Principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur

 

Une pompe à chaleur (PAC) est une machine thermodynamique destinée à assurer le chauffage d’un batiment à partir d’une source de chaleur externe dont la température est inférieure à celle du batiment à chauffer. C’est donc un système de chauffage qui transfère de l'énergie thermique d’un milieu à bas niveau de température pour les restituer à un autre milieu à une température plus élevée. L’écoulement naturel de la chaleur s’effectuant habituellement d’un corps chaud vers un corps froid, on pourrait définir la pompe à chaleur comme un matériel permettant de réaliser l’écoulement de chaleur dans le sens inverse du sens naturel, c’est-à-dire d’un milieu froid vers un milieu chaud. Pour comprendre comment se réalise ce transfert thermique inverse du sens physique habituel qui parait contraire à la logique physique et qui pourtant ne l’est pas quelques explications complémentaires sont nécessaire. En pratique, pour prendre des calories à un milieu froid, il suffit de le refroidir d'avantage alors que pour restituer ces calories à un milieu chaud, il convient de le réchauffer. Dans une pompe à chaleur, cette opération se fait grâce à un fluide dit « caloporteur » qui présente la particularité́ de changer d'état (liquide ou gazeux) quand on modifie sa pression ce qui permet de bénéficier de la chaleur latente de transformation ou enthalpie du fluide caloporteur. Il n'y donc rien de miraculeux dans le fonctionnement d'une pompe à chaleur et son principe n'est en aucun cas en contradiction avec la deuxième loi de la thermodynamique qui stipule que l'énergie va toujours du chaud au froid, du désordonné à l'ordonné, du concentré au dispersé. (Voir page 146 les chaînes énergétiques)

1.      Le fluide caloporteur à l’état liquide tend à s'évaporer en sortie de détendeur quand sa pression baisse. Cette évaporation produit un froid intense. On dit que la réaction d'évaporation est endothermique. 

2.     Inversement, le fluide caloporteur à l’état gazeux à tendance à se condenser en se liquéfiant quand on augmente sa pression.  Cette condensation s'accompagne d'un fort dégagement de chaleur. On dit que la réaction de condensation est exothermique.

L'énergie dépensée pour assurer ces deux réactions dans un cycle répétitif est limitée à l’énergie électrique We assurant l’entraînement d'un compresseur qui effectue l'augmentation de la pression du gaz. Une faible quantité d'énergie fournie au compresseur permet de transférer une grande quantité de chaleur Wf de la « source froide » vers la « source chaude ». L'utilisateur ne paie donc que l'énergie nécessaire au fonctionnement du compresseur. Qui plus est, l’énergie électrique We payante est récupérée intégralement additionnée de celle prélevée gratuitement à la « source froide ». Cette dernière pouvant être l’air, l’eau ou la terre selon le type de pompe à chaleur. Le coefficient de performance appelé « COP » est le rapport de l'énergie thermique totale obtenue sous forme de chaleur Wc sur l’énergie dépensée We.

La performance d’une pompe à chaleur varie notablement en fonction de l'écart de température entre la source froide et la source chaude. Un grand écart de température dégrade la performance (COP = 2 par exemple), inversement, un faible écart permet une excellente performance (COP = 6 par exemple). Remarquons qu'un chauffage électrique par effet joule a un COP de 1.

 

CQFD

Figure explicative du chauffage thermodynamique

Les deux figures ci-dessus permettent de comprendre comment se font les transferts thermiques du milieu froid vers le milieu chaud. Lorsqu'un corps se refroidit en transmettant de la chaleur à un autre corps qui se réchauffe, il y a transfert d'énergie thermique. On peut dire au titre de la 1ere loi de conservation de l'énergie que la quantité de chaleur émise par le corps qui se refroidi est égale au signe près à la quantité de chaleur reçue par le corps qui se réchauffe. Lorsque le fluide caloporteur porté à très basse température en sortie du détendeur du fait son évaporation se réchauffe au contact d'un environnement à une température supérieure à la sienne, l'énergie qu'il reçoit est comptée positivement. La figure de gauche représente le cycle de fonctionnement d’une pompe à chaleur. Le principe de conservation de l’énergie* permet de dire en isolant le fluide caloporteur et en considérant un cycle complet que l’énergie reçue de l’extérieur est égale à l’énergie émise par ce fluide (Figure de droite). L’intérêt de la pompe à chaleur réside dans le fait que la dépense d’énergie permettant d’obtenir un transfert thermique important du premier milieu appelé « source froide » vers le deuxième appelé « source chaude » est faible en valeur relative par rapport à l’énergie électrique payante permettant d’obtenir ce transfert. Le diagramme de Mollier permet de comprendre que la dépense en énergie électrique payante est d’autant plus faible que la température de la source froide est proche de celle de la source chaude.

* L’énergie est toujours conservée lorsqu'elle change de forme. Ce principe est tellement fort en physique qu’à chaque fois qu'il a paru ne pas être vérifié, cela a conduit à des découvertes importantes telles que la radioactivité ou le mouvement des planètes associées au système solaire. Si l'on isole le fluide caloporteur d'une pompe à chaleur, il forme un système  fermé qui n’échange pas de matière avec le milieu extérieur. Il reçoit par contre du milieu extérieur deux apports énergétiques:

- l'apport provenant de l'énergie électrique fournie au moteur entraînant le compresseur de la pompe à chaleur, énergie transformée en énergie mécanique, puis thermique lors de sa compression de ce fluide caloporteur à l’état de gaz. 

- l'apport thermique provenant de la source froide lorsqu'étant lui-même à l'état gazeux et à très basse température du fait de sa détente, il se réchauffe en refroidissant le milieu extérieur

Il émet enfin vers le milieu extérieur l'énergie thermique importante provenant de sa chaleur latente ou enthalpie lors de son changement d'état dans le condenseur lorsqu'encore à l'état gazeux il se condense en se transformant en liquide. Lorsqu'il se retrouve après un cycle complet de compression-détente dans son état initial le fluide caloporteur, a, du fait de la loi de conservation de l'énergie, reçu de l'extérieur la même quantité d'énergie que celle qu'il a émis vers l’extérieur. 

 

Diagramme thermodynamique du R134a

Il est possible avec ce fluide caloporteur d’augmenter la pression en sortie de compresseur jusqu’à  environ 20 bar permettant de disposer de 60°C à la source chaude.

Le cycle s’effectue en tournant dans le sens inverse des aiguilles d’une montre

Lorsque la température de la source chaude (condenseur) est proche de la température de la source froide (évaporateur), l'énergie mécanique consommée par le compresseur est plus faible et le COP (énergie totale / énergie mécanique) est plus élevé. En raison du principe de la conservation de l’énergie, l'énergie totale (enthalpie) est égale à la somme des énergies thermique (frigorifique) et mécanique.

On remarque que lorsque la différence entre la température de la source chaude (condenseur) et celle de la source froide (évaporateur) augmente, l'énergie mécanique consommée par le compresseur et délivrée le plus souvent par un moteur électrique augmente également alors que le COP (énergie totale / énergie mécanique) diminue