Pompe à chaleur - Définition

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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 se diffuse du plus chaud vers le plus froid jusqu'à l'égalité des températures. On parle de cycle frigorifique pour désigner ce cycle thermodynamique.

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 le chauffage de ceux-ci.

Description

Principe

Schéma de principe d'une PAC.

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.

Un circuit frigorifique transfère l'énergie grâce au changement d'état (liquide/gaz) du fluide utilisé (cf. enthalpie). Il est constitué de différents organes :

  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

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 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 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 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 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}}}{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 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.

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 - COP annuel COP saisonnier - chronique mars 2010

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