Qu’est-ce qu’une pompe à chaleur ?

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Si pour produire du froid, il faut du chaud, dans ce processus d’échange thermique, la pompe à chaleur en est une digne représentante.

Pour beaucoup, pompe à chaleur signifie chauffage moderne avec l’apparition ces dernières années de systèmes de chauffage performants, notamment, les planchers chauffants dans les maisons basses consommations.

Mais c’est aussi un bon système de réfrigération, en l’inversant.

C’est d’ailleurs ce que proposent les entreprises aujourd’hui, des pompes à chaleur réversibles : chauffage l’hiver, climatisation l’été.

Définition

Une pompe à chaleur (PAC) est un dispositif thermodynamique permettant de transférer la chaleur du milieu le plus froid (et donc de 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 égalité des températures, dans le cas d’une PAC, on parle de cycle frigorifique pour désigner le cycle thermodynamique.

Les réfrigérateurs, les climatiseurs, sont de bons exemples de pompes à chaleur.

Principe de fonctionnement

On définit tout d’abord deux milieux : la source froide, d’où l’on extrait la chaleur, et la source chaude, où on la réinjecte.

L’énergie thermique qui va transférer cette chaleur va se faire par contact direct et par convection, c’est à dire par un échange de matière entre des fluides (gaz et liquides).

Dans le cas d’une PAC, la dissipation de l’énergie thermique va se faire grâce au changement d’état (liquide/gaz) d’un fluide caloporteur qu’on oblige à circuler à l’intérieur d’un circuit frigorifique.

Le fonctionnement se passe en quatre temps :

Premier temps : le fluide frigorigène sous pression libère sa chaleur au fluide secondaire (air, eau) en passant de l’état gazeux à l’état liquide dans le condenseur (source chaude).
Deuxième temps : le fluide frigorigène maintenant en phase liquide perd de sa pression dans le détendeur.
Troisième temps : la chaleur est prélevée au fluide secondaire (air, eau) pour vaporiser le fluide frigorigène dans l’évaporateur (source froide).
Quatrième temps : le fluide frigorigène redevenu gazeux est élevé en pression et en chaleur dans un compresseur actionné par un moteur électrique.

Schéma de principe d’une PAC à détente directe

Lorsque la pompe à chaleur se compose d’un circuit unique, on parle de PAC à détente directe.

Dans le cas de plancher chauffant: le fluide frigorigène passe directement dans le sol qui joue le rôle de condenseur (source chaude), le circuit de captage (dans le jardin) jouant le rôle d’évaporateur (source froide).

Dans le cas d’un réfrigérateur : le fluide frigorigène passe dans une grille (le condenseur) à l’arrière de l’appareil en contact avec l’air ambiant, et ensuite dans un « radiateur » (l’évaporateur) à l’intérieur du réfrigérateur pour capter la chaleur des aliments (et donc les refroidir).

Dans le cas d’une climatisation : le fluide frigorigène passe dans un condenseur à l’extérieur du bâtiment en contact avec l’air ambiant, et ensuite passe dans un évaporateur à travers lequel on fait circuler de l’air propulsée par un ventilateur à l’intérieur de la pièce à refroidir.

Coefficient de performance

Les pompes à chaleur pour leur fonctionnement ont une consommation électrique.

Par convention, on donne le nom de « coefficient de performance », le COP, au nombre de kWh produit pour un kWh consommé.

Ainsi une PAC ayant un COP de 3, produit 3 kWh de chaleur pour 1 kWh consommé.

Le COP n’a de signification qu’à températures de source froide et de source chaude données.

Il ne peut jamais être égal à Un.

En conclusion

Une pompe à chaleur est nécessaire dès que l’on veut produire du froid, que ce soit pour la conservation (réfrigérateur, congélateur) ou que ce soit pour le confort (climatisation).

Une PAC est aussi nécessaire pour produire du chaud (plancher chauffant).

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