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Tout savoir sur les pompes à chaleur…

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Nous avons rencontré David Bonnet, le président de l’AFPAC et membre de l’équilibre des énergies, pour lui demander toutes ses lumières sur le fonctionnement des Pompes à Chaleur dont la croissance des installations prouve que la PAC est une solution thermique populaire, qui utilise des énergies renouvelables pour diminuer les factures d’énergie.

La pompe à chaleur (PAC) est un équipement exploitant une technologie qui permet d’exploiter et de valoriser les sources d’énergie renouvelables que sont l’air, l’eau et le sol. Sources d’énergies renouvelables disponibles 24h/365 jours par an (versus des sources d’énergie renouvelables telles que le soleil et le vent qui sont, de par nature, sujettes à intermittence).

Exploiter et valoriser :

Les sources d’énergie renouvelables que sont l’air et le sol (sauf à très grande profondeur) ne sont pas à des niveaux de température qui permettent de les utiliser directement dans un processus de chauffage de locaux ou de production d’eau chaude sanitaire (ECS). Il en va de même pour l’eau, sauf à l’exploiter à une certaine profondeur. La pompe à chaleur en permettant de remonter à un niveau exploitable la température de ces énergies renouvelables permet de les exploiter et donc de les valoriser dans des installations de chauffage ou de production d’eau chaude sanitaire.

Une analogie parlante :

Vous avez, dans votre maison de campagne, un puits capable de vous donner toute l’année plusieurs m3/h d’une eau potable de grande qualité. Cette eau est disponible … et de plus elle est gratuite. Inconvénient elle est à –20m … et le robinet de votre lavabo est à ~ +1m. Comme vous êtes malin, vous allez installer une petite pompe qui va remonter l’eau de -20m à +1m. Votre eau, rassurez-vous sera toujours bonne … mais elle sera un peu moins gratuite; elle vous coûtera les quelques kW/h consommés par la pompe.

Il en va de même de la pompe à chaleur. Vous avez autour de vous de l’air, de l’eau ou un sol qui renferment des quantités très importantes de calories gratuites etdisponibles 24h sur 24, 365 jours par an … mais à des niveaux de température qui ne vous permettent pas de les utiliser pour chauffer à 40, 50, 60°C vos radiateurs ou pour produire votre ECS. La pompe à chaleur va, tout simplement, remonter le niveau de température de ces calories qui seront seulement un peu moins gratuites … puisqu’il vous faudra payer les kW/h nécessaires au fonctionnement du compresseur et des auxiliaires de votre Pompe A Chaleur.

Rappel de quelques données et principes de physiques, très basiques, pour bien comprendre :

Le sens d’écoulement naturel de la chaleur est d’aller du point le plus chaud vers le point le plus froid. En terme pratique, cela s’appelle les déperditions au niveau d’un bâtiment (pont thermique). On peut cependant isoler tant que l’on veut, in fine « la chaleur s’en va » … même le café dans votre bouteille thermos fini par se refroidir. Notre échelle de température est une convention avec un zéro degré (température de la glace fondante), un 100°C (température d’ébullition de l’eau à la pression atmosphérique normale). Donc des températures positives et des températures négatives. Malgré cela, il y a des calories gratuites et disponibles en dessous de 0°C et ce,  jusqu’à de très basses températures. Le « vrai » zéro, le « zéro absolu » se trouve lui (sur notre échelle thermométrique) à -273,15 °C .

-La définition d’une calorie est quasi indépendante de la température à laquelle on la considère, c’est la quantité de chaleur nécessaire pour élever un gramme d’eau de un degré.

-Quand on comprime fortement et rapidement un gaz, la température de celui-ci s’élève (faite l’expérience avec une pompe à vélo en bouchant l’embout avec votre doigt … le corps de la pompe à vélo devient chaud).

– Quand on détend fortement et rapidement un gaz, sa température s’abaisse (faite l’expérience avec une bombe de laque pour cheveux, en appuyant plusieurs secondes de suite sur la valve, le corps de la bombe de laque se refroidit). Avez-vous déjà vue une station de distribution de gaz de ville en plein hiver, elle détend fortement et longuement et il peut y avoir plusieurs centimètres, voir dizaines de cm de glace sur les tuyauteries et les vannes.

Ces deux derniers principes se retrouvent ci-dessous dans l’explication du fonctionnement du circuit frigorifique d’une PAC.

La pompe à chaleur est composée de 4 éléments principaux :

  1. le compresseur ;
  2. deux échangeurs l’un pour capter l’énergie à l’extérieur (évaporateur);
  3. l’autre pour la restituer à l’intérieur (condenseur) ;
  4. le détendeur.

La compression : le compresseur va aspirer le fluide frigorigène qui se trouve sous forme de gaz à basse température. En comprimant le gaz, sa température va s’élever en même temps que sa pression. Nous aurons donc à la sortie du compresseur un gaz chaud à une pression élevée.

Diffusion de la chaleur au condenseur: Le gaz chaud va être dirigé vers un échangeur (appelé condenseur) dans lequel circule un fluide à réchauffer (eau du réseau de chauffage par exemple ou air intérieur). Le gaz chaud va donc transmettre une partie de son énergie au fluide à chauffer dont la température va augmenter. Ce faisant, le gaz frigorigène va condenser, c’est à dire qu’il va passer de l’état gazeux à l’état liquide (d’où le nom de condenseur).

