Voir ci-dessous Circuit de captage.

Ce principe, connu depuis une vingtaine d'années, a subi de notables évolutions techniques qui lui permettent de rivaliser avec les moyens de chauffage "respectant les traditions". Une PAC dite réversible permet surtout au plancher de devenir rafraîchissant en période estivale.

La pompe à chaleur à eau "traditionnelle" utilise une source d'eau : puits, rivière, lac, ruisseau, eaux souterraines, il faut vérifier que cette source est disponible en quantité suffisante, que son utilisation est autorisée (administration des eaux et services sanitaires) et que le rejet ou retour d'eau refroidie s'effectue dans des conditions acceptables pour l'environnement. Néanmoins, un échangeur est conseillé entre la source d'eau brute et le circuit'source froide'pour des questions de corrosion et d'encrassement.

La pompe à chaleur à air utilise l'air extérieur, toujours disponible en abondance et sans problèmes de rejet, mais son brassage peut être bruyant et sa température est particulièrement variable et handicape le dispositif lorsque les besoins de chauffage sont grands.

Circuit de captage

Pour les habitations individuelles ou les petits immeubles, la majorité des pompes à chaleur "géothermiques" captent l'énergie du sol par un circuit constitué de tuyaux de polyéthylène. Il existe deux types de captage :

Le circuit de captage de la pompe à chaleur à air est le plus souvent absent lorsque la pompe est extérieure : elle aspire et rejette dans son environnement; certains modèles intérieurs ou dans des locaux techniques aspirent et rejettent par des conduits. Les capteurs distant doivent néanmoins être raccordés par le ciruit frigorifique chargé de fréon.

Le circuit de captage de la pompe à chaleur à eau est constitué d'une pompe de circulation, d'un point de prélèvement avec crépine et filtre et d'un rejet.

L'appareil de la PAC

Schéma de principe d'une PAC à détente directe

L'appareil, qui prélève de la chaleur à la source froide grâce au circuit de captage, dispose de quatre organes principaux (cf. schéma ci-contre)  :

  1. le condenseur (source chaude)  : le fluide frigorigène libère sa chaleur au fluide secondaire (eau, air... ) en passant de l'état gazeux à l'état liquide, .
  2. le détendeur : il diminué la pression du fluide frigorigène en phase liquide.
  3. l'évaporateur (source froide)  : la chaleur est prélevée au fluide secondaire pour vaporiser le fluide frigorigène.
  4. le compresseur : actionné par un moteur électrique, il élève la pression et la température du fluide frigorigène gazeux en le comprimant

Il existe deux technologies différentes :

Il existe aussi des dispositifs mixtes. Schémas d'une pompes à chaleur

Le circuit de chauffage

On utilise essentiellement trois types d'émetteurs de chauffage :

Il est important de retenir que les pompes à chaleur n'offrent une efficacité intéressante qu'à la condition d'être reliées à des émetteurs dimensionnés pour des températures basses. En effet, les cœfficients de performance annoncés par certaines publicités à des températures d'eau élevées sont fantaisistes. Les radiateurs peuvent quelquefois être ré-utilisés s'ils sont adaptés au chauffage à basse température ; ce peut être le cas pour des installations anciennes dimensionnées pour un fonctionnement en thermosiphon : les dimensions de canalisations et de radiateurs peuvent permettre de chauffer à basse température avec un débit particulièrement supérieur à celui du thermosiphon grâce aux accélérateurs modernes. Il est aussi envisageable de redimensionner certains radiateurs selon le besoin propre au local concerné pour compenser la baisse de température par une surface d'émission supérieure. C'est la solution retenue le plus fréquemment en cas de rénovation d'une installation existante.

Fonctionnement d'une pompe à chaleur géothermique à fluides intermédiaires

Animation d'une pompe à chaleur sur le site froid-clim. new. fr animation d'une pompe à chaleur

Cycle thermodynamique

Le fluide circulant dans une pompe à chaleur subit un cycle de transformation composé de quatre étapes :

Fluide frigorigène

Les fluides frigorigènes les plus fréquemment utilisés pour les PAC sont :

Marché

Un total de 53 510 pompes à chaleur domestiques ont été installées en France en 2006 contre uniquement un millier en 1997. Ce chiffre autorise ce pays de devenir le second marché européen pour cet appareil derrière la Suède mais devant l'Allemagne et la Suisse. Cependant, dans le pays nordique, 95 % des maisons neuves en sont équipées contre uniquement 10 % en France où, néenmoins, le marché double de valeur d'une année sur l'autre[3].

Le gouvernement français offre un crédit d'impôt à hauteur de 40% sur le matériel plafonné à une valeur de 16 000 € pour un couple marié et 8 000 € pour un célibataire ou un couple non marié. La date limite prévue de cette aide est fin 2009. Ce crédit d'impôt est désormais exclusivement lié au seul coût du bloc principal de la pompe à chaleur et hors pose. Et ne couvre que les PAC geothermique et les PAC air/eau, a partir du 1 janvier 2009 les PAC Air/air ne sont plus prise en charge. Par ailleur a partir de 2010 les PAC ne seront plus couverte qu'à 25% sauf pour les renovation de bâtiment achevé avant le 1er janvier 1977 et si les travaux sont réalisés dans les deux ans suivant l'achat, ou là le credit d'impot pourra être de 40%.

Notes et références

  1. Le cas inverse se présente surtout quand on dégèle ou dégivre un évaporateur en inversant le cycle. Voir les explications dans la suite.
  2. Exception faite du cas où l'évaporateur est totalement givré et ne récupère plus rien et de celui où le fréon ne s'évapore plus à si basse température.
  3. «Pompes à chaleur : la France rattrape son retard», Novethic. fr, 24 août 2007

Voir aussi

Liens et documents externes

Recherche sur Amazone (livres) :



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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 17/05/2009.
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