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La pompe à chaleur PAC
Le fonctionnement d'une pompe à chaleur (PAC)
Captation de chaleur
Evaporateur |
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Emission de chaleur
Condenseur
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La pompe à chaleur est constituée d'un compresseur (2) , d'un évaporateur (3), d'un condenseur (4) et d'un détendeur de pression (5). Ces quatre éléments forment un circuit thermodynamique dans lequel circule un fluide frigorifique aux caractéristiques d'ébullition et de liquéfaction particulières.
Le fluide chemine dans le circuit grâce au mouvement du compresseur qui fonctionne à l'électricité. La température de ce fluide se modifie de par les changements de pression provoqués soit par le compresseur (compression) soit par le détendeur (dépression).
La captation et l'émission de la chaleur sont respectivement assurées par l'évaporateur et le condenseur.
L'évaporateur (3)
A l'entrée de l'évaporateur, le fluide frigorifique est à l'état liquide, à basse pression et donc - de par ses caractéristiques particulières - à très basse température (-10°C). Si la température du milieu (l'air, l'eau, le sol) qui environne l'évaporateur est plus élevée que la température du fluide frigorifique, il y aura transfert (captation) de chaleur vers cet évaporateur.
Le fluide frigorifique ayant "capté" cette chaleur va très rapidement s'évaporer. A la sortie de l'évaporateur, le fluide sera totalement passé de l'état liquide initial à l'état de vapeur.
Le compresseur (2)
Le fluide frigorifique - à l'état vapeur et chargé d'une certaine quantité de chaleur qu'il a "captée", est aspiré par le compresseur qui, en le comprimant, va très fortement augmenter sa température (à l'image d'une pompe à vélo) .
Le condenseur (4)
Le fluide frigorifique - à l'état vapeur et porté à "haute température" ( jusqu'à environ + 75°C) de par le mouvement du compresseur - est pulsé par l'action de celui-ci dans le condenseur. Si la température du milieu environnant le condenseur est inférieure à la température du fluide frigorifique, il y aura transfert (émission) de chaleur vers le milieu environnant. Le fluide frigorifique en cédant sa chaleur au milieu environnant, va se condenser et ainsi repasser à l'état liquide.
Le détendeur (5)
La liaison entre la partie "haute température - haute pression" (condenseur) et la partie "basse température - basse pression" (évaporateur) est assurée par le détendeur qui a pour rôle d'abaisser complètement la pression du fluide venant du condenseur et de régler son débit. Ainsi, le fluide dont sa pression a été ramenée par le détendeur à sa niveau initial pourra recommencer un nouveau cycle thermodynamique.
La consommation d'énergie du cycle thermodynamique complet de la pompe à chaleur.
En fonctionnement, le moteur électrique entraîne le compresseur. Il consommera donc de l'électricité (énergie payante).
Toutefois , de par son action, il provoque le mouvement du fluide frigorifique qui va "capter" de l'énergie (gratuite).
Pour une unité d'énergie payante, la pompe à chaleur en restituera quatre unités. Voir point Rendement ci-dessous.
Les différentes systèmes
Les différents systèmes de pompes à chaleur se distinguent entre eux par la manière dont la chaleur est d'une part "captée" par l'évaporateur et d'autre part par la manière dont cette chaleur - "bonifiée" par le compresseur est transmise par le condenseur à l'habitation.
1. La captation de la chaleur dans la nature : les trois éléments.
L'air, l'eau et le sol constituent les trois environnements classiques. La chaleur contenue dans ces environnements est disponible en quantité quasi illimitée et gratuite.
Certes, l'environnement idéal pour la captation de la chaleur par la pompe à chaleur est celui qui possède la température - si possible constante - la plus élevée possible. Aussi, le sol constitue des trois environnements celui qui rassemble le plus d'avantage.
a) l'air
L'évaporateur de la pompe à chaleur est mis directement en contact avec l'air extérieur, afin d'y capter la chaleur. L'installation d'un tel système est simple.
