Pompe à chaleur

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Une pompe à chaleur 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 spontanément la chaleur se diffuse du plus chaud vers le plus froid jusqu'à l'égalité des températures.

Le réfrigérateur est le système de pompe à chaleur le plus connu. Le climatiseur est un autre système de pompe à chaleur courant. Les pompes à chaleurs des climatisations sont parfois réversibles contrairement aux réfrigérateurs. La sueur est une PAC rafraîchissante naturelle.

Mais le terme de « pompe à chaleur » (PAC) 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

1 Principe
2 Les différents systèmes
- 2.1 Fonctionnement de la PAC
- 2.2 Cycle thermodynamique
3 Marché
4 Notes et références de l'article
5 Lexique
6 Voir aussi
- 6.1 Articles connexes
- 6.2 Liens et documents externes

[modifier] Principe

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

Alors qu'un réfrigérateur évacue ses calories pour rafraîchir son atmosphère intérieure, la pompe à chaleur va chercher les calories de l’air extérieur pour les injecter à l’intérieur de la maison. Car l’air, même froid, contient des calories.

La PAC récupère (si chauffage) ou évacue (si climatisation) l'énergie délivrée par le changement d'état (liquide / gaz) du fluide utilisé (cf. enthalpie) ; la source éloignée de l'habitat évacue ou récupère les calories du changement d'état inverse (gaz / liquide). Le "moteur compresseur" assure la circulation du fluide dans les "détenteurs échangeurs" qui entretiennent les changements d'état dans la mesure où les calories sont récupérées ou évacuées (échange unité habitat / unité externe). Dans le cas contraire, les changements d'état ne pourraient pas se produire et le rendement de la PAC ne serait que de 1, soit le rendement calorique du compresseur seul (ce qui arrive par exemple s'il fait trop froid ou trop chaud).

On définit l'efficacité $η$ d'une PAC par le rapport de l'énergie « utile », la chaleur restituée (pour le chauffage), sur l'énergie coûteuse, le travail fourni à la PAC.

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

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

En pratique, les vendeurs de pompes à chaleur annoncent en général 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 la température la plus basse et la différence de température: impossible de rejeter de l'eau à moins de 0°C par exemple, limitations de débit par la pompe et les tuyaux, ou d'efficacité des échangeurs pour la différence de température.

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

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

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 = 290,15K pour 17°C.

Calcul du COP chaleur : pour un chauffage domestique, le maximum théorique est de l'ordre de 15 (en pratique, le COP des machines actuellement en vente est de 3 ou 4).

[modifier] Les différents systèmes

Certaines « PAC » travaillent sur la chaleur de l'air (air-air ou air-eau), d'autres avec la chaleur de l'eau (eau-eau, plus rarement eau-air), ou du sol. 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.

Le chauffage au sol dans l'habitation, alternative aux radiateurs traditionnels, peut être alimenté par un circuit de chauffage classique à basse température, par une pompe à chaleur sur l'air, sur l'eau et/ou par un système thermodynamique extrayant la chaleur d'un capteur de sol, souvent des tuyaux enterrés en moyenne 70 centimètres sous le sol, en général dans le 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 mais moins performants.

Il y a aussi d'autres pompes à chaleur qui utilisent l'air comme source (refroidissement de l'air pour chauffer de l'eau de piscine par exemple) mais le rendement est moins bon et la période de fonctionnement est plus restreinte, les risques de givrage étant importants lorsque la température de l'air extérieur est basse et l'hygrométrie élevée. L'investissement est en revanche bien moins important.

Le COP est de l'ordre de 5 sur les modèles thermodynamiques et 3 pour les systèmes air-eau installés à l'heure actuelle (cela veut dire que pour 1 kW d'électricité consommé, la maison recevra 5 kW ou 3 kW de chaleur). 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 une température de source froide et de source chaude donnée, il ne peut jamais être égal à 1 même pour les très basses températures extérieures (<-15°). 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.

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 une cheminée à insert est utilisée très occasionnellement.

Certains modèles sont réversibles, c'est-à-dire capables de transférer de la chaleur de la maison vers la source froide. Ces machines ont l'avantage de pouvoir servir de climatisation si les récepteurs de chaleur s'y prêtent: le plancher chauffant a une capacité limitée à devenir plancher rafraîchissant, les radiateurs ne conviennent pas, il faut les remplacer par des ventilo-convecteurs nettement plus coûteux.

Les pompes à chaleur air/air peuvent théoriquement utiliser l’air issu d’un puits canadien (ou puits provençal) pour alimenter l’entrée d’air et améliorer ainsi leur rendement. Dans la pratique la quantité d'air brassée réduit très fortement cet intérêt: le puits canadien ou provençal n'est efficace qu'avec un débit et une vitesse d'air limités.

[modifier] Fonctionnement de la PAC

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 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.

La pompe à chaleur à air utilise l'air ambiant, toujours disponible en abondance et sans problèmes de rejet, mais son brassage peut être bruyant et sa température est très variable, et justement défavorable quand les besoins de chauffage sont les plus grands.

[modifier] 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 polyéthylène. Il existe deux types de captage :

capteurs horizontaux : enterré à environ 1 mètre sous le sol, le circuit est constitué de boucles (par exemple sous le jardin). La surface occupée par les capteurs depend de la nature du sol, Il peut occuper environ deux fois la surface à chauffer, soit par exemple 400m² pour une surface à chauffer de 200m². 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 80m). 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.

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 éventuellement des filtres, et d'un rejet.

[modifier] 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 4 organes principaux (cf. schéma ci-contre):

1) le condenseur : 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 détend le fluide frigorigène en abaissant sa pression et en le faisant changer d'état.
3) l'évaporateur : la chaleur est prélevé au fluide secondaire pour vaporiser le fluide frigorigène.
4) le compresseur : actionné par un moteur électrique, il élève la pression et température du fluide frigorigène 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 celui de chauffage assure la condensation.
les fluides intermédiaires : elle 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 utilise moins de fluide frigorigène.

Il existe également des systèmes mixtes.

[modifier] Le circuit de chauffage

On utilise principalement trois types d'émetteurs de chauffage :

Le plancher rayonnant basse température
Les ventilo-convecteurs
Les radiateurs basse température

Il est important de retenir que les pompes à chaleur n'offrent un rendement intéressant 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 purement 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

[modifier] Cycle thermodynamique

Le fluide circulant dans une pompe à chaleur subit un cycle de transformation composé de 4 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 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 et basse température.
Dans l'évaporateur, le fluide récupère de l'énergie sous forme de chaleur (circuit de captage) pour éviter la congélation. La pression reste constante et le fluide devient totalement gazeux.
À la sortie de l'évaporateur, le fluide est tempéré à 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. Cette transformation peut se faire à température constante.

[modifier] Marché

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^[1]. Le gouvernement français offre un crédit d'impôt à hauteur de 50% sur le matériel plafonné à une valeur de 8000€ pour un couple marié et 4000€ pour un célibataire ou un couple non marié. Cette aide gouvernementale a pour but de faire découvrir aux gens le produit. La date limite prévue de cette aide est fin 2008.