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Pompe à chaleur

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

Mais le terme de « pompe à chaleur » s'est surtout diffusé pour désigner la pompe à chaleur géothermique ou la pompe à chaleur air-eau, système 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 systèmes regagnent en popularité depuis l'an 2000, notamment en raison de l'augmentation du prix du pétrole et de préoccupations écologiques.

Sommaire

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Principe [modifier]

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

Alors qu'un réfrigérateur transfère la chaleur pour rafraîchir son atmosphère intérieure, la PAC transfère la chaleur de l’air extérieur pour l'injecter à l’intérieur de la maison. Car l’air, même froid, contient de la chaleur.

On définit deux milieux : la source froide (d'où l'on extrait l'énergie) 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 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) afin 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 adéquate) 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 permet de 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 donc de choisir quelle source sera froide (ou chaude).

La température de la source froide doit nécessairement 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 contraire, 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 fournie à la PAC :

 \eta = - \frac{\ Q_{\mathrm{chaud}}}{\ W}\qquad \textrm{avec} \qquad \ Q < 0 \quad \textrm{ et } \quad \ W > 0 \quad \textrm{donnant} \quad 1\; \leq\; \eta\; < \infty

Mais η peut être inférieur à 1 si l'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 :

 \eta = \frac{\ Q_{\mathrm{froid}}}{\ W}\qquad \textrm{avec} \qquad \ Q > 0 \quad \textrm{ et } \quad \ W > 0 \quad \textrm{donnant} \quad 0\; \leq\; \eta\; < \infty

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 généralement le rapport entre la puissance thermique de leur machine et sa consommation électrique. On lui donne par convention le nom de coefficient 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 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".

Les différents systèmes [modifier]

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 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. Un capteur de sol est souvent constitué d'un circuit d'eau glycolée enterré en moyenne à soixante-dix centimètres de profondeur, en général sous un jardin. Ces systèmes sont utilisés pour transférer de l'énergie du sol vers une habitation, 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, alternative aux radiateurs traditionnels, est une bonne source chaude car il ne nécessite pas une température élevée. Dans le cas opposé, les radiateurs doivent être surdimensionnés 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).

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 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. Pour des raisons de confort et de sécurité, une énergie d'appoint (cheminée à insert par exemple) est nécessaire, surtout par très grands froids et spécialement pour les PAC sur air.

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 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 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 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.

 

Coefficient de performance et performance économique d'une PAC [modifier]

Le coefficient de performance (ou "COP") est de l'ordre de 5 sur les modèles avec l'eau comme source froide et 3 pour les systèmes 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 quand il s'agit de chauffer, il convient de compter à l'inverse : pour obtenir 1 kWh de chaleur, il faudra fournir 1/5 ou 1/3 kWh d'électricité, sachant qu'on obtiendra respectivement 4/5 et 2/3 de puissance calorifique gratuite.

Ainsi, contrairement à ce qu'on pourrait croire, un système de COP double n'est pas deux fois meilleur à l'usage : la proportion d'énergie gratuite est fonction de l'inverse du COP et n'augmente que comme l'inverse du carré du COP, c'est à dire 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 % (par rapport à un radiateur électrique par exemple) en adoptant le premier, seulement 17 % de plus en adoptant le second, 8 % supplémentaires avec le troisième, et enfin 5 % de plus 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, alors que la différence de prix est bien 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 égal à 1, même pour les très basses températures extérieures (< -15 °C)[2]. La courbe de COP en fonction de la température extérieure et de l'eau de chauffage est donc à prendre en compte pour décider de l'opportunité d'installation et évaluer les performances.

Fonctionnement de la PAC [modifier]

La pompe à chaleur géothermique, aussi appelée 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 "traditionnels". Une PAC dite réversible permet notamment 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 très variable et handicape le système quand les besoins de chauffage sont grands.

Circuit de captage [modifier]

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 polyéthylène. Il existe deux types de captage :

  • capteurs horizontaux : enterré à environ un mètre sous la surface, 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 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 [modifier]

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 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.
  • les fluides intermédiaires : la PAC possède un circuit séparé pour le captage, la pompe à chaleur et le chauffage. Ce système est un peu plus coûteux mais plus performant, notamment pour le rafraîchissement, et il contient bien moins de fluide frigorigène.

Il existe également des systèmes mixtes.

Le circuit de chauffage [modifier]

On utilise principalement 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 coefficients de performance annoncés par certaines publicités à des températures d'eau élevées sont fantaisistes. Les radiateurs peuvent parfois 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 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 [modifier]

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 [modifier]

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

Marché [modifier]

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 le pays nordique, 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[3].

Le gouvernement français offre un crédit d'impôt à hauteur de 50 % 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 maintenant exclusivement lié au seul coût du bloc principal de la pompe à chaleur et hors pose.

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