Pompe à chaleur
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| - | 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. | + | {{Se loger}} |
| - | Le [[réfrigérateur]] est le système de pompe à chaleur le plus connu. Le [[Climatisation|climatiseur]] est un autre système de pompe à chaleur courant. Les deux servent à produire du « froid » plus que de la chaleur : la chaleur qu'ils génèrent est perdue. La [[sueur]] est une PAC rafraîchissante naturelle. | + | Notre environnement stocke chaque jour de la chaleur émise principalement par les rayonnements solaires. L'air, l'eau et la terre sont ainsi réchauffés et accumulent une énergie gratuite et inépuisable. Récupérer cette chaleur et l'utiliser pour le chauffage de la maison est possible grâce aux '''pompes à chaleur'''. |
| - | Mais le terme de « pompe à chaleur » (PAC) s'est surtout diffusé pour désigner la pompe à chaleur [[géothermique]] ou la pompe à chaleur air-eau, système de chauffage domestique popularisé en [[France]] suite au [[premier choc pétrolier]] en [[1973]]. Dans certains pays dont la France, des incitations fiscales soutiennent la diffusion de certains modèles de pompe à chaleur air-eau. Ces systèmes regagnent en popularité depuis l'an [[2000]], notamment en raison de la construction de nombreuses [[piscine (bassin)|piscine]]s. | + | 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]] ainsi que le [[congélateur]] sont les systèmes de pompe à chaleur les plus connus. |
| - | == Principe == | + | 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<sup>ème</sup> siècle, souvent servir de [[climatiseur]]s. |
| - | Le Principe de fonctionnement d'une PAC est identique à celui d'un réfrigérateur. | + | |
| - | La PAC récupère (si chauffage) ou évacue (si climatisation) l'[[énergie]] délivrée par le changement d'état (liquide / gaz) du fluide utilisé (cf. [[enthalpie de changement d'état|enthalpie]]) ; la source éloignée de l'habitat évacue ou récupère les calories du changement d'état inverse (gaz / liquide). Le "moteur compresseur" assure la circulation du fluide dans les "détenteurs échangeurs" qui entretiennent les changements d'état dans la mesure où les calories sont récupérées ou évacuées (échange unité habitat / unité externe). Dans le cas contraire, les changements d'état ne pourraient pas se produire et le rendement de la PAC ne serait que de 1, soit le rendement calorique du compresseur seul (ce qui arrive par exemple s'il fait trop froid ou trop chaud). | + | Ces équipements permettent d’économiser les énergies fossiles tout en limitant nos rejets de gaz à effet de serre. Il en existe plusieurs types, qui puisent la chaleur soit dans l'air (pompes aérothermiques), soit dans le sol ou l'eau des nappes phréatiques ([[Énergie géothermique]]). |
| - | On définit l'efficacité <math>\eta</math> d'une PAC par le rapport de l'énergie « utile », la chaleur restituée (pour le chauffage), sur l'énergie coûteuse, le travail fourni à la PAC. | ||
| - | :<math> | + | == Principe == |
| - | \eta = - \frac{\ Q_{\mathrm{chaud}}}{\ W}\qquad \textrm{avec} \qquad \ Q < 0 \quad \textrm{ et } \quad \ W > 0 \quad \textrm{et} \quad 0\; \leq\; \eta\; \leq\; \infty | + | [[Image:Heatpump.svg|thumb|270px|Schéma du cycle de réfrigération :<br/>1) circuit de condensation (dégagement de chaleur)<br/>2) goulot d'expansion du gaz réfrigérant<br/>3) circuit d'évaporation (production de froid)<br/>4) compresseur.]] |
| - | </math> | + | Une PAC fonctionne comme un réfrigérateur, les principes et techniques en sont les mêmes. |
| - | L'efficacité d'une pompe à chaleur décroît avec l'écart de température, et est limitée par la [[deuxième loi de la thermodynamique]]. | + | 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 (277,15 kelvins). La consommation énergétique sert uniquement à mettre en mouvement les fluides (compression). |
| - | 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: impossible de rejeter de l'eau à moins de 0°C par exemple, limitations de débit par la pompe et les tuyaux, ou d'efficacité des échangeurs pour la différence de température. | + | On définit 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. |
| - | :<math> | + | L'efficacité d'une pompe à chaleur décroît avec l'écart de température. L'efficacité d'une PAC est limitée par la deuxième loi de la thermodynamique. |
| - | COP_{\mathrm{chaleur}} = \frac{\ Q_{\mathrm{chaud}}}{\Delta A} \leq \frac{T_{\mathrm{chaud}}}{T_{\mathrm{chaud}}-T_{\mathrm{froid}}} = \frac{1}{\eta_{\mathrm{cycle Carnot}}} | + | |
