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Qu'est ce qu'une pompe à chaleur ?

Écrit par adrien. Posté le Lundi 31 décembre 2012 @ 13:59:20 par adrien

Une pompe à chaleur (PAC) c'est :

un dispositif thermodynamique permettant de transférer une quantité de chaleur d'un milieu considéré comme "émetteur" (milieu fournisseur ) vers un milieu "récepteur" de calories. Selon le sens de ce transfert, la pompe à chaleur peut fonctionner soit comme un "radiateur" soit comme un "réfrigérateur" (cycle frigorifique).

 



Différents appareils utilisent le principe de pompe à chaleur pour leur fonctionnement : le réfrigérateur ou le climatiseur par exemple sont des pompes à chaleur. La pompe à chaleur est aussi utilisée dans le cadre de la thermique du bâtiment pour la climatisation de ceux-ci.

Le système peut être optimisé et même renforcé en le combinant à une autre source d'énergie, photovoltaïque, permettant une amélioration des rendements respectifs, comme l'a montré l'expérimentation (+ 20 % de rendement à Chambéry en Savoie). C'est un des moyens (breveté en France sous le nom «Aedomia») d'atteindre la "basse consommation" voire le bâtiment à énergie positive ; La chaleur accumulée par les panneaux photovoltaïques peut être récupérée pour améliorer le rendement d'une pompe à chaleur, elle-même alimentée par l'électricité produite. De plus le module photovoltaïque produit plus d'électricité quand il est ainsi réfrigéré. Un stockage intermédiaire de calories (ballon d'eau chaude) est nécessaire, car les pompes à chaleur classiques s'arrêtent (sécurité) au-dessus de 40 °C alors que l'air chauffé par le soleil peut atteindre 50 °C



Généralité

On définit deux milieux : la source froide (d'où l'on extrait la chaleur) et la source chaude (où on la réinjecte). La température réelle des sources n'intervient pas dans cette définition, bien que le dispositif soit surtout utilisé dans le cas où la source chaude a une température plus élevée que la source froide[] Un circuit frigorifique transfère l'énergie thermique grâce au changement d'état (liquide/gaz) du fluide qu'on oblige à circuler à l'intérieur

Coefficient de performance d'une PAC

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

L'efficacité peut être inférieure à 1 s'il rend moins de chauffage qu'il n'en consomme en énergie. Généralement une bonne partie de l'énergie est restituée en chauffage si l'appareil est situé dans le volume chauffé. Un chauffage à résistance électrique simple a une efficacité de 1.

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

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 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).


Le cycle de Carnot est le cycle diatherme 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.

Les pompes à chaleur sont décrites par le rapport entre la puissance thermique de leur machine et sa consommation électrique. On lui donne par convention le nom de coefficient de performance, dit couramment le « COP ». Le COP est le nombre de kWh produit pour 1 kWh consommé. Ainsi, une pompe à chaleur ayant un COP égal à 3 produit 3 kWh de chaleur par kWh consommé.

Pour la même puissance de chauffe une pompe à chaleur de COP 4 consomme deux fois moins d'énergie qu'une pompe à chaleur de COP 2.

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 égal à 1, même pour les très basses températures extérieures (< -15 °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 actuellement en vente est de 3 à 5). Précisons que l'énergie absorbée par tout le système doit également comprendre l'énergie absorbée par ses satellites (ventilateurs, pompes…) pour que le COP calculé soit « réaliste ». De plus, le COP dépend des conditions de température de l'environnement dans lequel l'évaporateur absorbe la chaleur. De ce fait, la pompe à chaleur air/eau par exemple présentera par exemple un COP de 3,5 par +7 °C et de 2 à 0 °C extérieur. Notons que les PAC air/eau présentent des COP plus faibles que les PAC géothermiques sol/eau ou eau/eau. Le sol géothermique et l'eau de nappe présentent une température moyenne plus stable (et non négative) comparativement à l'air. Du fait de ses variations de valeurs de COP, on préfère parler de COP saisonnier ou de COP global annuel pour matérialiser la performance annuelle d'une pompe à chaleur.

 

 

Les différents systèmes

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. Toutes les pompes à chaleur sont équipées d'un régulateur qui contrôle les demandes d'énergies en fonction des besoins de l'utilisateur.

