CLIMATISATION ET POMPE A CHALEUR

Aperçu

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. Le réfrigérateur est le système de PAC le plus connu. Le climatiseur est un autre système de PAC courant. Les pompes à chaleur des climatisations sont parfois réversibles (plus exactement: inversibles) contrairement aux réfrigérateurs.

(*) On définit deux milieux : la source froide (d'où l'on extrait l'énergie-premier terme dans le nom type de PAC (air/..)) et la source chaude (où on la réinjecte-second terme dans le type de PAC (.../eau)). 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.
 
 

Principe de fonctionnement


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

Alors qu'un réfrigérateur transfère la chaleur pour rafraîchir son atmosphère intérieure, la PAC transfère la chaleur de l’air extérieur pour l'injecter à l’intérieur de la maison. Car l’air, même froid, contient de la chaleur.

Un circuit frigorifique transfère l'énergie grâce au changement d'état (liquide / gaz) du fluide utilisé. Le compresseur (4) assure la compression du fluide dans le condenseur (1) (source chaude-maison) 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 »(2) (terme impropre car on agit sur la phase liquide, incompressible : l'expression réducteur de pression est plus adéquate) avant d'entrer dans l'évaporateur (3) (source froide-jardin) pour que le changement d'état voulu se produise à basse température. La réversibilité 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).

 

Schéma d'une pompe à chaleur



 

Les différents systèmes de PAC


La pompe à chaleur géothermique
, utilise la chaleur contenue dans le sol pour alimenter un réseau de chauffage comme un plancher chauffant, des radiateurs basses températures ou des ventilo convecteurs.


La pompe à chaleur aérothermique, utilise l'air extérieur, toujours disponible en abondance et sans problèmes de rejet, mais son brassage peut être bruyant et sa température est très variable et handicape un peu le système quand les besoins de chauffage sont grands. Néanmoins, un appoint électrique peut être ajouté au système dans le cas de grand froid peux fréquent dans notre pays.


La pompe à chaleur à eau
, utilise une source d'eau : puits, rivière, lac, ruisseau, 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. Néanmoins, un échangeur adéquat est conseillé entre la source d'eau brute et le circuit 'source froide' pour des questions de corrosion et d'encrassement.

 

Les différents Circuits 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 trois types de captage :
 

  • Captage horizontal : enterré à environ un mètre sous la surface, le circuit est constitué de boucles (par exemple sous le jardin). La surface occupée par les capteurs dépend de la nature du sol, il peut occuper environ deux fois la surface à chauffer, soit par exemple 400 m² pour une surface à chauffer de 200 m². Cet espace peut être planté de gazon ou de petits arbustes, mais ne peut accepter d'arbres aux longues racines.
     
  • Captage vertical : le circuit comporte un tuyau formant une seule boucle verticale. Il nécessite un forage en profondeur (environ 80 m), ou en faible profondeur (environ 30 m) dans le cas d'un captage à détente directe. 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 eau est constitué d'une pompe de circulation, d'un point de prélèvement avec crépine et filtre et d'un rejet.
     

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. Les capteurs distants doivent néanmoins être raccordés par le circuit frigorifique chargé de fréon.
 


Coefficient de performance et performance économique d'une PAC


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 obtenir 120 kWh de chaleur, il faudra consommer 40 kWh avec une pompe à chaleur de COP égal à 3 mais consommer seulement 30 kWh avec une pompe à chaleur de COP égal à 4. Une pompe à chaleur de COP égal à 5 coutera 1/5 d'énergie et produira donc 4/5 (soit 80%) d'énergie gratuite alors qu'une pompe à chaleur de COP égal à 3 coutera 1/3 d'énergie et ne produira que 2/3 (soit 66%) d'énergie gratuite. Avec une pompe à chaleur de COP égal à 5, 80% de l'énergie produite est gratuite alors qu'avec une pompe à chaleur de COP égal à 3 seulement 66% de l'énergie est gratuite.
 

Un système de COP double n'est pas deux fois plus économique à l'usage. La proportion d'énergie gratuite est fonction de l'inverse du COP et n'augmente que comme l'inverse du carré du COP, c'est à dire de plus en plus lentement. La rentabilité des gains de performances est fortement décroissante : quatre appareils de COP respectif 2, 3, 4 et 5 fournissent respectivement 50 %, 67 %, 75 % et 80 % d'énergie gratuite, ce qui veut dire qu'on gagne 50 % (par rapport à un radiateur électrique par exemple) en adoptant le premier, seulement 17 % de plus en adoptant le second, 8 % supplémentaires avec le troisième, et enfin 5 % de plus avec le dernier. Entre une PAC de COP 3 et une autre de COP 5, le gain n'est que de 13 % sur la facture de référence, sans PAC, alors que la différence de prix est bien plus grande.
 

Le COP de toute pompe à chaleur augmente avec la température de la source froide et diminue avec celle de la source chaude, il sera variable suivant les températures disponibles et souhaitées.