Pompes à chaleur électriques principe de fonctionnement

Sommaire

Une pompe à chaleur (PAC) est un système électrique thermodynamique permettant de récupérer la chaleur d'un milieu considéré pour la restituer en chauffage. Le principe de fonctionnement est identique à celui d'un réfrigérateur, mais son prix n'est pas celui d'un frigo ! Le principe est là, mais l'investissement est-il rentable ?

À quoi sert une pompe à chaleur ?

La pompe à chaleur sert à :

• Récupérer de l’énergie dans le milieu extérieur (sol/eau/air) grâce à un évaporateur. (La chaleur de l’environnement présente dans l’air, le sol et l’eau souterraine est une énergie toujours disponible, gratuite et sans cesse renouvelée grâce au rayonnement solaire et aux pluies).
• Remonter le niveau de température de cette énergie thermique, à l’aide d’un compresseur.
• Transférer cette énergie au bon niveau de température au milieu intérieur que l’on souhaite chauffer. (La pompe à chaleur permet de prélever cette chaleur présente dans l'environnement et de la transférer à un niveau de température plus élevé dans les logements afin de les chauffer).
  

Fonctionnement pompe à chaleur

Dans un réfrigérateur, la chaleur résiduelle contenue dans les aliments est extraite de ceux-ci, ce qui en abaisse la température, puis les calories sont rejetées à l'extérieur, dans l'air de la cuisine. Les pompes à chaleur fonctionnent selon le même principe, mais c'est l'environnement extérieur (sol, air ou eau) qui fournit la chaleur et l'intérieur du logement qui la récupère.

Le principe d'un frige

La pompe à chaleur appelée PAC est constituée d'un circuit fermé et étanche dans lequel circule un fluide frigorigène à l'état liquide ou gazeux selon les éléments qu'il traverse.

Les éléments constitutifs de la pompe à chaleur sont au nombre de quatre : l'évaporateur, le compresseur, le condenseur, et le détendeur. L’énergie est récupérée dans un évaporateur qui contient du fluide frigorigène. Au contact de la chaleur, celui-ci se transforme en vapeur. Le compresseur électrique aspire alors ce fluide, le comprime et en augmente la température. Ce fluide chaud est transféré à un condenseur. Il cède sa chaleur à l’eau du circuit de chauffage ou chauffe l’air du local en se condensant. Le fluide à l’état liquide chute en pression et en température lorsqu’il traverse le détendeur. Le fluide revient alors dans l’évaporateur où il recommence un nouveau cycle. Pour simplifier, la pompe à chaleur prélève un peu de chaleur présente dans l’environnement (sol, air environnant ou eau d'une nappe phréatique), augmente son niveau de température et restitue une chaleur à une température plus élevée dans le logement.

Son fonctionnement est d'autant plus efficace que la différence entre la température du milieu dans lequel est puisée la chaleur et celle des émetteurs de chaleur(ventilo-convecteurs, système gainable, radiateurs ou plancher chauffant) est réduite.

Composition d'une pompe à chaleur

La pompe à chaleur est composée de 4 éléments principaux :

Le compresseur.
La compression : le compresseur va aspirer le fluide frigorigène qui est sous forme de gaz à basse température. En comprimant le gaz, sa température va s’élever en même temps que sa pression. Nous aurons donc à la sortie du compresseur un gaz chaud à une pression élevée.

Le condenseur.
Diffusion de la chaleur au condenseur : Le gaz chaud va être dirigé vers un échangeur (appelé condenseur) dans lequel circule un fluide à réchauffer (eau du réseau de chauffage par exemple ou air intérieur). Le gaz chaud va donc transmettre une partie de son énergie au fluide à chauffer dont la température va augmenter. Ce faisant, le gaz frigorigène va condenser, c'est-à-dire qu’il va passer de l’état gazeux à l’état liquide (d’où le nom de condenseur).

Le détendeur.
La détente : Le frigorigène à l’état liquide, qui est toujours à pression élevée, va être ensuite détendu au travers du détendeur. C'est-à-dire que la pression va chuter abaissant ainsi la température du frigorigène qui reste à l’état liquide. À la sortie du détendeur, la température du frigorigène beaucoup plus basse et est inférieure à la température de la source de récupération.

L'évaporateur.
Récupération de la chaleur de l’environnement par l’évaporateur : Le frigorigène, froid et à l’état liquide, va traverser un deuxième échangeur (appelé évaporateur) dans lequel circule le fluide extérieur (air extérieur, eau de nappe ou eau échangeant avec un capteur enterré dans le sol) qui est plus chaud que le frigorigène. Ce dernier va donc récupérer l’énergie (les calories) de ce fluide extérieur. En récupérant cette énergie, le frigorigène va entrer en ébullition et donc se transformer en gaz (évaporation) d’où le nom d’évaporateur. Le gaz ainsi formé est ensuite aspiré par le compresseur pour un nouveau cycle.

La pompe à chaleur géothermique

C'est le chauffage le plus performant, mais plombé par un investissement lourd difficile à amortir.

Le système de pompe à chaleur ne fait pas partie des énergies renouvelables, car son fonctionnement nécessite une alimentation électrique pour fonctionner. Jusqu'à une certaine température, une pompe à chaleur restitue davantage d’énergie qu’elle n’en consomme et permet donc de réaliser un gain d'économie, les systèmes de pompes à chaleur les plus efficients sont les systèmes géothermiques qui récupèrent les calories contenues dans le sol (issues du rayonnement solaire et des ruissellements d'eau pluviale).

Lorsqu'elle équipe une maison en bois ou lorsqu'elle est couplée à une isolation thermique efficace ainsi qu’à un chauffe-eau économique (solaire ou thermodynamique), la maison basse consommation devient possible. En ajoutant des panneaux solaires photovoltaïques sur le toit de l'habitation ou une éolienne dans le jardin, la maison à énergie positive devient accessible.

Principe de base expliqué rapidement

• 1 : La chaleur prélevée à l'extérieur est transférée au fluide frigorigène qui se vaporise.
• 2 : Le compresseur électrique aspire le fluide frigorigène vaporisé.
• 3 : La compression élève la température du fluide frigorigène.
• 4 : Le fluide frigorigène cède sa chaleur à l'eau du circuit de chauffage ou directement à l'air du lieu à chauffer.
• 5 : Le fluide frigorigène se condense et revient à l'état liquide.
• 6 : Le détendeur abaisse la pression du liquide frigorigène qui amorce ainsi sa vaporisation.

L'investissement est-il rentable ?

On l'a vu, le principe est celui d'un frigo dommage que le prix ne soit pas celui d'un frigo, car les marges sont importantes pour le fabricant, le grossiste et le vendeur. Pour un achat, il faut distinguer investissement, amortissement, coût d'exploitation, coût de maintenance et...fiabilité.
Voir avantages et inconvénients d'une pompe à chaleur.

Schéma de principe d'une pompe à chaleur (aérothermie) Schéma Picbleu®