Pompe à chaleur géothermique

Les PAC utilisant la chaleur du sol sont appelées 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 système très différent. Il existe principalement trois types de captages:

  • le captage horizontal au sol (faible profondeur et grande surface)
  • le captage vertical au sol (petite surface et grande profondeur généralement autour de 100 m)
  • le captage vertical sur nappe phréatique (installation en profondeur pour puiser l'eau d'une nappe phréatique)

Le capteur de sol est constitué d'un circuit dans lequel circule un fluide frigorigène ou de l'eau glycolée enterré en moyenne entre 70 cm et 1 m de profondeur, en général dans un jardin. Ces systèmes sont utilisés pour transférer de l'énergie du sol vers une habitation, entre autres pour les besoins en chauffage l'hiver. Ces systèmes sont économiques par rapport au prix d'installation d'une PAC et plus performants.

Le chauffage au sol dans l'habitat (plancher chauffant), alternative aux radiateurs traditionnels, permet une performance optimale car il ne nécessite pas une température élevée. Dans le cas de radiateurs, il est préférable que ceux-ci soient dimensionnés pour pouvoir fonctionner à « basse température ». S'ils ne le sont pas, une autre source d'énergie sera nécessaire pour augmenter la température du circuit et assurer leur fonctionnement (voir limitation de la température dans le chapitre précédent).

Pompe à chaleur air/air

D'autres pompes à chaleur 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 lorsque la température de l'air extérieur est basse et l'hygrométrie élevée. L'investissement peut en revanche être bien moins important.

Les systèmes 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 inversibles (ou, improprement: "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 relativement 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).

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 améliorer ainsi leur efficacité. Dans la pratique, le débit d'air brassé réduit très 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, éventuellement, réchauffer l'air neuf avec l'énergie récupérée. Il existe des PAC à double flux air-air qui réalisent cet échange tout en assurant les débits d'air et donc le renouvellement d'air contrôlé à l'intérieur du bâtiment.

Une pompe à chaleur ordinaire fonctionne uniquement en mode tout ou rien, c'est-à-dire qu'elle s'arrête lorsque la température souhaitée est atteinte et redémarre dès que l'installation demande de la chaleur. Par contre, une pompe à chaleur à variateur électronique (vendue sous le nom de : inverter) adapte sa puissance en fonction des besoins thermiques de l'installation. Pour cela, elle fait varier la vitesse du moteur du compresseur.

Ce mot inverter (qui signifie onduleur en anglais) prête a confusion avec réversible.

Fonctionnement de la PAC

Pour comprendre le fonctionnement d'une pompe à chaleur (PAC) qu'elle soit géothermique (utilisant la chaleur contenue dans le sol), aérothermique (celle contenue dans l'air) ou aquathermique (celle contenue dans l'eau des rivières où dans les nappes libres), il est nécessaire d'isoler le fluide caloporteur et d'appliquer le principe de conservation de l'énergie au cours d'un cycle. Ce principe permet de dire que les flux thermiques "rentrant" et "sortant" de ce fluide s'équilibrent au cours du cycle en ce sens que le flux thermique émis par le fluide à la source chaude lors de la réaction exothermique dans le condenseur est vue négativement par le fluide caloporteur alors que les deux formes d'énergie qu'il reçoit de l'extérieur, à savoir l'apport d'énergie primaire payante entretenant le cycle et l'apport thermique provenant de la source froide lors de la réaction endothermique dans l'évaporateur sont vues positivement par ce même fluide. Ce qui est vu négativement par le fluide caloporteur équilibre ce qui est vu positivement au titre de la loi sur la conservation de l'énergie.

Cette technique, connue depuis plus d'une trentaine d'années, a subi de notables évolutions techniques qui lui permettent de rivaliser voire de surpasser en termes de performances les moyens de chauffage « traditionnels ». Une PAC est dite réversible (ou inversible) lorsque le circuit du fluide caloporteur comprend une valve 3 voies permettant d'inverser les fonctions du condenseur et de l'évaporateur ce qui permet dans une faible mesure dans le cas du plancher de rafraîchir les pièces de vie en période estivale.

La pompe à chaleur aquathermique (à eau), la plus performante, 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), Le fait que le rejet ou retour d'eau soit plus froid que l'eau pompée à l'exhaure augmente la teneur en oxygène ce qui est favorable pour l'environnement et la vie aquatique

La pompe à chaleur aérothermique (à air) utilise l'air extérieur, toujours disponible en abondance en rejetant un air plus froid dans l'atmosphère. Le brassage de l'air peut être bruyant et sa température plus froide être handicap lorsque les besoins de chauffage sont importants.

