Les pompes à chaleur
L’énergie est extraite dans l’environnement par la machine et restituée sous forme de chaleur à l’intérieur
Le chauffage thermodynamique
Les pompes à chaleur ne sont pas toujours classées dans les énergies renouvelables car pour fonctionner elles nécessitent de l’électricité. Cette électricité peut être fournie par des panneaux solaires mais pourrait aussi bien provenir d’énergie fossile.
Les pompes à chaleur fournissent 100% de chaleur à partir de 75% d’énergie issue de l’environnement et de 25% d’énergie d’électricité
Depuis plusieurs années, les pompes à chaleur apparaissent dans nos maisons comme installation de chauffage. Elles sont particulièrement bien adaptées aux bâtiments munis de planchers chauffants. Certains modèles fournissent de la fraicheur en été pour apporter du confort dans l’habitat.
Le système compact des PAC utilise l’énergie de l’environnement direct.
Cette énergie se trouve dans l’air, l’eau ou la terre.
Les modèles de PAC sont différents en fonction de son origine.
Les différents systèmes de PAC se distinguent par la façon dont l’évaporateur puise la chaleur dans l’environnement et par la manière dont la chaleur est produite dans l’habitat.
Pompes à chaleur air-eau
Les pompes qui utilisent cette source de chaleur sont les plus simples. Néanmoins, ce sont les pompes à chaleur qui présentent les moins bonnes performances.PAC air/eau
Un ventilateur pompe l’air extérieur et le conduit directement sur l’évaporateur de la PAC pour récupérer son énergie. Les performances baissent rapidement avec la température de l’air. La pompe est dans ce cas-ci installée à l’extérieur. Il est indispensable une fois la récupération de la chaleur, que l’ari refroidi puisse être refoulé. L’air doit être évacué à l’opposé du mur sur lequel la pompe est installée. Le raccordement du chauffage départ et retour se fera avec des canalisations isolées. Pour une installation intérieure, l’air extérieur est conduit à l’évaporateur de la pompe via une gaine isolée et insonorisée.
Pompes à chaleur air-sol
Appelées géosolaires, ces pompes à chaleur sont prisées dans les habitations individuelles. Le sol est un excellent capteur de chaleur grâce à sa température relativement constante. La chaleur ne provient pas du sous-sol mais est due à l’absorption des rayons du soleil par le sol..PAC air/sol
Dans le cas de capteurs géothermiques, les tubes remplis de liquide glycolé sont posés en méandres à environ 120 cm-150 cm de profondeur. Plus un sol sera humide mieux la récupération de chaleur sera efficace.
Dans le cas d’une installation avec des sondes géothermiques, un système d’échangeur de chaleur est introduit dans le sol à l’aide de double tubes U à une profondeur de 60 à 100 m. Pour protéger les nappes phréatiques, les sociétés agrées qui pratiquent ce type de forage doivent être en possession d’un agrément.
Pompes à chaleur eau-eau
La chaleur des eaux de surfacesPAC eau/eau
La chaleur provient de l’absorption du rayonnement solaire par les rivières, les étangs, ou tout autre réservoir aquatique. Il s’agit d’une source de chaleur stable en raison du peu de fluctuations. Les pompes à chaleur de ce type ont un coût d’installation plus faible.
Calcul de performance énergétique
Une PAC (pompe à chaleur) à compression de vapeur est donc une machine réceptrice à deux sources.
Elle permet de transférer un flux de chaleur d’une source froide (température Tf) à une source chaude (température Tc). Ce transfert de chaleur de milieu froid vers un milieu chaud n’est pas naturel, la machine reçoit une puissance électrique P
Le flux de chaleur prélevé à la source froide est appelé flux froid et noté Φ F
Le flux de chaleur cédé à la source d’eau chaude est appelé flux chaud et noté Φ c
Ces différents transferts de chaleur et de puissance sont repris de manière schématique
On définit le coefficient de performance (COP). Plus ce coefficient est grand, plus la pompe à chaleur sera performante. Pour qu’une installation soit performante, on préconise un COP saisonnier supérieur à 3. Il doit donc délivrer 3 unités d’énergie pour une unité d’électricité consommées.
COP = effet utile/effet onéreux
Si la machine est réversible, on peut exprimer le COP idéal (COP de Carnot) en fonctions des tempéatures des sources
COP idéal= TC/ Tc-Tf
Ce coefficient permet de comparer les différents systèmes de pompes à chaleur. L’autre indicateur est le rendement annuel qui permet d’évaluer la quantité de chaleur fournie à l’année, en rapport avec la quantité d’électricité consommées, comparable au rendement annuel d’une chaudière à condensation.
Un rendement annuel de 4 signifie que pour une unité d’électricité consommée, 3 unités de chaleur sont fournies par l’environnement pour une production totale de 4 unités de chaleur.
Fonctionnement d’une pompe à chaleur
Le compresseur (1’-2)
C’est lui qui reçoit énergie mécanique nécessaire au fonctionnement de la machine. Il comprime le fluide (R12) de la basse pression (pression d’évaporation, BP) à la haute pression (pression de condensation, HP).
C’est un compresseur à pistons de type «semi hermétique » (ensemble moteur électrique – compresseur logé dans un même carter démontable). Il est refroidi par échange thermique avec l’air ambiant.
La compression n’est pas adiabatique réversible.
Le condenseur (2-3)
Le R12 se condensant à haute pression de 2 en 3 cède sa chaleur latente de condensation à l’eau de citerne qui constitue la source chaude.
Le condenseur est isolé thermiquement de ambiance, il est donc considéré comme un système ouvert adiabatique.
Le débit d’eau de citerne est important et son échauffement est faible (quelques degrés). Cette eau de citerne peut donc être considérée comme une véritable source.
L’échangeur interne (3-3’ 1-1’)
Dans cet échangeur, le liquide sortant du condenseur est sous-refroidi (3-3’) au contact des vapeurs froides sortant de l’évaporateur qui s’échauffent donc entre les points 1 et 1’.
Le détendeur thermostatique (3’-4)
La détente dans cette vanne est considérée comme isenthalpique. Elle permet de maintenir constante la température à aspiration du compresseur.
L’évaporateur (4-1)
Dans cet échangeur, le R12 liquide à basse pression s’évapore grâce à la chaleur prélevée à la source froide constituée par un débit d’eau glycolée.
Tout comme le condenseur, l’évaporateur est isole thermiquement de l’ambiance et est donc considéré comme un système ouvert adiabatique.
Données relatives à l’eau glycolée
L’eau glycolée constituant la source froide est un mélange de 70% d’eau et de 30% de glycol (titres massiques).
Masse volumique du glycol : = 1.115 kg/ dm3
Chaleur spécifique à pression constante du glycol : Cp = 2276J/(kg K)
Chaleur spécifique a pression constante de Peau: Cp, = 4186 ]/(kg K)
Les propriétés physique du mélange eau-glycol sont calculées de la manière suivante
ρ eau glycolée = χ eau ρ eau + χ glycol ρ glycol
Cp eau glycolée = χ eau Cp eau + χ glycol Cp glycol
source : Laboratoires de thermodynamique UMons
Les autres énergies renouvelables
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