Pompe à chaleur (PAC)

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.

Mais le terme de « pompe à chaleur » (PAC) s'est surtout diffusé pour désigner la pompe à chaleur géothermique, qui est un système de chauffage domestique popularisé avec la forte hausse du prix des combustibles dans les années 1970.

Principe

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

La PAC pompe des calories dans une source froide (un lac à 4°C, par exemple, comme pour le chauffage urbain de Zurich), et les réinjecte à la source chaude (un plancher chauffant par exemple). La consommation énergétique sert uniquement à mettre en mouvement les fluides (compression).

On définit l'efficacité ? d'une PAC par le rapport de l'énergie « utile », la chaleur reçue, sur l'énergie coûteuse, le travail fourni à la PAC.

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

Les températures T sont en Kelvin. Le cycle de Carnot est le cycle ditherme présentant la meilleure efficacité

Les différents systèmes

Certaines « PAC » travaillent sur la chaleur de l'air, d'autres avec la chaleur de l'eau, ou du sol. Les PAC utilisant la chaleur du sol sont appelées pompe à chaleur géothermique. Le puits provençal est un autre système de PAC qui utilise la chaleur de l'air.

Les systèmes de chauffage les plus performants se font par chauffage au sol dans l'habitation, et par des tuyaux enterrés en moyenne 2 mètres 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. Mais ce sont des systèmes qui réclament un fort investissement.

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 installés à l'heure actuelle (cela veut dire que pour 1 kW d'électricité consommé, la maison recevra 5 kW de chaleur).

Les systèmes les plus performants sont à 7 de COP. Les système à air ont des COP de 2 à 5,20 maximum. Les systèmes vendus dans le commerce procurent une puissance thermique de 15 à 20 kW ce qui est l'équivalent d'une chaudière 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 capable de transférer de la chaleur de la maison vers la source froide. Ces machines ont l'avantage de pouvoir servir de climatisation.

Fonctionnement de la PAC géothermique

La pompe à chaleur géothermique, aussi appelée géothermie domestique, utilise la chaleur contenue dans le sol pour alimenter un plancher chauffant.

Ce principe connu depuis une vingtaine d'années, a subi de notables évolutions techniques qui lui permet de rivaliser avec les moyens de chauffage "traditionnels". Une PAC dite réversible permet au plancher de devenir rafraîchissant en période estivale.

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). Il occupe 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 couteux, il présente l'avantage d'occuper moins de surface au sol. Les capteurs verticaux sont également appelés sondes géothermiques.

L'appareil de la PAC géothermique

L'appareil qui prélève de la chaleur dans le sol, grâce au circuit de captage, dispose de 4 organes principaux (cf. schéma ci-contre):

1) le condenseur : le fluide frigorigène libère sa chaleur dans l'habitation en passant de l'état gazeux à l'état liquide,.
2) le détendeur : il prépare la réaction de vaporisation en abaissant la pression du liquide.
3) l'évaporateur : la chaleur prélevée dans le sol vaporise un fluide frigorigène.
4) le compresseur : actionné par un moteur 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 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.

Le circuit de chauffage

On utilise principalement deux types de système de chauffage :

Le plancher chauffant

Les ventilo-convecteurs.

Cycle thermodynamique

À la sortie du compresseur, le fluide est sous pression et est chaud.
Dans le condenseur, le fluide perd de l'énergie qui est tranférée vers l'extérieur sous forme de chaleur.
À la sortie du condenseur, le fluide est devenu froid et est resté sous pression.
Dans le détendeur, l'énergie du fluide reste constante ou diminue avec la pression. Est ce que la température varie?
À la sortie du détendeur, le fluide est à basse pression et basse température.
Dans le vaporisateur, le fluide récupère de l'énergie sous forme de chaleur, la pression reste élevée.
À la sortie de l'évaporateur, le fluide est chaud et à faible pression.
Dans le compresseur, la température peut rester constante, mais la pression augmente.
À la sortie du compresseur, le fluide est sous pression et est chaud.

Source: wikipedia