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Pompe à chaleur

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 (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) jusqu'à l'égalité des températures.

Le réfrigérateur (Un réfrigérateur (ou frigidaire ou frigo dans le langage famillier) est un appareil principalement utilisé en cuisine, avec un compartiment principal qui a une...) est le système de pompe à chaleur (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...) le plus connu. Le climatiseur est un autre système de pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) à chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) courant. Les deux servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) à produire du " froid " plus que de la chaleur : la chaleur qu'ils génèrent est perdue.

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 (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) domestique popularisé en France suite au premier choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) pétrolier (Un pétrolier est un navire citerne servant à transporter le pétrole ainsi que ses dérivés (essence). Pour le transport d'autres liquides, les navires ont d'autres appellations :...) en 1973. Dans certains pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la civitas qui subsiste le plus souvent sous forme de...) dont la France, des incitations fiscales soutiennent la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de « vaporisation » (diffuseur d'un...) de certains modèles de pompe à chaleur air-eau. Ces systèmes regagnent en popularité depuis l'an 2000, notamment en raison de la construction de nombreuses piscines.

Principe

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

La PAC pompe de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) dans une source froide (un lac (En limnologie, un lac est une grande étendue d'eau située dans un continent où il suffit que la profondeur, la superficie, ou le volume soit suffisant pour provoquer une...) à 4°C, par exemple, comme pour le chauffage urbain de Zurich), et la réinjecte à la source chaude (un plancher chauffant par exemple). La consommation énergétique sert uniquement à mettre en mouvement les fluides (compression). La source froide doit être une source au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie...) physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...), c'est-à-dire capable de fournir autant de chaleur que la pompe peut en puiser, sans variation de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) notable.

On définit l'efficacité η d'une PAC par le rapport de l'énergie " utile ", la chaleur reçue, sur l'énergie coûteuse, le travail fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι Κορσέων) appelés plus communément Fourni, sont un archipel de petites îles...) 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 (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La première définition est...).

En pratique, les vendeurs de pompes à chaleur annoncent en général le rapport entre la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur...) 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 (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) à moins de 0°C par exemple, limitations de débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers d'une surface quelconque.) 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 (En thermodynamique, le cycle de Carnot est le processus cyclique réversible de la machine de Carnot. Cette machine produit du travail (c'est un moteur) à partir de deux...) est le cycle ditherme présentant la meilleure efficacité. Les températures T sont en Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en minuscule...) (17°C = 290 K), ce qui donne, pour un chauffage domestique, un maximum de l'ordre de 15 pour le COP_chaleur (en pratique, le COP des machines actuellement en vente n'est que de 3 ou 4).

Les différents systèmes

Certaines " PAC " travaillent sur la chaleur de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est...) (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 (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une...) de sol, souvent des tuyaux enterrés en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous...) 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 (L'hiver est une des quatre saisons des zones tempérées.). 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 (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences...) actuelle (cela veut dire que pour 1 kW d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité...) consommé, la maison (Une maison est un bâtiment de taille moyenne destiné à l'habitation d'une famille, voire de plusieurs, sans être considérée comme un immeuble...) 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 (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.), 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 (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...) ou au fioul (Le fioul (terme recommandé en France par la DGLFLF) ou mazout (terme recommandé par l'Office québécois de la langue française) est un combustible dérivé du pétrole, utilisé...). Pour des raisons de confort une cheminée (Une cheminée (lat. caminus) est un conduit vertical aménagé dans un bâtiment, (un véhicule), pour évacuer les gaz et fumées toxiques d'un feu brûlant dans...) 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 (La climatisation est la technique qui consiste à modifier, contrôler et réguler les conditions climatiques (température, humidité, niveau de poussières, etc.)...) 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 (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) d'air brassée réduit très fortement cet intérêt: le puits canadien ou provençal n'est efficace qu'avec un débit et une vitesse (On distingue :) d'air limités.

Fonctionnement de la PAC

La pompe à chaleur géothermique, aussi appelée géothermie domestique, utilise la chaleur contenue dans le sol pour alimenter un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets »,...) 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 (En hydrographie, une rivière est un cours d'eau qui s'écoule sous l'effet de la gravité et qui se jette dans une autre rivière ou dans un fleuve, contrairement au fleuve qui se jette, lui, selon cette...), lac, ruisseau (Le ruisseau est un petit cours d'eau, au débit faible, alimenté par des sources d'eau naturelles, souvent affluent d'un étang, d'un lac ou d'une rivière.), 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 (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux...).

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 (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un...), et justement défavorable quand les besoins de chauffage sont les plus grands.

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 (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...) sous le sol, le circuit est constitué de boucles (par exemple sous le jardin). La surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure, sa...) 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 (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et...) une seule boucle verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.). 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 (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.), d'un point (Graphie) de prélèvement avec crépine et éventuellement des filtres, et d'un rejet.