| - | </math> | + | |
| - | :<math> | + | 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 ''COP'' (de l'Anglais: coefficient of performance). En outre, des contraintes techniques limitent la température la plus basse et la différence de température. |
| - | COP_{\mathrm{refroidissement}} = \frac{\ Q_{\mathrm{froid}}}{\Delta A} \leq \frac{T_{\mathrm{froid}}}{T_{\mathrm{chaud}}-T_{\mathrm{froid}}} | + | |
| - | </math> | + | |
| - | Le [[cycle de Carnot]] est le cycle ditherme présentant la meilleure efficacité. Les températures T sont exprimées en [[Kelvin]]. T°K = T°C + 273, soit par exemple T = 290°K pour 17°C. | + | Les températures T sont en Kelvin. Le cycle de Carnot est le cycle ditherme présentant la meilleure efficacité... |
| - | Calcul du COP chaleur : pour un chauffage domestique, le maximum théorique est de l'ordre de 15 (en pratique, le COP des machines actuellement en vente est de 3 ou 4). | ||
| - | == Les différents systèmes == | + | == Les systèmes == |
| - | Certaines « PAC » travaillent sur la chaleur de l'air (air-air ou air-eau), d'autres avec la chaleur de l'eau (eau-eau, plus rarement eau-air), ou du sol. Les PAC utilisant la chaleur du sol sont appelées ''pompe à chaleur géothermique''. Cette appellation peut prêter à confusion avec le chauffage urbain géothermique qui utilise la chaleur à haute température du sous-sol profond, mais c'est un système très différent. | + | Certaines « PAC » travaillent sur la chaleur de l'air, d'autres avec la chaleur de l'eau, ou du sol ([[Énergie géothermique]]). |
| - | Le chauffage au sol dans l'habitation, alternative aux radiateurs traditionnels, peut être alimenté par un circuit de chauffage classique à basse température, par une pompe à chaleur sur l'air, sur l'eau et/ou par un système thermodynamique extrayant la chaleur d'un capteur de sol, souvent des tuyaux enterrés en moyenne 70 centimètres 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. Ces systèmes sont économiques par rapport au prix d'installation d'une PAC mais moins performants. | + | 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 réclament un fort investissement financier. Aussi, certains modèles sont réversibles, capables 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 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. | + | 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 COP est de l'ordre de 5 sur les modèles thermodynamiques et 3 pour les systèmes air-eau installés à l'heure actuelle (cela veut dire que pour 1 kW d'électricité consommé, la maison recevra 5 kW ou 3 kW de chaleur). | + | 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). |
| - | Le COP de toute pompe à chaleur augmente avec la température de la source froide et diminue avec celle de la source chaude, il peut atteindre 5 à 7 en été pour de l'eau de piscine (air à 25°C pour de l'eau à 28°C) mais inférieur à 3 en hiver (les valeurs normalisées données par les fabricants sont pour un air à 7°C et de l'eau de chauffage à 35°C). Le COP n'a de signification qu'à une température de source froide et de source chaude donnée, il ne peut jamais être égal à 1 même pour les très basses températures extérieures (<-15°). | + | |
| - | La courbe de COP en fonction de la température extérieure et de l'eau de chauffage est donc à prendre en compte pour décider de l'opportunité d'installation et évaluer les performances. | + | |
| - | Les systèmes vendus au grand public ont une puissance thermique de 15 à 20 kW ce qui est équivalent à la gamme basse de puissances des chaudières au [[gaz naturel|gaz]] ou au [[fioul]]. Pour des raisons de confort une cheminée à insert est utilisée très occasionnellement. | + | Les systèmes les plus performants sont à 7 de COP. Les systèmes à air ont des COP de 4 à 5 maximums. 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 naturel|gaz]] ou au [[fioul]]. Pour des raisons de confort, une cheminée à insert est utilisée très occasionnellement. L'autre avantage est que ces machines peuvent servir de [[climatisation]]. |
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| - | Certains modèles sont réversibles, c'est-à-dire capables de transférer de la chaleur de la maison vers la source froide. Ces machines ont l'avantage de pouvoir servir de [[climatisation]] si les récepteurs de chaleur s'y prêtent: le plancher chauffant a une capacité limitée à devenir plancher rafraîchissant, les radiateurs ne conviennent pas, il faut les remplacer par des ventilo-convecteurs nettement plus coûteux. | + | |
