La pompe à chaleur (PAC) est un système répandu dans nos habitations qui permet entre autres de faire fonctionner un circuit de chauffage ou de chauffer l’eau sanitaire. Mais comment fonctionne une pompe à chaleur ?
Il n’y a ni gaz, ni fioul, ni bois, alors quelle source d’énergie est utilisée pour ainsi créer un cycle thermique d’une redoutable efficacité. Tout repose sur le principe de la thermodynamique.
Une rapide découverte du principe et des caractéristiques vulgarisés de la thermodynamique nous permettra de mieux comprendre comment les pompes à chaleur appliquent ce principe afin d’augmenter (ou diminuer) la température dans nos maisons.
Enfin, nous découvrirons les différents modèles qui existent et les types d’installations possibles, car la pompe à chaleur n’est pas si éloignée d’un système de climatisation. Bien qu’elle soit majoritairement conçue pour réchauffer l’air.
La thermodynamique et ses principes
Cette loi est principalement issue du physicien Sadi Carnot (début 19e siècle) et repose sur quatre grands principes :
- le principe zéro, la notion d’équilibre thermique ;
- le premier principe, la notion de conservation d’énergie ;
- le deuxième principe (dit de Carnot), la notion d’irréversibilité ;
- le troisième principe (dit de Nernst), les propriétés de la matière proche des températures du zéro absolu.
Vous l’aurez compris, nous ne nous lancerons pas dans une étude physique approfondie de ces principes. Mais, un regard sur le passé permet de mieux comprendre le fonctionnement des technologies du présent.
La pompe à chaleur est un exemple très concret de cette loi qui se résume en quelques mots : le changement d’état. C’est en effet le fait de modifier l’état d’un fluide frigorigène qui va permettre de transporter puis de restituer des calories et donc de devenir source de chaleur ou de froid selon l’endroit où l’on se situe par rapport au cycle en cours.
Il est peu probable que Carnot, lorsqu’il étudiait ces lois et leurs effets sur un système ou un circuit, pensait à leur application en aérothermie ou en géothermie, en climatisation ou en radiateurs tels qu’on les connait aujourd’hui. Mais les bases étaient posées et les modèles de PAC actuels répondent exactement à ces principes.
À noter également qu’une pompe à chaleur peut prélever ses calories dans trois différents milieux que sont :
- l’air (pompe à chaleur aérothermique appelée aussi système air/air ou air/eau selon le système de chauffage en aval) ;
- l’eau (PAC hydrothermique appelée aussi système eau/air ou eau/eau selon le système de chauffage en aval) ;
- la terre (pompe à chaleur géothermique appelée également système eau/eau).
Le cycle d’une pompe à chaleur et son rapport avec la thermodynamique
Sans entrer dans les détails complexes du fonctionnement de la PAC, nous allons voir comment le fait de modifier l’état d’un liquide frigorigène permet de créer du chauffage grâce au captage des calories ambiantes tout en donnant corps aux principes de la thermodynamique. Notre explication va se focaliser sur l’aérothermie (plus répandue) pour simplifier les choses, mais les bases sont les mêmes pour les autres principes.
- La vaporisation : les calories sont contenues dans le milieu (air ou eau à température ambiante). On soumet alors l’air, par exemple, en grande quantité à un évaporateur (grâce aux ventilateurs que l’on aperçoit souvent en façade des pompes à chaleur) afin que, se frottant à l’évaporateur, l’air se réchauffe. Cet évaporateur contient du fluide frigorigène (et non de l’eau, car elle ne s’évapore qu’à une température trop élevée) qui passe alors de l’état liquide à l’état gazeux, mais reste toujours en basse pression.
- La compression : le gaz créé passe alors dans un compresseur (alimenté de manière électrique) et se réchauffe, augmentant donc sa pression et sa température.
- La condensation : le gaz sous pression et à haute température arrive ensuite dans le condenseur où il se décharge de son énergie, relâchant alors ses calories. Il redevient liquide, mais reste sous haute pression. Le condensateur est un système d’échangeur qui peut être, par exemple, les tuyaux d’eau d’un chauffage central ou de chauffage au sol et même des pompes à eau permettant de créer une source thermique pour une piscine.
- La détente : le fluide passe alors dans un détendeur puis repasse en basse pression. Par ce cycle, le fluide frigorigène redevient donc froid et liquide et il peut dès lors repartir vers l’évaporateur, le compresseur, etc.
Ce cycle permet d’utiliser un circuit fermé qui se base sur les principes de thermodynamique afin de puiser une énergie (sous forme de calories dans l’air ambiant) pour la transporter grâce à un fluide dit «caloporteur» qui change d’état (gazeux et liquide, basse et haute pression) et restituer cette énergie dans une installation dédiée la plupart du temps au chauffage. Ce principe repose donc sur un équilibre thermique. Par ailleurs, il y’a bien eu également une conservation de l’énergie malgré les changements d’état successifs.
La notion d’irréversibilité se constate en aval, lorsque le système a réchauffé la maison par exemple. Les calories qui ont servi à cela ne peuvent plus retourner dans le système pour recréer une source de chaleur.
Les principes liés aux comportements de la matière proche du zéro absolu que nous avons précédemment cités ne peuvent pas vraiment être évoqués dans cet exemple pour des raisons évidentes, car bien qu’une PAC domestique soit performante, elle a des limites.
La thermodynamique, une efficacité qui se mesure
Comme tout système, une pompe à chaleur délivre une certaine «puissance» de température qui peut s’exprimer en watts (ou kilowatt-heure, kWh). Pour les PAC, il existe le COP (coefficient de performance). Ce COP est un chiffre qui exprime le ratio entre la puissance utilisée et la puissance délivrée.
En effet, pour fonctionner, une PAC consomme un minimum d’énergie électrique et donc un minimum de kilowatt-heure. Admettons que pendant une durée d’une heure, elle consomme 1 kW. Mais, pendant cette même heure, la pompe à chaleur restitue 4 kW de puissance de chauffage dans un plancher chauffant par exemple. Le COP de cette pompe à chaleur est donc de 4, tout simplement.
Nous l’avons vu et éprouvé, les lois inflexibles de la thermodynamique expliquent comment un équipement aussi performant qu’une pompe à chaleur peut augmenter la température d’une maison alors que l’air dehors reste frais. Imaginez un système inverse. Si votre intérieur est trop chaud, vous pouvez alors réaliser un captage des calories pour qu’elles aillent «réchauffer» l’air extérieur grâce à votre système de «changement d’état» que représente votre PAC, qualité souvent confondue avec la climatisation (possible seulement avec un climatiseur). C’est néanmoins, à peu de choses près, ce que fait un réfrigérateur grâce à un système frigorifique (inversé donc).
La thermodynamique appliquée aux pompes à chaleur n’est qu’une concrétisation moderne des multiples possibilités que ces lois physiques nous permettent.
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