Comment marche une pompe à chaleur ?

Il existe différents type de pompe à chaleur, on peut les classer en 5 catégories.

• Le gaz-gaz: Plancher gaz et capteur gaz. Système antédiluvien de la géothermie il est aussi appelé système à détente directe. C'est le même gaz qui transite du capteur vers le plancher. Il est impossible, quoi qu'en disent certains commerciaux, de faire passer de l'eau dans le plancher ou de le transformer en plancher électrique.
• Le gaz-eau: Plancher eau et capteur gaz. Le circuit frigorifique comprend le capteur, les ou les compresseurs et une boucle qui va transférer la température vers le plancher eau au travers d'un échangeur. Un plancher eau classique, similaire à toute autre installation traditionnelle à énergies fossiles.
• Le eau-eau: Plancher eau et capteur eau glycolée. On a le capteur eau, l'échangeur, le circuit frigorifique avec le(s)) compresseur(s), l'échangeur et enfin le plancher eau.
• Le air-air: Pompe à chaleur aérienne pompant ses calories directement dans l'air. Le rendement baisse avec la température mais reste correct ( cop de 2) jusqu'à une température extérieure de -7°C. Le chauffage est réalisé au moyen de split muraux ou autres. C'est une climatisation réversible.
• Le air-eau: Pompe à chaleur aérienne pompant ses calories directement dans l'air. Le rendement baisse avec la température mais reste correct ( cop de 2) jusqu'à une température extérieure de -7°C. Le plancher est un plancher eau.

La pompe à chaleur ou "PAC" a un principe que l'on peut comparer au fonctionnement d'un réfrigérateur ou d'un congélateur mais dans un but inverse. En effet est un dispositif thermodynamique permettant de transférer la chaleur d'un milieu plus froid (eau, air, sol) vers un milieu plus chaud (eau chaude sanitaire...), a l'inverse de condition normal ou la chaleur se diffuse du plus chaud vers le plus froid.

Le principe

Aujourd'hui les pompes à chaleur sont presque toujours utilisé dans la domaine de la géothermie pour évité les forage a grande profondeur très coûteux.

La pompe à chaleur est constitué d'un fluide échangeur qui circule dans la pompe. Ce liquide froid va absorber toute chaleur d'un environnement plus chaud que lui dans un échangeur et va se transformer en vapeur froide. Cette vapeur sera ensuite compressée. C'est là qu'intervient le compresseur qui concentre cette chaleur en augmentant la pression de la vapeur. Cette vapeur chaude atteignant 50°C, se condense en liquide et va transmettre sa chaleur au réseau de chauffage. Ce liquide, poussé par la haute pression traverse un détendeur. Sa pression chute et on retrouve alors un liquide froid à basse pression : le cycle peut recommencer.

Une pompe a chaleur pompe de l'énergie dans une source froide et la transmet au fluide plus chaud. Seul la mise en mouvement des fluide demande de l'énergie. On définit l'efficacité n d'une PAC par le rapport de l'énergie la chaleur reçue, sur l'énergie coûteuse, le travail fourni à la PAC.

• n = efficacité
• Q = quantité d'énergie calorifique (en Joule)
• W = quantité d'énergie électrique consommée (en Joule)

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 (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 et les système à air ont des COP de 2 à 5,20 maximum). En outre, des contraintes techniques limitent la température la plus basse et la différence de température.

Les températures T sont en Kelvin.

Cycle thermodynamique

Le fluide circulant dans une pompe à chaleur subit un cycle de transformation composé de 4 étapes.

• À la sortie du compresseur, le fluide est sous pression et est chaud. Dans le condenseur, le fluide perd de l'énergie qui est transférée 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.
• 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 et la pression reste stable.
• 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.

La pompe à chaleur géothermique

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

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.

Schéma de principe d'une PAC géothermique à détente directe.

Il existe deux différentes technologies:

• 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.

Fonctionnement d'une pompe à chaleur géothermique à fluides intermédiaires.

Il existe également des systèmes mixtes d'autre encore 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.

La consommation en énergie

La seul demande demande en énergie est électricité pour faire tourner le compresseur mais le bilan global est plus que positif : pour une unité d'énergie indispensable à son fonctionnement, le système prélève 3 unités sur le milieu environnant. Alors que toutes les autre combustions on ne retire que 6/10 ou 7/10 d'unité d'énergie pour la combustion d'une unité dans le combustible.

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 dont la consommation est donc de 3 a 4 kW.