Circuit de captage

Pour les habitations individuelles ou les petits immeubles, la plupart des pompes à chaleur « géothermiques » captent l'énergie du sol par un circuit constitué de tuyaux de cuivre recouvert de PE pour les installations avec fluide frigorigène ou de polyéthylène pour les installations à eau glycolée. Il existe deux types de captage :

  • capteurs horizontaux : enterré entre 60 et 120 centimètres de profondeur, le circuit est constitué de boucles (par exemple sous le jardin). La surface occupée par les capteurs dépend de la nature du sol, il peut occuper environ deux fois la surface à chauffer, soit par exemple 400 m2 pour une surface à chauffer de 200 m2. Cet espace peut être planté de gazon ou de petits arbustes, mais ne peut accepter d'arbres aux longues racines.
  • capteurs verticaux : le circuit comporte un tuyau formant une seule boucle verticale. Il nécessite un forage en profondeur (environ 80 m), ou en faible profondeur (environ 30 m) dans le cas d'un captage à détente directe. Plus coûteux, il présente l'avantage d'occuper moins de surface au sol. Les capteurs verticaux sont également appelés « sondes géothermiques ».

Le circuit de captage de la pompe à chaleur à air est généralement absent quand 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 distants doivent néanmoins être raccordés par le circuit frigorifique chargé de Fluide frigorigène.

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 réducteur de pression (souvent improprement appelé détendeur) : il réduit 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 :

  • la détente directe : elle se compose d'un seul circuit. Le fluide frigorigène passe directement dans le sol chauffant ou les convecteurs. Le circuit de captage joue le rôle d'évaporateur et le circuit de chauffage celui de condenseur. Cette technologie est couramment appelée sol/sol.
  • les systèmes indirects ou PAC eau glycolée : la PAC possède un circuit séparé pour le captage, la pompe à chaleur et le chauffage.

Il existe également des systèmes mixtes: le capteur géothermique contient du fluide frigorigène, les émetteurs de l'eau: PAC sol/eau.

Avantages et inconvénients des technologies:

  • Technologies sol/sol et sol/eau

Avantages: - L'échange thermique sol/fluide frigorigène est accru, ce qui permet une réduction de la longueur de l’échangeur. – pas d’échangeur supplémentaire eau/fluide frigorigène – pas de pompe de circulation requise puisque pas de circuit eau glycolée – pas de problème de purge en comparaison avec les systèmes indirects

Inconvénients: - la charge en fluide frigorigène peut être importante; notamment dans les technologies sol/sol. – pas adapté pour les terrains trop pentus (nécessité de pièges à huile)

  • Technologies à eau glycolée/eau

Avantages: - adapté aux terrains pentus – fonctionnement en free-cooling

Inconvénients: - le rendement est inférieur au rendement des PAC à détente directe : un échangeur supplémentaire eau glycolée/fluide frigorigène est nécessaire ainsi qu'une pompe de circulation.

- il existe un danger de pollution des nappes phréatiques dû au glycol. Dans cette optique, les entreprises d'installation devraient utiliser du monopropylène glycol. Celui-ci a une viscosité plus grande que le monéthylène glycol, est plus coûteux mais est de qualité alimentaire (selon les fabricants, biodégradable à 98 %). Cette précaution est parfois négligée par les fabricants de PAC eux-mêmes

 

Le circuit de chauffage

On utilise principalement trois types d'émetteurs de chauffage :

  • Le plancher chauffant
  • Les ventilo-convecteurs
  • Les radiateurs basse      température

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 coefficients de performance annoncés par certaines publicités à des températures d'eau élevées sont fantaisistes. Les radiateurs peuvent parfois être réutilisés 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 très supérieur à celui du thermosiphon grâce aux accélérateurs modernes. Il est également possible de redimensionner certains radiateurs en fonction du besoin propre au local concerné afin de compenser la baisse de température par une surface d'émission supérieure. C'est la solution retenue le plus couramment en cas de rénovation d'une installation existante.

