La pompe à chaleur

LA POMPE A CHALEUR

Une pompe à chaleur est un dispositif thermodynamique permettant de transférer la chaleur du milieu le plus froid (et donc le refroidir encore) vers le milieu le plus chaud (et donc de le chauffer), alors que spontanément la chaleur se diffuse du plus chaud vers le plus froid jusqu'à l'égalité des températures.

Le réfrigérateur est le système de pompe à chaleur le plus connu. Le climatiseur est un autre système de pompe à chaleur courant. Les deux servent à produire du « froid » plus que de la chaleur : la chaleur qu'ils génèrent est perdue. La sueur est une PAC rafraîchissante naturelle.

Mais le terme de « pompe à chaleur » (PAC) s'est surtout diffusé pour désigner la pompe à chaleur géothermique ou la pompe à chaleur air-eau, système de chauffage domestique popularisé en Francesuite au premier choc pétrolier en 1973. Dans certains pays dont la France, des incitations fiscales soutiennent la diffusion de certains modèles de pompe à chaleur air-eau. Ces systèmes regagnent en popularité depuis l'an 2000, notamment en raison de la construction de nombreuses piscines.

Le Principe de fonctionnement d'une PAC est identique à celui d'un réfrigérateur.

La PAC récupère (si chauffage) ou évacue (si climatisation) l'énergie délivrée par le changement d'état (liquide / gaz) du fluide utilisé enthalpie) ; la source éloignée de l'habitat évacue ou récupère les calories du changement d'état inverse (gaz / liquide). Le "moteur compresseur" assure la circulation du fluide dans les "détenteurs échangeurs" qui entretiennent les changements d'état dans la mesure où les calories sont récupérées ou évacuées (échange unité habitat / unité externe). Dans le cas contraire, les changements d'état ne pourraient pas se produire et le rendement de la PAC ne serait que de 1, soit le rendement calorique du compresseur seul (ce qui arrive par exemple s'il fait trop froid ou trop chaud).

On définit l'efficacité η d'une PAC par le rapport de l'énergie « utile », la chaleur restituée (pour le chauffage), sur l'énergie coûteuse, le travail fourni à la PAC.

L'efficacité d'une pompe à chaleur décroît avec l'écart de température, et est limitée par la deuxième loi de la thermodynamique.

En pratique, les vendeurs de pompes à chaleur annoncent en général le rapport entre la puissance thermique de leur machine et sa consommation électrique. On lui donne par convention le nom de coefficient de performance ou COP. En outre, des contraintes techniques limitent la température la plus basse et la différence de température: impossible de rejeter de l'eau à moins de 0°C par exemple, limitations de débit par la pompe et les tuyaux, ou d'efficacité des échangeurs pour la différence de température.

Le cycle de Carnot est le cycle ditherme présentant la meilleure efficacité. Les températures T sont en Kelvin (17°C = 290 K), ce qui donne, pour un chauffage domestique, un maximum de l'ordre de 15 pour le COP_chaleur (en pratique, le COP des machines actuellement en vente n'est que de 3 ou 4).

Certaines « PAC » travaillent sur la chaleur de l'air (air-air ou air-eau), d'autres avec la chaleur de l'eau (eau-eau, plus rarement eau-air), ou du sol. Les PAC utilisant la chaleur du sol sont appelées pompe à chaleur géothermique. Cette appellation peut prêter à confusion avec le chauffage urbain géothermique qui utilise la chaleur à haute température du sous-sol profond, mais c'est un système très différent.

Le chauffage au sol dans l'habitation, alternative aux radiateurs traditionnels, peut être alimenté par un circuit de chauffage classique à basse température, par une pompe à chaleur sur l'air, sur l'eau et/ou par un système thermodynamique extrayant la chaleur d'un capteur de sol, souvent des tuyaux enterrés en moyenne 70 centimètres sous le sol, en général dans le jardin. Ces systèmes sont utilisés pour transférer de l'énergie du sol vers une habitation, pour les besoins en chauffage l'hiver. Ces systèmes sont économiques par rapport au prix d'installation d'une PAC mais moins performants.

Il y a aussi d'autres pompes à chaleur qui utilisent l'air comme source (refroidissement de l'air pour chauffer de l'eau de piscine par exemple) mais le rendement est moins bon et la période de fonctionnement est plus restreinte, les risques de givrage étant importants lorsque la température de l'air extérieur est basse et l'hygrométrie élevée. L'investissement est en revanche bien moins important.

Le COP est de l'ordre de 5 sur les modèles thermodynamiques et 3 pour les systèmes air-eau installés à l'heure actuelle (cela veut dire que pour 1 kW d'électricité consommé, la maison recevra 5 kW ou 3 kW de chaleur). Le COP de toute pompe à chaleur augmente avec la température de la source froide et diminue avec celle de la source chaude, il peut atteindre 5 à 7 en été pour de l'eau de piscine (air à 25°C pour de l'eau à 28°C) mais inférieur à 3 en hiver (les valeurs normalisées données par les fabricants sont pour un air à 7°C et de l'eau de chauffage à 35°C). Le COP n'a de signification qu'à une température de source froide et de source chaude donnée, il ne peut jamais être égal à 1 même pour les très basses températures extérieures (<-15°). La courbe de COP en fonction de la température extérieure et de l'eau de chauffage est donc à prendre en compte pour décider de l'opportunité d'installation et évaluer les performances.

Les systèmes vendus au grand public ont une puissance thermique de 15 à 20 kW ce qui est équivalent à la gamme basse de puissances des chaudières au fioul. Pour des raisons de confort une cheminée à insert est utilisée très occasionnellement.

Certains modèles sont réversibles, c'est-à-dire capables de transférer de la chaleur de la maison vers la source froide. Ces machines ont l'avantage de pouvoir servir de climatisation si les récepteurs de chaleur s'y prêtent: le plancher chauffant a une capacité limitée à devenir plancher rafraîchissant, les radiateurs ne conviennent pas, il faut les remplacer par des ventilo-convecteurs nettement plus coûteux.

Les pompes à chaleur air/air peuvent théoriquement utiliser l’air issu d’un puits canadien (ou puits provençal) pour alimenter l’entrée d’air et améliorer ainsi leur rendement. Dans la pratique la quantité d'air brassée réduit très fortement cet intérêt: le puits canadien ou provençal n'est efficace qu'avec un débit et une vitesse d'air limités.