FONCTIONNEMENT D'UNE POMPE A CHALEUR
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Grâce à son efficacité remarquable, la pompe à chaleur a conquis le cœur de plusieurs millions de ménages français et elle est devenue le système de chauffage le plus installé.
Elle doit également cette grande renommée à son mode de fonctionnement particulier qui s’appuie sur un phénomène physique bien connu.
Dans ce guide, nous vous proposons de découvrir en détail comment fonctionne une pompe à chaleur ainsi que ses différents composants qui interviennent dans la transformation de l’énergie naturelle en chaleur exploitable.
Le phénomène thermodynamique
La pompe à chaleur est un appareil thermodynamique. Pour fonctionner, elle s’appuie sur un principe de transfert d’énergie qui lui permet de convoyer des calories d’un milieu chaud A vers un milieu à chauffer B.
Ces mouvements de chaleur sont rendus possibles par un autre phénomène appelé changement d’état.
C’est en effet ce changement d’état d’un de ses composants qui permet au système d’absorber de l’énergie puis de la libérer aux diffuseurs situés à l’intérieur du logement.
En termes techniques, une PAC ne produit donc pas de la chaleur, elle ne fait qu’un travail de transformation suivant les règles de la thermodynamique.
Toutes les pompes à chaleur, qu’elles soient air-air, air-eau, géothermiques ou solarothermiques, fonctionnent suivant ce même principe.
Il faut aussi noter que le phénomène thermodynamique ne peut pas se mettre en route sans une source d’énergie externe.
Dans le cas des pompes à chaleur, c’est l’énergie électrique qui est utilisée. Cependant, contrairement à la plupart des dispositifs de chauffages classiques, les PAC transforment plus de chaleur qu’elles ne consomment d’énergie pour fonctionner.
Cette performance est traduite par un indicateur appelé SCOP (coefficient de performance saisonnier).
Plus celui d’un appareil est élevé, plus il est considéré comme performant.
Comment fonctionne une pompe à chaleur ?
Une pompe à chaleur utilise un circuit frigorifique pour faire passer les calories de l’extérieur vers l’intérieur d’un logement.
Selon les modèles de PAC, la façon dont l’énergie transportée est transmise peut varier.
Toutefois, les principaux composants du système ne changent pas (ou presque).
Les composants d’une pompe à chaleur
Une pompe à chaleur comprend généralement :
- Un ensemble de capteurs
- Un évaporateur
- Un fluide réfrigérant
- Un condenseur
- Un détendeur
Chacun de ces éléments joue un rôle spécifique dans le fonctionnement de la pompe à chaleur.
Les capteurs
Comme leur nom l’indique, les capteurs d’une PAC sont les éléments qui servent à recueillir la chaleur. On les trouve uniquement sur les modèles géothermiques. Ils captent les calories présentes dans le sol et les envoient à l’intérieur du circuit frigorifique pour qu’un cycle de traitement débute. On distingue deux types de capteurs pouvant être couplés à une PAC géothermique selon la configuration du terrain et l’espace disponible : les capteurs verticaux et ceux horizontaux.
Les sondes verticales sont les plus performantes. Elles peuvent descendre jusqu’à 100 mètres de profondeur et récupérer en moyenne une puissance de 40 W par m² . Leur mise en place nécessite un forage adapté.
Les capteurs horizontaux se déploient à quelques mètres sous le sol et peuvent permettre d’obtenir une puissance de 35 W par m². Il faut étendre le circuit sur une surface plane et 2 fois plus grande que celle couverte par le bâtiment à chauffer pour obtenir un bon rendement avec ces sondes. L’espace ainsi exploité ne peut plus recevoir de plantations.
L’évaporateur
L’évaporateur d’une pompe à chaleur est le composant qui récupère les calories provenant des capteurs (ou de l’air directement s’il s’agit d’un PAC air-air ou air-eau). C’est son rôle d’échangeur thermique qui rend possible le phénomène de changement d’état au début de chaque cycle de transformation de chaleur. On distingue les évaporateurs à air et ceux à eau. Chacune de ces formes d’évaporateurs se décline également en plusieurs configurations différentes.