L'appareil de la PAC

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 (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans certaines conditions...) frigorigène libère sa chaleur dans l'habitation en passant de l'état gazeux à l'état liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.),.
  • 2) le détendeur : il prépare la réaction de vaporisation en abaissant la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) du liquide.
  • 3) l'évaporateur : la chaleur prélevée à la source froide vaporise le fluide frigorigène.
  • 4) le compresseur : actionné par un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir...) électrique, il élève la 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 (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et à...) le rôle d'évaporateur et celui de chauffage assure la condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui passe d'un état dilué (gaz) à un état condensé (solide ou liquide). On peut expérimenter ce...).
  • 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.

Le circuit de chauffage

On utilise principalement deux types de système de chauffage :

  • Le plancher chauffant
  • Les ventilo-convecteurs

Les radiateurs peuvent parfois être 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 (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est...) de canalisations et de radiateurs peuvent permettre de chauffer à basse température avec un débit très supérieur à celui du thermosiphon (Le thermosiphon est un système de pompage des fluides (gaz ou liquide) basé sur la dilatation et la poussée d'Archimède) grâce aux accélérateurs modernes.

Fonctionnement d'une pompe à chaleur géothermique à fluides intermédiaires
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 4 étapes :

  • À la sortie du compresseur, le fluide est sous forme de vapeur () à haute pression et sa température est élevée.
  • Dans le condenseur, le fluide cède de l'énergie qui est transférée vers l'extérieur (circuit de chauffage) sous forme de chaleur.
  • À la sortie du condenseur, le fluide est sous forme liquide et sa température a diminué légèrement.
  • Dans le détendeur, l'énergie du fluide (son enthalpie) reste constante.
  • À la sortie du détendeur, le fluide est un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le...) liquide-gaz à basse pression et basse température.
  • Dans l'évaporateur, le fluide récupère de l'énergie sous forme de chaleur (circuit de captage). La pression reste constante et le fluide devient totalement gazeux.
  • À la sortie de l'évaporateur, le fluide est chaud 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 (L'énergie mécanique est une quantité utilisée en mécanique classique pour désigner l'énergie d'un système emmagasinée sous forme d'énergie cinétique et d'énergie potentielle...) fournie par le compresseur. Cette transformation peut se faire à température constante.

Au refoulement (Le refoulement est un des concepts majeurs de la psychanalyse développés par Sigmund Freud.) (ou sortie) du compresseur le fluide frigorifique est à l’état gazeux, à température élevée et à haute pression.

Dans le condenseur le fluide se condense, il passe de l’état gazeux à l’état liquide (à pression constante) en cédant des calories (de l'énergie) au milieu avec lequel il échange de la chaleur (maison en hiver, l’extérieur en été).

A l’entrée du détendeur (ou à la sortie du condenseur) le fluide est à l’état liquide, on dit que le fluide est sous-refroidi (le fluide est toujours en haute pression mais à une température plus faible, de l’ordre de 4 à 7 °C de moins). Dans le détendeur le fluide est détendu, il passe d'une haute pression à une pression basse et de l’état liquide à l’état liquide et gazeux (à enthalpie (L'enthalpie (du préfixe en- et du grec thalpein: chauffer) est une fonction d'état de la thermodynamique, dont la variation permet d'exprimer la quantité de chaleur mise en jeu pendant la transformation isobare d'un système thermodynamique au cours...) (énergie) constante s'il n'y a pas d'échange de chaleur avec le milieu extérieur). La température passe d’une température élevée à une température basse.

A l’entrée de l’évaporateur le fluide est à la fois à l’état liquide et gazeux et à basse pression. Dans l’évaporateur le fluide s’évapore et passe de l’état liquide et gazeux à l’état de vapeur (à pression constante) en prenant des calories (énergie) au milieu avec lequel il échange de la chaleur (maison en été, l’extérieur en hiver). À la sortie de l’évaporateur et à l’entrée du compresseur le fluide frigorifique est dit surchauffé (il est la même pression que dans l’évaporateur mais à une température plus importante, de l’ordre de 4 a 7 °C de plus).

Le fluide (état gazeux) est aspiré par le compresseur où il est comprimé d'une pression basse vers une pression élevée.

Pour simplifier un frigo absorbe la chaleur sensible (On appelle chaleur sensible la quantité de chaleur qui est échangée, sans transition de phase physique, entre deux corps formant un système isolé.) avec l'évaporateur des produits alimentaire,légumes,viandes et restitue cette chaleur en partie arrière par le condenseur.La pompe a chaleur est en partie plus complexe,mais l'exemple de l'échange de la chaleur sensible de l'évaporateur vers le condenseur du frigo reste une réalité,en absorbant la chaleur sensible de l'air ou de l'eau avec une PAC.

Notes et références de l'article

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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