Pompe à Chaleur (PAC)

La chaleur s’écoule naturellement d’un milieu chaud vers un milieu froid. Les machines thermiques « génératrices », grâce à un moteur électrique, permettent de transférer la chaleur d’une source froide vers une source chaude. Dans les machines « frigoriques » la zone utile est une enceinte froide (réfrigérateur) de laquelle transfère la chaleur vers l’extérieur où il fait plus chaud. Dans une « Pompe à chaleur », la zone utile est une enceinte chaude (maison) qui reçoit la chaleur de l’extérieur où il fait plus froid

Génératrice thermique Source chaude (Tc) Sens naturel Source Froide (Tf) Qf Qc W Génératrice thermique travail Il faut du travail pour faire passer la chaleur de la source froide vers la source chaude Pompe à Chaleur Source froide Source Chaude Réfrigérateur Source froide Source Chaude

Pour comprendre le fonctionnement d’une PAC, quelques rappels de thermodynamique Température: Mesure indirecte du degré d'agitation microscopique des particules [K] Chaleur: Transfert d'agitation thermique entre particules [J] Pression: Elle est due aux nombreux chocs des molécules sur les parois du récipient [Bar] Volume: Espace dans lequel on confine un gaz [m3] Enthalpie: [J/kg] L'enthalpie représente l'énergie d'un corps. Elle augmente avec sa pression et sa température. Elle se mesure en joules par kilogramme. Elle est représentée par la formule : H = U + pV (U énergie interne, p pression, et V volume

Les changements d’états de la matière Sublimation Fusion Evaporation Solide Liquide Gaz Solidification ou Cristalisation Liquéfaction ou Condensation liquide Condensation solide

Les changements d’états de la matière Fusion 100 T(°C) Temps (s) Echauffement de la vapeur Echauffement du liquide Echauffement du solide vaporisation

Diagrammes enthalpiques Pression (Bar) Enthalpie (kJ/kg)

Etats du fluide frigogène Pression (Bar) Enthalpie (kJ/kg) Liquide Gazeux Liquide et gazeux

Isotherme Isotherme 0°C

Isobare Isobare 10 Bar

Diagramme enhalpique Isentrope Isotherme h (kJ/kg) Ln P(bar) Courbe de saturation Liquide saturé vapeur saturée C(point critique) Courbe d’égal titre vapeur LIQUIDE LIQUIDE + VAPEUR VAPEUR

Tracé d’un cycle Condensation Détente Compression Evaporation 6 5 4 7 Sur-refroidissement 4 Détente Compression 7 3 1 Evaporation 2 Surchauffe

Tracé d’un cycle Fluidecaloporteur chaud Tr + DTr milieu à chauffer Fluide caloporteur à chauffer (air, eau) Tr condenseur Zone de travail à haute pression Circulation du frigorigène (aspiration des vapeurs, refoulement dans le condenseur détente du frigorigène liquide) W apport d’énergie motrice Zone de travail à basse pression milieu extérieur (source froide) Ti - DTi évaporateur Ti fluide frigoporteur à refroidir (air ou eau) Ti fluide frigoporteur refroidi (air ou eau)

Cycle Compression Intérieur Source chaude +19°C Condensation Evaporation Extérieur Source froide +3°C +18°C -15°C Détente

Génératrice thermique Coefficient de performance 1er principe Qf - Qc+W = 0 W =Qc - Qf 2èmeprincipe travail Qf Qc W Source chaude (Tc) Source Froide (Tf) Génératrice thermique Sens naturel

Coefficient de performance La machine est d’autant plus efficace que Tf / Tc est proche de l’unité donc que la température froide est proche de la température chaude. Dans la réalité les COP des machines réelles sont voisins de la moitié des valeurs idéales attendues.

Coefficient de performance

Sous refroidissement Log P (Pa) condensation désurchauffe LIQUIDE 4 3 2’’ 2 Log PC 3’’ compression détente : cycle réel : cycle idéal LIQUIDE + VAPEUR VAPEUR 1’’ Log PF 5 4’’ 6 1 évaporation surchauffe à l’aspiration h (kJ/kg)

Constitution d’une PAC Source de chaleur Réseau chauffage Condenseur Régulation Evaporateur Compresseur Source VIESSMANN

Les différentes phases du cycle

19° 11° -5° 35°

Facteur de performance saisonnier Le SFP évalue la performance théorique annuelle de la PAC. C’est le rapport des quantités d’énergie fournies et apportées en un an calculées sur la base d’un COP instantané à différentes températures Qdemandée à la PAC durant la période de chaufe (kWh/an) P(Text) puissance à apporter pour une source froide Text (kW) t(Text) durée de la température Text (h/an) COP(Text) coefficient de performance poutr la température Text

Coefficient Annuel COPA Le COPA évalue la performance annuelle de toute l’installation, auxiliaires compris. C’est l’indice le plus important dans l’examen d’une installation. Toutes les quantités d’énergie produites et injectées sont comparées. Ce n’est pas une valeur théorique mais une mesure réelle sur le site

Le procédé à détente directe

Le procédé avec fluide intermédiaire

Le moyen terme ou procédé mixte

Les avantages et inconvénients

Source de chaleur Pour pompe à chaleur sol/eau Captage sur source ou sur nappe Captage en nappe Captage par forage

Capteurs extérieurs

Planchers chauffants

Pour pompe à chaleur air/eau Air extérieur

Géothermie

Les différents types de géothermie

Ressources mondiales de la géothermie La géothermie basse énergie La géothermie moyenne énergie La géothermie haute énergie

Ressources géothermiques en France