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| - | Les pompes à chaleur air/air peuvent théoriquement utiliser l’air issu d’un [[puits canadien]] (ou [[puits provençal]]) pour alimenter l’entrée d’air et améliorer ainsi leur rendement. Dans la pratique la quantité d'air brassée réduit très fortement cet intérêt: le puits canadien ou provençal n'est efficace qu'avec un débit et une vitesse d'air limités. | + | |
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| - | ===Fonctionnement de la PAC === | + | |
| - | La pompe à chaleur géothermique, aussi appelée ''[[géothermie]] domestique'', utilise la chaleur contenue dans le sol pour alimenter un réseau de chauffage comme un plancher chauffant ou des radiateurs. Voir ci-dessous Circuit de captage. | + | |
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| - | Ce principe connu depuis une vingtaine d'années, a subi de notables évolutions techniques qui lui permettent de rivaliser avec les moyens de chauffage "traditionnels". Une PAC dite réversible permet notamment au plancher de devenir rafraîchissant en période estivale. | + | |
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| - | 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. | + | |
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| - | La pompe à chaleur à air utilise l'air ambiant, toujours disponible en abondance et sans problèmes de rejet, mais son brassage peut être bruyant et sa température est très variable, et justement défavorable quand les besoins de chauffage sont les plus grands. | + | |
| + | ===Fonctionnement=== | ||
| ==== Circuit de captage ==== | ==== 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 : | 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). La surface occupée par les capteurs depend de la nature du sol, Il peut occuper 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 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 coûteux, il présente l'avantage d'occuper moins de surface au sol. Les capteurs verticaux sont également appelés sondes géothermiques. | * capteurs verticaux : le circuit comporte un tuyau formant une seule boucle verticale. Il nécessite un forage en profondeur (environ 80m). 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 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. | + | ==== Parties principales de la PAC==== |
| - | + | Elle dispose de 4 organes principaux | |
| - | 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 éventuellement des filtres, et d'un rejet. | + | * 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. | |
| - | ==== L'appareil de la PAC ==== | + | * le '''condenseur''' : en retournant à l'état liquide, le fluide frigorigène libère sa chaleur dans l'habitation. |
| - | [[Image:PompeAchaleur.png|350px|right|thumb|Schéma de principe d'une PAC à détente directe]] | + | * le '''détendeur''' : il prépare la réaction de vaporisation en abaissant la pression du liquide. |
| - | L'appareil, qui prélève de la chaleur à la source froide grâce au circuit de captage, dispose de 4 organes principaux (cf. schéma ci-contre): | + | Il existe deux systèmes principaux : |
| - | *1) le '''condenseur''' : le fluide frigorigène libère sa chaleur dans l'habitation en passant de l'état gazeux à l'état liquide,. | + | * 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. |
| - | *2) le '''détendeur''' : il prépare la réaction de vaporisation en abaissant la pression du liquide. | + | * 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. |
| - | *3) l''''évaporateur''' : la chaleur prélevée à la source froide vaporise le fluide frigorigène. | + | |
| - | *4) le '''compresseur''' : actionné par un moteur électrique, il élève la pression 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. | Il existe également des systèmes mixtes. | ||
| ==== Le circuit de chauffage ==== | ==== Le circuit de chauffage ==== | ||
| - | On utilise principalement trois types d'émetteurs de chauffage : | + | La température de l'eau chaude fournie par une pompe à chaleur est moins importante qu'avec une chaudière classique (30 à 40°C). Ce de fait on utilise principalement deux types de système de chauffage qui sont bien adaptés aux basses températures : |
| - | + | * Le plancher chauffant | |
| - | * Le [[plancher rayonnant basse température]] | + | * Les convecteurs surdimensionnés (par rapport à une installation chaudière classique) |
| - | * Les ventilo-convecteurs | + | |
| - | * Les radiateurs basse température | + | |
