FAQ

1 - Pompe à chaleur, intérêt
2 - en résumé, pourquoi ça marche ?
3 - D’où vient ce miracle ? Un peu d'Histoire
4 - Le cycle frigorifique
5 - Comment ça marche ?
6 - Le fluide frigorigène
7 - Dans le détail, comment ça marche une PAC ?
8 - Cas concret : dimensionnement pour une petite copropriété
9 - Video d'animation, avec arrêts sur image
10 - Pour finir, les composants d'une vrai PAC

Pompe à chaleur (PAC) - intérêt
 
Une PAC est une machine thermique qui produit de la chaleur ou du froid dont on a besoin (Q), à partir :

• de chaleur ou de froid que l'on prend gratuitement dans l'environnement : Qg
• et d'un surcroît d'énergie W (électrique, mécanique..) que l'on fournit à la machine

Ici, une pompe à chaleur géothermique Vitocal 300-G de Viessmann, dans la gamme de 20 à 120 kW, pouvant alimenter en eau chaude pour le chauffage et l'ECS une petite copropriété d'une quinzaine d'appartements.
Quel intérêt ?

Le gros intérêt, est qu'avec 1 kWh d’électricité,
nous récupérons 3 kWh de chaud avec une PAC, au lieu d'1 kWh sans PAC (COP=3).
Pour avoir 300 € de chauffage, nous ne payons que 100 € !

 

En résumé, pourquoi ça marche ?

Une video pour comprendre globalement le sujet
Pompe à chaleur, démonstration

Poursuivons notre petite explication ... Supposons que nous ayons besoins de chauffer une pièce.

Avec un simple radiateur, nous fournissons par exemple une énergie électrique W, que nous payons,
et le radiateur électrique transforme cette énergie en chaleur Q.
Comme rien ne se perd et rien ne crée... nous avons Q=W

Avec une pompe à chaleur, la chaleur Q dont nous avons besoin provient :
1) en partie de l'énergie électrique W fournie à la fameuse machine thermique
2) en partie de l'énergie Qg que la machine capte dans l'environnement
Comme rien ne se perd et rien ne crée... nous avons Q=W+Qg

Grâce à cette machine thermique, nous n'avons payé qu'une partie de ce dont nous avons besoin,
et l'autre partie nous est fournie gratuitement dans notre environnement immédiat.

Cette énergie gratuite provient de l'environnement qui nous donne ses calories, et donc que nous «refroidissons» . Il peut s'agir : de l'air ambiant (nous prenons de l'air, que nous restituons plus froid),   de l'eau d'une nappe phréatique (nous prenons de l'eau à un endroit, pour la restituer, plus froide, un peu plus loin), du sol (une sonde dans laquelle circule de l'eau glycolée vient prendre des calories dans le sol qui se refroidit) Ces images sont issues de ce site et de  ce site

 
Si nous appelons COefficient de Performance (COP)
le ratio entre ce que nous avons et ce que nous payons, nous avons :

dans le cas du radiateur : COP = Q/W = W/W = 1 dans le cas d'un radiateur alimentée par la machine thermique : COP = Q/W = (W+Qg)/W = 1+Qg/W qui est donc supérieur à 1. En général ce ratio est d'environ 3.

Cela signifie qu'avec 1 kWh d’électricité,
nous récupérons 3 kWh de chaud au lieu d'un seul avec le radiateur.
Voilà l'intérêt : nous avons divisé notre facture par 3 !

D’où vient ce miracle ? Un peu d'Histoire.

En fait, ce miracle n'est pas venu tout seul, mais est la conséquence des progrès d'une science qu'on appelle la thermodynamique, de thermo (la chaleur) et de dynamique (du mouvement).
Il s'agit donc de la science des machines thermique.

Comme le Monsieur Jourdain de Molière, nous utilisons sans le savoir beaucoup de machines thermique.

Notre voiture, notre moto, notre scooter, sont équipées d'un moteur, qui est une machine thermique. Les trains à vapeur Notre réfrigérateur, notre congélateur, sont aussi des machines thermiques Si nous utilisons une climatisation, nous utilisons aussi une machine thermique Quand nous prenons du courant à une prise électrique, il faut savoir que celui-ci est produit en grande partie par une centrale thermique (au gaz, au charbon, nucléaire ou solaire), grâce à une machine à vapeur, qui est une gigantesque machine thermique. D'autres centrales solaires fonctionnent avec des moteurs Stirling qui sont des machines thermiques

Tous ces moteurs et machines thermiques fonctionnent selon des principes proches.

