Pompe à chaleur - Définition et Explications

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Introduction

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 (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) 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. On parle de cycle frigorifique pour désigner ce cycle thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur...).

Différents appareils utilisent le principe de pompe à chaleur (Une pompe à chaleur (PAC) est un dispositif thermodynamique permettant de transférer la...) pour leur fonctionnement : le réfrigérateur (Un réfrigérateur (ou frigidaire ou frigo dans le langage famillier) est un appareil...) ou le climatiseur par exemple sont des pompes à chaleur. La pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) à chaleur est aussi utilisée dans le cadre de la thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) du bâtiment pour le chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un...) de ceux-ci.

Description

Principe

On définit deux milieux : la source froide (d'où l'on extrait l'énergie) et la source chaude (Une source chaude est une source dont l'eau sort du sol à une température...) (où on la réinjecte). La température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) réelle des sources n'intervient pas dans cette définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la...), bien que le dispositif soit surtout intéressant dans le cas où la source chaude a une température plus élevée que la source froide.

Un circuit frigorifique transfère l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) grâce au changement d'état (liquide/gaz) du fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) utilisé (cf. enthalpie). Il est constitué de différents organes :

  1. le condenseur (source chaude) : le fluide frigorigène (Un fluide frigorigène (ou réfrigérant) est un fluide pur ou un mélange de...) libère sa chaleur au fluide secondaire (eau, air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...)...) 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...),
  2. le détendeur : il réduit la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) du fluide frigorigène en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) 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 (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) électrique, il élève la pression et la température du fluide frigorigène gazeux en le comprimant

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).

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...) 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.

Coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain...) de performance d'une PAC

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 0\; \leq\; \eta\; < \infty

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 (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) 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 :

 \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 outre, des contraintes techniques limitent les températures de fonctionnement : impossible de rejeter de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) pure à moins de 0 °C, phénomène de givrage (source froide) ; haute pression limitée par la résistance mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) 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}}}{W} \leq \frac{T_{\mathrm{chaud}}}{T_{\mathrm{chaud}}-T_{\mathrm{froid}}} = \frac{1}{\eta_{\mathrm{cycle Carnot}}}
 COP_{\mathrm{froid}} = \frac{\ Q_{\mathrm{froid}}}{W} \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...) est le cycle ditherme présentant la meilleure efficacité. Les températures T sont exprimées en Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par...). 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 (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) 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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « 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 (L'hiver est une des quatre saisons des zones tempérées.) (les valeurs normalisées données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) 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 tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) le système doit également comprendre l'énergie absorbée par ses satellites (Satellite peut faire référence à :) (ventilateurs, pompes, …) pour que le COP calculé soit « réaliste ». De plus, le COP dépend des conditions de température de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) 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 (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) 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 - COP annuel COP saisonnier - chronique mars 2010

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