Thermodynamique appliquée/Pompes à chaleur

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Une pompe à chaleur (PAC) est un dispositif permettant de transférer de l'énergie thermique d'un milieu à basse température (source froide) vers un milieu à plus haute température (source chaude). Il existe de nombreux types de pompes à chaleur et on va surtout regarder les deux pompes qui sont les plus utilisées par les particuliers : la pompe air/air et la pompe air/eau.

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Théorie

• pour la partie théorique : voir Machines thermiques : Étude de quelques machines

Une pompe à chaleur - est une machine thermique qui prend de la chaleur à la source froide pour en fournir à la source chaude. Puisqu'un tel transfert ne peut se faire spontanément, on doit fournir du travail à la machine thermique. Ainsi:

• Q₁ < 0
• Q₂ > 0
• W > 0

Le schéma de principe est le suivant:

1: condenseur (on chauffe l'eau qui va aller dans les radiateurs) 2: détente 3: évaporateur (on pompe des calories) 4: compresseur (par exemple énergie électrique)

Les différentes pompes à chaleur

Sur le principe précédent, on peut fabriquer des pompes à chaleur de nombreuses façons (voir liste en annexe).

Coefficient de performance e ( « COP » ) d'une PAC

Le coefficient de performance COP est un indicateur de la puissance de la pompe à chaleur.

Pour une pompe à chaleur, où le but est de réchauffer la source chaude, l'efficacité est:     $e=-{\frac {Q_{1}}{W}}$. (voir Machines thermiques : Étude de quelques machines)

Le COP d'une PAC est l' efficacité de la machine et est compris théoriquement entre 0 et l'infini. En réalité, ce coefficient ne peut pas dépasser le rendement d'une machine de Carnot fonctionnant sur le cycle de Carnot. Plus il est élevé, plus la PAC est efficace.

Le sens naturel du transfert de l'énergie thermique est que les calories vont spontanément du chaud vers le froid. La pompe à chaleur doit donc travailler pour faire passer les calories du froid vers le chaud ce qui explique pourquoi, dans la grande majorité des cas, le COP baisse lorsque la différence de température entre la source chaude et la source froide augmente.

Pour une climatisation, on a :

$e={\frac {Q_{2}}{W}}$

Caractéristiques d'une PAC

Pour chauffer une maison, le choix d'une PAC doit prendre en compte le volume de la maison, son isolation et le climat de la région.

La puissance thermique de la pompe varie en fonction des températures de l'air extérieur et en fonction de la température de l'eau de départ dans le circuit de chauffage .

Les radiateurs

Avec une pompe à chaleur, la température maximale de départ de l'eau dans le circuit de chauffage est d'environ 55 °C pour les anciennes PAC et environ 65 °C pour les pompes les plus performantes.

Les pompes à chaleur n'offrent donc une efficacité intéressante qu'à la condition d'être reliées à des émetteurs dimensionnés pour des températures basses.

En fonction des types d’émetteurs et des besoins de chauffage, une température de 55 °C n'est souvent pas suffisante pour apporter la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer la maison. On est alors obligé de changer les radiateurs.

Lors d'une rénovation, les anciens radiateurs peuvent parfois être réutilisés s'ils sont adaptés au chauffage à basse température. Ceci sera le cas pour des installations anciennes dimensionnées pour un fonctionnement en thermosiphon.Les dimensions de canalisations et de radiateurs peuvent permettre de chauffer à basse température avec un débit très supérieur à celui du thermosiphon grâce à des accélérateurs.

Lien entre température d'eau nécessaire et température extérieure (courbe de chauffe)

Il faut ajuster la température dans les émetteurs à la température extérieure captée par une sonde. On poursuit un double but de confort (stabilité de la régulation) et d’économie (le rendement est optimisé en réduisant la température d’eau chaude). L’installation concernée comporte donc toujours une source de chaleur modulante et au moins deux capteurs :

• une sonde de température d’eau
• et obligatoirement une sonde de température extérieure.

La pente de la courbe de chauffe est :

pente= (T max. eau – T mini eau) / (T ext. max. – T ext. mini)

ou encore

pente = (T eau de retour - T ambiante) / ( T ambiante - T extérieure).

Chaque installation de chauffage correspond une courbe bien déterminée.

par exemple: ( 50-20 ) / ( 20-(-5) ) = 30 / 25 = 1,2.

Il faut proportionner finement les apports énergétiques aux besoins selon la pente de la courbe (par exemple, ici 0,56) :

T de l'eau en retour en fonction de T ext une pente de 0,56 correspond par exemple à un plancher chauffant

T de l'eau de chauffage en fonction de la T ext (°C) pour 4 pentes

Dans les installations modernes performantes, les fonctionnements recherchés à basse température, donc à faible pente, oblige à choisir des diffuseurs de grande conductance thermique (i.e. des radiateurs des dimensions imposantes ou bien des planchers chauffants avec une forte densité du réseau d'eau chaude).

Quand on veut faire installer une PAC, il faut regarder son amplitude de fonctionnement en fonction des températures extérieures.

Plus l'écart de température est important entre la source froide (air) et la température de départ de l'eau dans les radiateurs, plus le rendement et la puissance de la pompe chute.

Certaines pompes permettent de chauffer l’intérieur de la maison jusqu’à des températures extérieures de -25 °C alors que d’autres pompes voient leurs performances diminuer pour des températures de -5 °C.

Notes

• Ce dispositif permet d'inverser le sens naturel du transfert spontané de l'énergie thermique.
• Une pompe à chaleur peut être considérée comme un système :
  • de chauffage, si l'on souhaite augmenter la température de la source chaude ;
  • de réfrigération, si l'on souhaite abaisser la température de la source froide.

Annexe: Liste des types de pompes à chaleur

L'expression « pompe à chaleur » regroupe de nombreux dispositifs pour faire des transferts thermiques d'une source froide vers un autre milieu à un niveau de température plus élevé à l'aide d'un système thermodynamique. Les phénomènes physiques, les sources d'énergies ou et les milieux de fonctionnement peuvent être très différents ; on peut classer les pompes à chaleur en fonction de ces trois paramètres.

• Selon le phénomène physique employé
  • La machine à compression de vapeur (la pompe à chaleur dite thermodynamique) ;
  • La pompe à chaleur à absorption de gaz ;
  • et puis aussi : ♦ La pompe à chaleur à effet Peltier ♦ La pompe à chaleur Stirling ♦ La pompe à chaleur thermoacoustique ♦ La pompe à chaleur thermomagnétique.

• Selon la source d'énergie utilisée
  • Pompe à chaleur électrique.
  • Pompes à chaleur au gaz naturel.

• Selon le vecteur d'énergie thermique; les vecteurs d'énergie thermique les plus couramment rencontrés sont :
  • pompe à chaleur air/air
  • pompe à chaleur air/eau
  • pompe à chaleur eau/air
  • pompe à chaleur eau/eau
  • etc ...

• Selon la source d'énergie thermique
  • Pompe à chaleur aérothermique : l'énergie thermique est pompée dans l'air ambiant.
  • Pompe à chaleur géothermique : l'énergie thermique est pompée dans le sol.

Pour décrire une pompe à chaleur, il faut donc préciser tout son fonctionnement: par exemple, c'est une pompe à chaleur à compression de vapeur (thermodynamique) électrique air/air aérothermique.