Toutes utilisent des notions de cycles thermiques, comme le cycle de Carnot, de Joule, de Beau de Rochas,
de Otto, de Diesel, de Rankine, de Hirn, de Hampson-Linde, de Stirling, de Carré.

Sadi Carnot, ancien élève de l'École polytechnique et du Conservatoire national des arts et métiers,
physicien, fondateur de la thermodynamique. Tous les moteurs thermiques , les centrales énergétiques,
les automobiles, les moteurs à réaction suivent ses principes.



Les chercheurs et Ingénieurs qui les ont mis au point leur ayant laissé quelquefois leur noms,
tels Sadi Carnot, James Prescott Joule, Alphonse Eugène Beau, Nikolaus Otto, Rudolf Diesel,
William John Macquorn Rankine, William Hampson, Carl von Linde, Robert Stirling, John Gorrie,
James Harrison, Ferdinand Carré, Charles Tellier, David Boyle...

Certain de ces cycles concernent des machines qui fournissent une force mécanique (un travail)
 à partir de chaleur. On parle de cycles moteurs :
Joule, Ericsson, Stirling, Beau de Rochas ou Otto (nos voiture à essence), Diesel (nos voiture gazole)...

Ci-dessous un cycle moteur tiré de ce site
(remarquez que les flèches tournent dans le sens des aiguilles d'une montre sur le schéma)


Voilà un aperçu de cours sur ces cycles thermodynamiques, la plupart moteurs,
du plus simple au plus complexe (cours niveau BAC+2) : lien 1, lien 2, lien 3

D'autres cycles concernent des machines qui fournissent de la chaleur à partir d'une force mécanique.
On parle de cycles inverses (Joule inverse, Stirling inverse, cycle frigorifique de Carnot, Linde,
cycles à sorption...). Ce sont ceux-là qui nous intéressent ici : les cycles frigorifiques.

Le cycle frigorifique

Le cycle thermique dont il est question dans les PAC ou les réfrigérateurs est un cycle fermé, 
directement issus des travaux successifs de Carnot, Oliver Evans, John Gorrie, 
et James Harrison (première machine mécanique à fabriquer de la glace fonctionna en 1851). 

On appelle ce cycle un cycle frigorifique.

Rmarquez sur les schémas  P=f(V) et T=f(S) que le cycle, en prenant le sens des numéros croissant,
  tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, l'inverse des cycles moteurs :
ils consomment de l'énergie mécanique.
Il existe un autre schéma de cycle, P=f(H), qui sera vu plus bas.

On joués un rôle important dans l'invention et la mise au point
tant des fondations théoriques que des premières applications pratiques :
Nicolas Léonard Sadi Carnot (français, 1796-1832), père des principes de base de la thermodynamique.
Oliver Evans (americain, 1755-1819), inventeur de machines à vapeur à haute pression,
John Gorrie (americain, 1802-1855), père de la réfrigération et du conditionnement d'air : 
première machine frigorifique à air,
James Harrison (écossais, Australie, 1816-1893), pionnier dans les techniques de réfrigération. 
On lui doit en 1851 la première machine mécanique à fabriquer de la glace.

Comment ça marche ?

Normalement, la chaleur s'écoule d'un milieu chaud, qui se refroidit, vers un milieu froid, qui se réchauffe.
A la fin, on a un équilibre, et les 2 milieux sont à la même température.
C'est ce qui se produit quand nous refroidissons notre soupe brûlante avec un peu de lait froid,
ou lorsque nous refroidissons notre apéritif avec des glaçons.
C'est aussi ce qui se produit par exemple à travers nos fenêtres l'hiver :
la chaleur s'écoule de notre logement vers l'extérieur.

Mais en disposant d'un peu d'énergie, comme de l'électricité,
et d'une machine frigorifique qui contient un fluide particulier,
on peut inverser le cours du flux de chaleur,
et pomper de la chaleur d'un milieu froid, qui va encore plus se refroidir,
et l'apporter à un milieu chaud, qui va se réchauffer. C'est le principe d'une pompe à chaleur.

Commençons par une petite video pédagogique
Pompe à chaleur fonctionnement thermodynamique

Tout le principe de la pompe à chaleur (PAC), tient au fait qu'à l'intérieur,
un fluide, grâce au peu d'énergie qu'on lui apporte, parcourt un cycle frigorifique,
et en retour, ce cycle redonne plus d'énergie, sous forme de chaleur, que l'on en a donné au départ !