| - | + | ||
| - | Il est important de retenir que les pompes à chaleur n'offrent un rendement intéressant qu'à la condition d'être reliées à des émetteurs dimensionnées pour des températures basses. En effet, les coefficients de performance annoncés par certaines publicités à des températures d'eau élevées sont purement fantaisistes. | + | |
| - | Les radiateurs peuvent parfois être ré-utilisés s'ils sont adaptés au chauffage à basse température; ce peut être 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 aux accélérateurs modernes. | + | |
| - | Il est également possible de redimensionner certains radiateurs en fonction du besoin propre au local concerné afin de compenser la baisse de température par une surface d'émission supérieure. C'est la solution retenue le plus couramment en cas de rénovation d'une installation existante. | + | |
| [[Image:Pompe à chaleur géothermique.jpg|thumb|center|600px|Fonctionnement d'une pompe à chaleur géothermique à fluides intermédiaires]] | [[Image:Pompe à chaleur géothermique.jpg|thumb|center|600px|Fonctionnement d'une pompe à chaleur géothermique à fluides intermédiaires]] | ||
| - | === Cycle thermodynamique === | ||
| - | Le fluide circulant dans une pompe à chaleur subit un cycle de transformation composé de 4 étapes : | ||
| - | * À la sortie du [[compresseur mécanique|compresseur]], le fluide est sous forme gazeuse à haute pression et sa température est élevée. | ||
| - | * Dans le condenseur, le fluide passe à l'état liquide et cède de l'énergie qui est transférée vers l'extérieur (circuit de chauffage) sous forme de chaleur. | ||
| - | * À la sortie du [[condenseur]], le fluide voit sa température fortement diminuer. | ||
| - | * Dans le détendeur, l'énergie du fluide (son enthalpie) reste constante. | ||
| - | * À la sortie du [[détendeur]], le fluide est à l'état liquide basse pression et basse température. | ||
| - | * Dans l'évaporateur, le fluide récupère de l'énergie sous forme de chaleur (circuit de captage)pour éviter la congélation. La pression reste constante et le fluide devient totalement gazeux. | ||
| - | * À la sortie de l'[[évaporateur]], le fluide est tempéré à environ 5°C et à faible pression. | ||
| - | * Dans le compresseur, le gaz est comprimé et passe donc d'une basse pression à une pression plus élevée grâce à l'énergie mécanique fournie par le compresseur. Cette transformation peut se faire à température constante. | ||
| - | ==Marché== | ||
| - | Un total de {{formatnum:53510}} pompes à chaleur domestiques ont été installées en France en [[2006]], contre seulement un millier en [[1997]]. Ce chiffre permet à ce pays de devenir le second marché [[Europe|européen]] pour cet appareil derrière la [[Suède]] mais devant l'[[Allemagne]] et la [[Suisse]]. Cependant, dans le pays nordique, 95% des maisons neuves en sont équipées, contre seulement 10% en France, où pourtant le marché double de valeur d'une année sur l'autre<ref>« ''[http://www.novethic.fr/novethic/site/article/index.jsp?id=110832 Pompes à chaleur : la France rattrape son retard]'' », [http://www.novethic.fr Novethic.fr], {{date|24|août|2007}}</ref>. | ||
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| - | == Notes et références de l'article == | ||
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| - | + | * [[Isolation (thermique)]] | |
| - | * [http://www.afpac.org Site de l'Association Française pour les Pompes à Chaleur] (principes et informations) | + | |
| - | * [http://www.retscreen.net/fr/g_ground.php Modèle de PAC géothermique] de Restcreen (téléchargement gratuit, format excel) | + | |
| - | * [http://www.ademe.fr/particuliers/Fiches/pac/index.htm Guide pratique de l'ADEME sur les pompes à chaleur] | + | |
| - | * [http://pastel.paristech.org/1200/ Conception globale d'une pompe à chaleur air/eau inversable à puissance variable pour le secteur résidentiel] thèse très complète sur les PAC air/eau (2005). | + | |
| + | === Liens externes === | ||
| + | * [http://www.europe-geothermie.com/geothermie/comparatifs.php3 Comparatif avec les autres énergies] | ||
| + | * [http://pagesperso-orange.fr/pompe-a-chaleur/ Comparatif entre les différents types de pompes à chaleur] | ||
| + | * [http://www.ademe.fr/particuliers/Fiches/pacg/ Série d'articles sur les pompes à chaleur <small>(ADEME)</small>] | ||
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| - | [[en:Heat pump]] | + | |
| - | [[eo:Varmopumpilo]] | + | |
| - | [[es:Bomba de calor]] | + | |