La détente : Le frigorigène à l’état liquide, qui est toujours à pression élevé, va être ensuite détendu au travers du détendeur. C’est à dire que la pression va chuter abaissant ainsi la température du frigorigène qui reste à l’état liquide. A la sortie du détendeur, la température du frigorigène beaucoup plus basse est inférieure à la température de la source de récupération.

Récupération de la chaleur de l’environnement par l’évaporateur : Le frigorigène, froid et à l’état liquide, va traverser un deuxième échangeur (appelé évaporateur) dans lequel circule le fluide extérieur (air extérieur, eau de nappe ou eau échangeant avec un capteur enterré dans le sol) qui est plus chaud que le frigorigène. Ce dernier va donc récupérer l’énergie (les calories) de ce fluide extérieur. En récupérant cette énergie, le frigorigène va entrer en ébullition et donc se transformer en gaz (évaporation) d’où le nom d’évaporateur. Le gaz ainsi formé est ensuite aspiré par le compresseur pour un nouveau cycle.

La chaleur de l’environnement présente dans l’air, le sol et l’eau souterraine est une énergie toujours disponible, gratuite et sans cesse renouvelée grâce au rayonnement solaire et aux pluies. La pompe à chaleur permet de prélever cette chaleur présente dans l’environnement et de la transférer à un niveau de température plus élevé dans les logements afin de les chauffer.

La pompe à chaleur sert donc à récupérer de l’énergie dans le milieu extérieur (sol/eau/air) grâce à l’évaporateur; à remonter le niveau de température de cette énergie thermique, via le compresseur, à transférer cette énergie au bon niveau de température au milieu intérieur que l’on souhaite chauffer. C’est pour effectuer ces opérations (remontée du niveau de température de la chaleur captée et transfert de la chaleur d’un milieu vers un autre) que l’énergie électrique est consommée.

Nous verrons dans un prochain article, si vous le souhaitez, pourquoi l’avantage des pompes à chaleur réside dans leur faible consommation d’énergie électrique au regard de l’énergie thermique restituée… Vous avez quelque chose à ajouter?

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2 commentaires

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  1. BONNET David dit :

    Réponse à Conseils Thermique.
    Je fais réponse point par point aux aspects évoqués de l’article.
    1) rien ne se perd, rien ne se créé … tout se transforme, il va de soi que la chaleur ne « s’évapore » pas !!!
    2) bien entendu au delà des ponts thermiques, se sont toutes les déperditions dont il s’agit, parois opaques et non opaques, renouvellement d’air, etc.
    3) pour constater le phénomène dans l’exemple d’une pompe à vélo en compression ou d’une bombe de laque en détente, il est préférable que le phénomène soit accompli rapidement !!!
    4) … c’est bien pour celà que j’ai pris la précaution de dire « La définition d’une calorie est quasi indépendante de la température à laquelle on la considère » … et je n’ai pas voulu rentrer dans le détail de la notion de pression qui bien évidemment impacte cette valeur.
    5) … vous avez parfaitement raison de rappeler que nos degrés habituels sont les degrés Celsius.
    6) OK de même pour « l’ordre d’entrée en scéne » des phénomènes physiques … tout commence par la détente … il y a un très beau schéma sur le site de l’AFPAC : .
    7) l’article … qui aura une suite n’avait pas la prétention d’être exhaustif. Le dernier point évoqué concernant la répartition et les « causes » des consommations électriques y trouveront probablement un éclairage plus complet. En attendant, une certitude, le compresseur consomme plus que les auxiliaires … mais les gains apportés ces dernières années sur les consommations des auxiliaires ont largement participés à la forte progression des COP des PAC.
    Merci par vos commentaires de m’avoir donné l’occasion d’apporter ces quelques précisions.
    David BONNET / Président de l’AFPAC

  2. Conseils Thermiques dit :

    Bonjour,

    Quelques infos à rajouter :
    -Il manque la notion d’équilibre entre les températures : Avec ce que vous dites, on dirait que la chaleur part, sans réchauffer le « froid », ce qui n’est évidemment pas le cas.
    -Les ponts thermiques sont une déperdition, mais les déperditions en sont pas des ponts thermiques (au sens où on l’entend dans le bâtiment).
    -La compression n’a pas besoin d’être rapide pour augmenter la température, s’il est elle adiabatique (sans perte de chaleur)
    -Contrairement à ce que vous dites, la valeur d’une calorie change selon la température de l’eau à chauffer et également selon la pression qui n’est pas non plus constante
    -Pour les degrés, préciser « Celsius »
    -Vous faites commencer votre cycle par la compression, alors qu’il devrait plutôt commencer par l’évaporation puisque le gaz doit impérativement est à l’état gazeux avant d’entrée dans le compresseur
    (-il manque également un schéma de fonctionnement…http://conseil-thermique.servhome.org/contenu/images/schema_principe_pompe_a_chaleur.gif pas très beau mais simple et compréhensible…)
    -Dernière chose, le paragraphe sur l’énergie électrique n’est pas clair. Tout d’abord, il faudrait préciser que la consommation électrique du compresseur est prépondérante par rapport à celle des ventilateurs (ou circulateurs selon le fluide). De plus, le compresseur joue également le rôle de circulateur et doit compenser les pertes de charge provoquées (et c’est son but) par le détendeur…Chaque étape requiert donc directement ou indirectement de l’énergie.

    Cordialement,
    Conseils Thermiques