Le cycle frigorifique est un cycle thermodynamique, et donc une suite de transformations successives
qui part d'un système initial, qui se transforme par étapes, et qui revient finalement à son état initial.
Puis le cycle recommence.
Au cours du cycle, le cœur du système (un composant chimique sous forme de fluide) voit son état varier (sa température, sa pression, son volume, son état de vapeur ou de liquide ...) et durant tout ce temps, du cycle, le système échange de l'énergie avec l'extérieur, sous forme de travail ou de transfert thermique (chaleur ou froid).

C'est par exemple comme cela que fonctionne votre réfrigérateur !
A l'intérieur du frigo, on trouve un circuit dans lequel se trouve un composant :
un fluide frigorigène  sans impact sur la couche d'ozone.



Ce fluide frigorigène subit dans notre frigo (ou dans une pompe à chaleur) un cycle de 4 étapes.

Il est successivement comprimé, condensé, détendu et évaporé, puis le cycle recommence :
compression, condensation, détente, évaporation, etc.

Ce cycle permet d'abaisser la température d'un milieu relativement froid
comme l'intérieur de notre frigo (la source froide)
et simultanément d'augmenter la température d'un autre milieu relativement chaud
comme l'arrière de notre frigo (la source chaude)
au moyen d'une dépense d'énergie mécanique (le compresseur de notre frigo, alimenté à l'électricité).

Un réfrigérateur ou une pompe à chaleur fonctionne exactement de la même manière.
La seule différence, c'est que pour un frigo, on s’intéresse au froid produit dans le frigo,
et pas à la chaleur produite derrière le frigo.
Alors que dans une pompe à chaleur, on s’intéresse au chaud qu'elle produit,
et pas du tout au froid qu'elle évacue à l'extérieur.
D'ailleurs, il existe aussi des PAC réversibles, qui permettent de refroidir son logement durant l'été !

Le fluide frigorigène

Quels sont les fluides qui permettent ce petit miracle ?

Aujourd'hui, les fluides frigorigènes courant sont des dérivés halogénés de l'éthane :

Aujourd'hui, les Fréons, dérivés chlorés du méthane et destructeurs de la couche d'ozone, sont tous interdit.
Ce fut le cas notamment des Fréon R11 (trichlorofluorométhane, CCl3F),
Fréon R12 (dichlorodifluorométhane, CCl2F2), ou le Fréon R13 (chlorotrifluorométhane, CclF3).
Cela est aussi le cas du R22 (chlorodifluorométhane, CHClF2),
déjà interdit dans le neuf et qui sera interdit totalement dans l'UE le 31/12/2014.

Dans le détail, comment ça marche une PAC ?

Dans le détail, un schéma valant souvent mieux qu'un long discours, voilà comment ça marche :



Pour en savoir plus sur le cycle frigorifique... il faut faire un peu de thermodynamique...

Commençons par regarder cette petite video :  Le circuit frigorifique


La figure ci dessous illustre le cycle frigorifique parcouru par le fluide frigorigène d'un frigo ou d'une PAC.



Dans la phase de compression, le fluide est comprimé jusqu'à une pression de 9 bars
Le compresseur assure durant tout le cycle la circulation du fluide en poussant celui-ci dans le circuit.

Suit ensuite la phase de refroidissement (de-surchauffe)
sous l'effet de l'échange avec le circuit des radiateurs qui prend la chaleur du fluide.

Ensuite apparaît la phase de condensation à 9 bars et 35,5 °C:
le fluide continue à céder des calories et une première goutte de liquide apparaît,
puis le fluide à l'état de vapeur devient de plus en plus liquide,
jusqu'à croiser de nouveau la courbe de condensation où la dernière bulle de vapeur disparaît.

Le fluide est alors complètement liquide, toujours à 9 bars et 35,5°C,
et continue à se refroidir (sous refroidissement).

Ensuite, le fluide est détendu en passant par exemple dans un petit capillaire,
jusqu'à atteindre une pression de 2 bar.
En ce détendant, une partie du fluide est transformé en vapeur.
A la fin de la détente, on se retrouve en présence d'un fluide a l'état de liquide et de vapeur
(un peu comme en ouvrant un peu trop rapidement une cocotte minute,
on condense l'eau qui était au préalable à pression et température plus élevée).

Enfin, le fluide frigorigène, à -10°C, est au contact d'une source plus chaude que lui (l'intérieur de frigo),
et s'évapore, jusqu'à rencontrer la courbe de saturation où la dernière goutte de liquide disparaît.

En continuant à s'échauffer (surchauffe), sa température augmente,
et le fluide retourne au compresseur pour débuter un nouveau cycle.