Le réfrigérant (fluide frigorigène)
Le réfrigérant (fluide frigorigène) est l’élément de base d’une pompe à chaleur. C’est lui qui emmagasine la chaleur provenant de l’extérieur pour la transporter jusqu’aux émetteurs du logement avec des changements d’état cycliques. Il existe différents types de fluides frigorigènes : CFC, HFCF, HFC. En raison de leur impact sur l’environnement, les CFC et les HFCF sont interdits à la commercialisation et à l’utilisation en France depuis plusieurs années. Les HFC sont actuellement les plus répandus, mais ils sont également appelés à disparaître au profil de fluides frigorigènes plus écologiques.
Le compresseur
Le compresseur d’une pompe à chaleur s’occupe de la mise sous pression du fluide réfrigérant après son changement d’état. Il est constitué d’éléments mécaniques qui brassent le gaz jusqu’à ce qu’il atteigne la température souhaitée. C’est principalement ce composant qui est à la base du bruit qu’émettent les pompes à chaleur lorsqu’elles fonctionnent. On distingue sur le marché les compresseurs volumétriques à pistons, les compresseurs volumétriques à vis et les compresseurs volumétriques rotatifs.
Le condenseur
Tout comme l’évaporateur, le condenseur joue un rôle d’échangeur thermique. C’est grâce à lui que le fluide caloporteur retrouve sa forme initiale afin d’enclencher un nouveau cycle. Les calories sont libérées à l’intérieur du logement sous son action. Il y a des condenseurs à air et d’autres à eau.
Le détendeur
Le détendeur est le contraire du compresseur. Il retire la pression du liquide caloporteur et le prépare pour un nouveau changement d’état. La température du fluide après son passage dans cette pièce passe en dessous de celui de l’air extérieur (ou de la terre). Il y a plusieurs types de détendeurs, mais ce sont les modèles thermostatiques qui sont les plus utilisés actuellement dans les pompes à chaleur.
Fonctionnement pompe à chaleur Air Eau
Le fonctionnement d’une pompe à chaleur air-eau peut être sectionné en 4 étapes.
Tout d’abord, le fluide frigorifique se charge de calories dans l’évaporateur. Sous l’action de cette chaleur provenant de l’extérieur, sa température monte et il passe à l’état gazeux. Il arrive ensuite dans le compresseur qui le fait encore monter en température et lui donne de la pression (grâce à l’énergie électrique). Le gaz caloporteur sort du compresseur en étant sous haute pression.
Le condenseur reçoit le gaz chaud sous haute pression et se charge de transférer sa chaleur à l’eau du circuit de chauffage. Cette eau (chaude) ira alimenter les émetteurs du logement qui diffuseront alors la chaleur dans chaque pièce.
Le fluide frigorifique sort du condenseur sous forme de liquide à haute pression (dépourvu de calories). Il est ensuite ramené à basse pression par le détendeur avant de repasser dans l’évaporateur pour se charger à nouveau de calories. Le cycle recommence avec les mêmes étapes.
La particularité ici, c’est que la chaleur est transférée du fluide frigorifique vers l’eau avant d’être émise dans le logement. L’eau fait donc office d’élément transporteur de chaleur.
Une pompe à chaleur air-eau peut être monobloc ou bibloc. Dans le premier cas, tous les éléments constituant le circuit frigorifique sont réunis au sein du module extérieur de l’appareil. Une liaison hydraulique relie le circuit de chauffage central à la pompe à chaleur. Dans le second cas, l’unité extérieure est dissociée du module hydraulique. Ce dernier est installé à l’intérieur du logement et alimenté grâce à une liaison frigorifique (fluide caloporteur).
