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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 jusqu'à l'égalité des températures.

Un réfrigérateur est le système de pompe à chaleur le plus connu.

Mais le terme de « pompe à chaleur » (PAC) s'est surtout diffusé pour désigner des systèmes de chauffage domestique, popularisés avec la forte hausse du prix des combustibles dans les années 1970. Ils peuvent maintenant, au début XXI^e siècle, souvent servir de climatiseurs, autre classe de pompe à chaleur.

Sommaire

1 Principe

2 Les systèmes

2.1 Fonctionnement

2.1.1 Circuit de captage
2.1.2 La pompe à chaleur géothermique
2.1.3 Le circuit de chauffage

3 Voir aussi

4 Liens externes

Principe

Une PAC fonctionne comme un réfrigérateur, les principes et techniques en sont les mêmes.

Elle pompe des calories d'un milieu qui au sens courant est froid (un lac à 4°C, par exemple, comme pour le chauffage urbain de Zurich), mais qui au sens thermodynamique est « chaud » tout de même (277 kelvins). La consommation énergétique sert uniquement au mettre en mouvement les fluides (compression).

On défini l'efficacité d'une PAC par le rapport de ce qui est « utile », la chaleur reçue, sur ce qui est coûteux, le travail fourni à la PAC.

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

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

Plus spécifiquement, les vendeurs de pompes affichent en général le rapport de puissance thermique entre leur machine avec la consommation électrique. On lui donne par convention le nom de coefficient de performance ou COPS. En outre, des contraintes techniques limitent la température la plus basse et la différence de température.

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

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

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

Les systèmes

Certaines « PAC » travaillent sur la chaleur de l'air, d'autres avec la chaleur de l'eau, ou du sol Énergie géothermique.

Les systèmes 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 réclame un fort investissement. Certains modèles sont réversibles, capable de transférer de la chaleur de la maison vers le sol.

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. L'investissement est par contre bien moins important.

Le COPS 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 COPS. Les système à air ont des COPS de 2 à 3 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 trés occasionnellement. L'autre avantage est que ces machines peuvent servir de climatisation.

Fonctionnement

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 présent l'avantage d'occuper moins de surface au sol. Les capteurs verticaux sont également appelés sondes géothermiques.

La pompe à chaleur géothermique

Elle dispose de 4 organes principaux

l'évaporateur : la chaleur prélevée dans le sol vaporise un fluide frigorigène.
le compresseur : actionné par un moteur électrique, il élève la température du fluide frigorigène en le comprimant.
le condenseur : en retournant à l'état liquide, le fluide frigorigène libère sa chaleur dans l'habitation.
le détendeur : il prépare la réaction de vaporisation en abaissant la pression du liquide.

Il existe deux systèmes principaux :

la détente directe : il n'existe qu'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 : on dispose d'un circuit séparé pour le captage, la pompe à chaleur et le chauffage. Un peu plus coûteux, il est plus performant, notamment pour le rafraîchissement et il utilise moins de fluide frigorigène.

Il existe également des systèmes mixtes.