* * *

Ce cycle est représenté ci-dessous sur un diagramme de Mollier,
sur lequel figure la courbe de saturation du fluide,
 en fonction de la pression qu'il subit et de son enthalpie,
c'est à dire à pression constante la quantité de chaleur qu'il peut échanger avec l'extérieur,
directement en kJ par kg de fluide.


* * *

Cours de thermodynamique

Le présent site n'a pas vocation a approfondir le savoir,
mais seulement à l'illustrer au travers de calculs simples,
trouvés quand cela est possible dans les exemples qui se rapproche de notre quotidien.
Aussi, pour en savoir plus, je vous invite à parcourir l'excellent cours en ligne d'auto formation

Les cours en ligne sur internet, tels que l'e-learning de ce site vous permettrons de mieux comprendre le sujet.
Ici, il s'agit des cours en lignes de Mines Paris Tech, disponibles par exemple ici

Sur internet, il existe aussi des MOOC (Massive Open Online Courses),
comme il en existe au CNAM à condition de vous y inscrire.
Les cours du CNAM peuvent donc aussi se suivre sur internet !

Cas concret : dimensionnement pour une petite copropriété

Pour une vision synthétique de l'ensemble est résumée dans la planche que j'ai réalisée ci-dessous :



J'ai ici pris la puissance thermique dont a besoin notre copropriété de 16 appartements,
soit un besoin évalué à 120 kW de puissance thermique.

Une PAC de 90 kW avec un COP de 4 (les standards communs en 2013) suffit à combler les besoins.
La facture correspond uniquement à la fourniture d'énergie mécanique au compresseur (donc in fine sous forme électrique),
soit une puissance de 30 kW, contre nos 120 kW de départ, soit 4 fois moins de puissance consommée, et autant d'énergie.
On peut espérer réduire la facture d'un facteur 4, au ratio des sources énergétique près.
Avec un fuel à 0,09 €/kWh, et de l'électricité à 0,12 €/kWh, on baisse la facture d'un facteur 4x9/12 = 3 !

En revanche, comme vous le voyez dans le calcul sur le schéma,
le nombre de sondes géothermiques qui seraient nécessaires est important,
 et nécessite une place et une puissance d'investissement qui peut faire reculer,
même si l'énergie nécessaire au fonctionnement est singulièrement diminuée.

Toutes les économies se mesurent bien sûr... et ensuite, c'est souvent une histoire d'habitudes,
de craintes et de contraintes,  de tempo (on est plus ou moins pressé),
de stratégie (augmentation de la valeur du bien ou investissement à minima)...
bref, une histoire de goût et de couleur, et les goûts et les couleurs...
ça se décide à la majorité qualifiée en assemblée générale !

Video d'animation, avec arrêts sur image

Une video fort bien faite, qui prend comme base la PAC air/eau de Danfoss : DHP-AX
Il s'agit d'une PAC de faible puissance, d'environ 10 kW,
suffisante pour les besoins en chauffage et ecs d'une habitation individuelle.



Sur youtube, Danfoss air/water heat pump DHP-AX - How works?
La même video, sur vimeo

Pour vous aider à suivre cette video sans commentaires...
une vision image par image... avec les explications :

L'évaporateur capte les calories de l'air extérieur et le fluide frigorigène à l'état liquide s'évapore. Il passe petit à petit complètement à l'état de vapeur.	Le compresseur aspire les vapeurs du fluide frigorigène
Le compresseur comprime les vapeurs du fluide frigorigène et les refoule vers le condenseur	Le compresseur comprime les vapeurs du fluide frigorigène et les refoule vers le condenseur
Dans le condenseur, le fluide frigorigène à l'état de vapeur se condense au contact de l'eau tiède du circuit de chauffage.	L'eau de chauffage se réchauffe, et prend les calories au fluide frigorigène qui se liquéfie en se condensant
Le fluide frigorigène, à l'état liquide et a haute pression, entre dans le détendeur.	Le fluide commence à se détendre dans le détendeur. Au fur et à mesure que le fluide rentre dans le capillaire, il se refroidit. Quand la pression a bien diminuée, le fluide commence à se vaporiser.
A la sortie du détendeur, le fluide, majoritairement liquide, rentre à nouveau dans l'évaporateur.	Dans l'évaporateur, le fluide capte les calories de l'air extérieur et s'évaporer.

Pour finir, les composants d'une vrai PAC


La notice technique de la PAC ci-dessus est disponible ici 

Les élements qui suivent en sont extraits.

Le schéma interne de la PAC


Le schéma de principe de la PAC



Le schéma global de l'installation avec la PAC