Fonctionnement pompe à chaleur Air Air
À l’instar de la PAC air-air, la pompe à chaleur fonctionne également en 4 temps :
- Évaporation du fluide caloporteur après absorption des calories
- Mise sous haute pression dans le compresseur
- Transfert de chaleur dans le condenseur
- Perte de pression du fluide dans le détenteur
La différence ici se trouve au niveau de la troisième étape. Le condenseur transfère directement les calories à l’intérieur du logement sous forme d’air chaud. Pour cela, des ventilo-convecteurs sont nécessaires. Plusieurs unités internes de diffusion peuvent être connectées à un même groupe extérieur.
Comment fonctionne une pompe à chaleur réversible ?
Lorsqu’elle est réversible, une pompe à chaleur peut se substituer à un climatiseur dans les périodes de forte chaleur. Pour jouer ce rôle, l’appareil inverse son mode de fonctionnement classique. Elle capte les calories qui sont présentes dans l’air ambiant (à l’intérieur de la maison) et les transfère à l’extérieur. Selon le type d’appareil, le refroidissement peut être actif ou passif.
On parle de refroidissement actif lorsque la pompe à chaleur extrait l’air chaud du bâtiment et y souffle de l’air froid après traitement dans le circuit frigorifique. Le principe est le même que celui qu’utilise un réfrigérateur pour fonctionner.
Le refroidissement passif quant à lui désigne simplement une méthode de transfert de la chaleur de l’intérieur vers l’extérieur du bâtiment. Ce mouvement thermique fait baisser progressivement la température de la pièce. On parle également de natural cooling (refroidissement naturel). Le compresseur n’est pas sollicité lors de ce processus, ce qui réduit la consommation d’énergie.
Quelles sont les fonctionnalités qu’une pompe à chaleur peut embarquer ?
En plus de sa fonction de base, une pompe à chaleur peut embarquer plusieurs autres fonctionnalités pratiques :
- La technologie Inverter
- Le mode silencieux
- L’interface connectée permettant un accès à distance
Technologie Inverter
La technologie Inverter permet à la pompe à chaleur de mieux gérer sa consommation d’énergie en adaptant son fonctionnement aux réels besoins du logement à chauffer. Au lieu d’enchaîner plusieurs cycles en marche/arrêt selon les variations de température, une PAC avec Inverter fonctionne en permanence et peut tourner à bas régime lorsque le niveau de chaleur souhaité est obtenu à l’intérieur du bâtiment.
Concrètement, le moteur peut réduire jusqu’à 75 % sa puissance lorsqu’il tourne au ralenti. Avec cette technologie, les éléments mécaniques de la pompe à chaleur sont moins sollicités, ce qui favorise sa longévité. Elle émet également moins de bruit que les systèmes classiques qui fonctionnent constamment à pleine puissance.
Les pompes à chaleur avec Inverter garantissent aussi un excellent confort thermique aux occupants des logements dans lesquels ils sont installés. Ils maintiennent une température homogène tout au long de la journée.
Mode silencieux
Certaines pompes à chaleur possèdent un mode silencieux qui leur permet de fonctionner en faisant moins de bruit que la normale. Cette technologie est pratique pour ne pas déranger le voisinage durant la nuit. Lorsqu’elle est en mode silencieux, une PAC peut atteindre un niveau sonore de 32-35 dB, soit l’équivalent d’un bruit situé entre celui d’une forêt et d’une bibliothèque. Elle est à peine audible. Certains fabricants parviennent également à réduire le niveau sonore standard de leurs pompes à chaleur en ajoutant plusieurs couches d’isolation phonique au compresseur.
Interface connectée pour contrôle à distance (pilotage)
Les pompes à chaleur de dernière génération peuvent être connectées à un réseau wifi pour le contrôle à distance. Ce système de commande intelligent permet à l’utilisateur de définir des programmations de température, de modifier le thermostat, ou de voir sa consommation d’énergie depuis n’importe où. Ces pompes à chaleur s’intègrent parfaitement dans les maisons qui ont un système domotique.
Schéma pompe à chaleur
Le fonctionnement des deux principaux types de pompe à chaleur tel que présenté dans ce guide (air-air et air-eau) est résumé en image ci-dessous.
Schéma pompe à chaleur Air Eau
Schéma pompe à chaleur Air Air
Source des images :
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