Toutefois, dans la mesure ou - en hiver - la température de l'air extérieur est basse, il y aura toutefois lieu de disposer d'un évaporateur assez important en vue de capter suffisamment de chaleur.
b) l'eau
L'eau d'une nappe phréatique, d'une rivière, d'un étang ou de la mer est mise directement en contact avec l'évaporateur qui en capte la chaleur. Le volume d'eau se doit d'être suffisant afin que l'évaporateur puisse capter assez de chaleur.
c) le sol
Le sol constitue un immense réservoir de chaleur. A faible profondeur, cette chaleur est d'origine solaire. Pour capter cette chaleur, on utilise généralement un intermédiaire, qui sera, par exemple, l'eau ou un fluide frigorifique.
Ce "fluide" intermédiaire circule en circuit fermé dans un réseau horizontal de tuyaux enfoui dans le sol.
2. L'émission de la chaleur dans l'habitation.
La chaleur - captée dans l'environnement adéquat et bonifiée par le compresseur - est répartie dans l'habitation par l'entremise d'un vecteur caloporteur. Ce vecteur peut être de l'air, de l'eau ou un fluide frigorifique.
Types de PAC
L'appellation des différentes pompes à chaleur se distingue par d'une part la source de la chaleur captée par l'évaporateur et d'autre part par la destination de la chaleur émise par le condenseur..
Ainsi, on retrouve en général les dénominations suivantes :
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pompe à chaleur air / air : la pompe à chaleur prend la chaleur dans l'air et la restitue dans l'air
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pompe à chaleur air / eau : la pompe à chaleur prend la chaleur dans l'air et la restitue dans l'eau
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pompe à chaleur eau / eau : la pompe à chaleur prend la chaleur dans l'eau et la restitue dans l'eau
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pompe à chaleur sol / eau : la pompe à chaleur prend la chaleur dans le sol et la restitue dans l'eau
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la pompe à chaleur sol / sol : la pompe à chaleur prend la chaleur dans le sol et la restitue dans le sol
Le rendement
On caractérise la performance (le rendement) énergétique de la pompe à chaleur par le rapport
Energie utile (chaleur évacuée au condenseur) *
Energie électrique nécessaire au fonctionnement du moteur du compresseur
* Energie utile : la somme des deux quantités d'énergie libérées au condenseur c'est-à-dire l'énergie gratuite captée par l'évaporateur + l'énergie électrique absorbée par le moteur du compresseur.
Ce rapport est appelé Coefficient de Performance (COP). Il se situe généralement aux alentours de 4.
Les avantages
A) Faible coût de consommation.
Pour un 1 unité d'énergie électrique consommée - par assurer le fonctionnement du compresseur et donc à payer à la société d'électricité - la pompe à chaleur puisera dans l'environnement extérieur aux alentours de 3 unités d'énergie gratuite.
Résultat: un pouvoir calorifique total de 4 unités, soit un facteur d'économie de quatre!
B) Fiabilité
La technologie de la pompe à chaleur est identique à celle du frigo et donc particulièrement fiable.
C) Faible coût d'entretien.
Pas de ramonage de cheminée, ni d'entretien de brûleur.
D) Pas de pollution.
In situ, la pompe à chaleur ne génère pas de pollution. Pas de combustion d'une énergie et donc pas d'émission de gaz aux effets de serre (C02).
E) Investissement comparable.
L'investissement nécessaire à l'installation d'une pompe à chaleur est tout à fait comparable à celui d'un chauffage traditionnel à eau chaude (chaudière + radiateurs + cheminée + citerne).
F) Faible puissance de raccordement.
La puissance électrique nécessaire au fonctionnement du compresseur est très faible. Elle s'inscrit dans le cadre d'un raccordement pour usage domestique.
G) Usage d'énergie renouvelable.
La pompe à chaleur est une application relevant de "l'énergie solaire active".
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