 

Fonctionnement d'une pompe à chaleur géothermique à fluides intermédiaires

Cycle thermodynamique

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

  • À la sortie du compresseur, le fluide est sous forme gazeuse à haute pression et sa température est élevée.
  • Dans le condenseur, le fluide passe à l'état liquide et cède de l'énergie qui est transférée vers l'extérieur (circuit de chauffage) sous forme de chaleur.
  • À la sortie du condenseur, le fluide (liquide) voit sa température fortement diminuer.
  • Dans le détendeur, l'énergie du fluide (son enthalpie) reste constante.
  • À la sortie du détendeur, le fluide est à l'état liquide basse pression. Sa température baisse dès qu'il peut (un tant soit peu) s'évaporer.
  • Dans l'évaporateur, le fluide récupère de l'énergie sous forme de chaleur en s'évaporant. La pression reste constante et le fluide devient totalement gazeux.
  • À la sortie de l'évaporateur, le fluide est tempéré (environ 5 °C) et à faible pression.
  • Dans le compresseur, le gaz est  comprimé et passe donc d'une basse pression à une pression plus élevée grâce à l'énergie mécanique fournie par le compresseur. Sa température s'élève suivant la loi de Mariotte.


Fluide frigorigène

Article détaillé : fluide frigorigène.

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

  • le R407C
  • le R410A
  • le R134a, pour chauffe-eau thermodynamique

Les plus anciennes fonctionnent encore avec des gaz qui sont maintenant interdits dans les nouveaux équipements, comme le R22 qui ne sera plus commercialisé en Europe à partir de 2015. Ces fluides sont soumis à une récupération obligatoire du gaz dans une bouteille de transfert pour être traitée. Ces gaz sont nocifs pour la couche d'ozone.

Il existe également des PAC utilisant du CO2 supercritique comme fluide frigorigène, commercialisées sous le nom générique EcoCute. Encore peu diffusées en Europe, elles le sont de manière beaucoup plus large au Japon

La pompe à chaleur gaz naturel

Il existe deux types de pompes à chaleur gaz naturel :

  • Les PAC à compression gaz  naturel, appelées aussi les PAC moteur gaz,
  • Les PAC à absorption gaz naturel.

La PAC à absorption gaz fonctionne sur la base d'un cycle thermochimique avec l'énergie gaz :

  • principe: La pompe à chaleur à absorption gaz fonctionne sur le principe de l’absorption. Le chauffage direct au gaz permet le transfert de chaleur d’une source froide vers une source chaude via un fluide frigorigène, comme la pompe à chaleur électrique. La différence est que le cycle n’est pas à compression mécanique comme pour la pompe à chaleur électrique, mais de type thermochimique. Le fluide frigorigène est tout d’abord un fluide composé  d’un mélange eau/ammoniac, sans impact sur l’effet de serre, et le compresseur est si l’on peut dire remplacé par un brûleur gaz identique à une chaudière..
  • Le rendement est de l'ordre de  140 % à 170 % sur PCI et est relativement stable en fonction des  conditions extérieures.
  • Pour le moment les gammes de  puissances sont de l'ordre de 20 à 70 kW, ce qui oriente ce type de pompe à chaleur vers l'habitat collectif et le petit tertiaire.
  • Le coefficient de transformation d'énergie primaire étant de 1 pour le gaz naturel, (2,58 pour l'électricité), la pompe à chaleur gaz naturel présente une étiquette énergétique et environnementale intéressante pour les bâtiments BBC

Utilisation de la pompe à chaleur en thermique du bâtiment

Marché en France

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

Le gouvernement français proposait en 2009 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 ; ce plafond s'appréciant sur cinq années consécutives. Ce crédit d'impôt 2009 était exclusivement lié au seul coût du bloc principal de la pompe à chaleur, hors pose. Il couvrait les PAC géothermiques et les PAC air/eau ; depuis le 1er janvier 2009, les PAC air/air ne sont plus prises en charge.

À partir de janvier 2010, la loi de finances (LFR 2009 article 28 ter) prévoit un maintien du taux de 40 %, mais uniquement pour les PAC géothermiques et thermodynamiques (eau/eau), y compris la pose du capteur géothermique. Le crédit d’impôt applicable aux autres pompes à chaleur (autres que air/air et thermodynamiques) a été ramené de 40 à 25 %.

En 2011, l'Etat réduit le crédit d'impôt pompe à chaleur à 36 % pour les PAC géothermiques (y compris la pose des capteurs en sol) et de 22 % pour les pompes à chaleur aérothermiques autres que air/air. Le marché français de la pompe à chaleur est ainsi assujetti aux diverses lois de finances. Ainsi en France le nombre de PAC air-eau et géothermie passe de 153 000 unités en 2008 à 121 000 unités en 2009 et à 63 000 unités en 2010

 

 



Note : "

Source wikipedia.fr

"

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