| - | [[fi:Lämpöpumppu]] | + | |
| - | [[it:Pompa di calore]] | + | |
| - | [[ja:ヒートポンプ]] | + | |
| - | [[nl:Warmtepomp]] | + | |
| - | [[nn:Varmepumpe]] | + | |
| - | [[no:Varmepumpe]] | + | |
| - | [[pl:Pompa ciepła]] | + | |
| - | [[ru:Тепловой насос]] | + | |
| - | [[simple:Heat pump]] | + | |
| - | [[sv:Värmepump]] | + | |
| - | [[tr:Isı pompası]] | + | |
| - | [[yi:היץ פאמפ]] | + | |
| - | [[zh:熱泵]] | + | |
Version actuelle
Notre environnement stocke chaque jour de la chaleur émise principalement par les rayonnements solaires. L'air, l'eau et la terre sont ainsi réchauffés et accumulent une énergie gratuite et inépuisable. Récupérer cette chaleur et l'utiliser pour le chauffage de la maison est possible grâce aux pompes 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. Le réfrigérateur ainsi que le congélateur sont les systèmes de pompe à chaleur les plus connus.
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 XXIème siècle, souvent servir de climatiseurs.
Ces équipements permettent d’économiser les énergies fossiles tout en limitant nos rejets de gaz à effet de serre. Il en existe plusieurs types, qui puisent la chaleur soit dans l'air (pompes aérothermiques), soit dans le sol ou l'eau des nappes phréatiques (Énergie géothermique).
Sommaire |
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Principe
Image:Heatpump.svg
Schéma du cycle de réfrigération :
1) circuit de condensation (dégagement de chaleur)
2) goulot d'expansion du gaz réfrigérant
3) circuit d'évaporation (production de froid)
4) compresseur.
1) circuit de condensation (dégagement de chaleur)
2) goulot d'expansion du gaz réfrigérant
3) circuit d'évaporation (production de froid)
4) compresseur.
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 (277,15 kelvins). La consommation énergétique sert uniquement à mettre en mouvement les fluides (compression).
On définit 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.
L'efficacité d'une pompe à chaleur décroît avec l'écart de température. L'efficacité d'une PAC est limitée 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 COP (de l'Anglais: coefficient of performance). 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...
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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 réclament un fort investissement financier. Aussi, certains modèles sont réversibles, capables 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 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 systèmes à air ont des COP de 4 à 5 maximums. 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. L'autre avantage est que ces machines peuvent servir de climatisation.
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Fonctionnement
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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 coûteux, il présente l'avantage d'occuper moins de surface au sol. Les capteurs verticaux sont également appelés sondes géothermiques.
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Parties principales de la PAC
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.
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Le circuit de chauffage
La température de l'eau chaude fournie par une pompe à chaleur est moins importante qu'avec une chaudière classique (30 à 40°C). Ce de fait on utilise principalement deux types de système de chauffage qui sont bien adaptés aux basses températures :
- Le plancher chauffant
- Les convecteurs surdimensionnés (par rapport à une installation chaudière classique)
Image:Pompe à chaleur géothermique.jpg
Fonctionnement d'une pompe à chaleur géothermique à fluides intermédiaires
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Voir aussi
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Liens internes
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Liens externes
www.afpac.org Site de l'Association Française pour les Pompes à Chaleur] (principes et informations)//www.europe-geothermie.com/geothermie/comparatifs.php3 Comparatif avec les autres énergies] www.afpac.org Site de l'Association Française pour les Pompes à Chaleur] (principes et informations)//pagesperso-orange.fr/pompe-a-chaleur/ Comparatif entre les différents types de pompes à chaleur] www.afpac.org Site de l'Association Française pour les Pompes à Chaleur] (principes et informations)//www.ademe.fr/particuliers/Fiches/pacg/ Série d'articles sur les pompes à chaleur (ADEME)]
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