introduction à la pompe a chaleur : histoire et principe

Pompe à chaleur

Une pompe à chaleur dont l’acronyme est PAC dans la littérature est une machine thermodynamique qui va d’échanger la chaleur d’un milieu l plus froid (air, eau dont la température va encore baisser) vers un milieu plus chaud (air ou eau dont la température va encore augmenter) tandis la chaleur naturellement se diffuse du corps le plus chaud vers le corps le plus froid jusqu’à l’équilibre des températures. 

Ce cycle thermodynamique est donc de ce fait dénommé cycle frigorifique dans la littérature.

De nombreuses machines s’appuient sur ce cycle frigorifique pour leur fonctionnement : 

Le réfrigérateur de votre maison ou encore le climatiseur sont des exemples de pompes à chaleur. Mais le principe de la pompe à chaleur est aussi utilisé pour chauffer les bâtiments en utilisant le principe inverse car rappelons que toutes les lois de la thermodynamique sont des équilibres et donc par nature réversibles.

D’où une définition théorique de la PAC : 

Une pompe à chaleur est une machine thermodynamique qui transfère de l’énergie provenant des éléments du milieu qui nous entoure d’un niveau de température bas à un niveau plus élevé.

La différence entre les différents types de pompes à chaleur est la ressource naturelle utilisée au depart de l’equilibre pour puiser les calories

  • Une Pompe à chaleur géothermique puise ses calories dans le sol. 
  • Une Pac aérothermique utilise les calories de l’air. 
  • Une  PAC aqua thermique utilise ses calories dans l’eau. 

Vous comprenez que ce mode de chauffage ou de climatisation permet de réaliser des économies d’énergie en étant respectueux de l’environnement et en plein accord les objectifs de la Cop 26 car il produit une quantité encore plus importante d’énergie à partir d’une source gratuite et renouvelable.

Faisons un peu de physique : Les éléments théoriques de la PAC.

La pompe à chaleur repose sur les lois de la thermodynamique découverts au debut du xixe siècle par les Français Joule, Carnot et l’anglais Kelvin. 

Premier principe de la thermodynamique :

« Au cours d’une transformation quelconque d’un système fermé, la variation de son énergie est égale à la quantité d’énergie échangée avec le milieu extérieur, sous forme de chaleur (Q) et sous forme de travail (W). »

W+Q= 0

Le second principe définit l’évolution thermique des systèmes:

Le transfert de chaleur d’une source froide vers une source chaude ne se fait pas spontanément, mais avec un transfert d ‘énergie apportée au système sous forme mécanique (travail). Les pompes à chaleur utilisant le principe d’absorption remplacent l’énergie mécanique par de l’énergie thermique 

Une pompe à chaleur necessite la presence de deux milieux physiques dans un état stable :

  • Un milieu froid : Terre,air , eau .
  • Un milieu chaud : Terre /Air.

Transfert d’énergie d’une source froide  à une source chaude

Un système reçoit de la chaleur Q1 de la source froide et du travail W. 

Il restitue de la chaleur Q2 à la source chaude. 

Le  premier principe,permet d’ écrire : W + Q1 + Q2 = 0 *

système thermodynamique entre 2 sources

 

Ce système thermodynamique entre 2 sources est utilisé pour des besoins de refroidissement ou de chauffage ou les deux à la fois. 

comment fonctionne la pompe à chaleur 

On ne produit pas du froid mais on enlève de la température à la source froide pour la transmettre à la source chaude.  Un circuit frigorifique ou de climatisation va transférer l’énergie grâce au changement d’état d’un fluide (principe d’enthalpie PV= NRT) .

 Il comportera les éléments suivant :

  •  condenseur pour la source chaude : le fluide frigorigène transfert sa chaleur au fluide secondaire (eau ou air) en changeant d’état physique : gaz a liquide
  • le détendeur dont le rôle est de diminuer la pression du fluide frigogene en pahse liquide.
  • L’évaporateur prélève la chaleur du fluide secondaire pour vaporiser le fluide frigorigène.
  • le compresseur élève la pression et la température du fluide frigorigène gazeux en le comprimant

Les PAC fonctionnent alors généralement suivant deux techniques différentes :

Un circuit de détente directe 

 Le fluide frigorigène circule dans  le plancher chauffant ou les convecteurs. 

Le circuit de captage joue le rôle d’évaporateur et le circuit de chauffage celui de condenseur.

Pompe a chaleur  à fluides intermédiaires : 

La PAC possède un circuit séparé pour le captage, la pompe à chaleur et le chauffage. Ce dispositif est plus performant, notamment pour la climatisation, et il contient bien moins de fluide frigorigène.

 Le circuit de chauffage utilisé avec les PAC:

  • Le plancher chauffant
  • Les ventilo-convecteurs
  • Les radiateurs basse température

Les systèmes de pompe à chaleur ne sont interessant que si votre système de chauffage est dimensionné pour des températures basses

Qu’est ce que le COP d’une PAC .

L’efficacité d’une pompe à chaleur diminue avec l’écart de température entre les sources froides et chaudes et est limitée par la deuxième loi de la thermodynamique. ( cycle de carnot)

COP d’une PAC

La chaleur reçue de la source froide est  Q1 = T1 × (S2 – S1) 

La chaleur fournie à la source chaude est Q2 = T2 × (S1 – S2) 

En mode PAC, on définit le coefficient de performance de la pompe à chaleur théorique COP comme le rapport entre l’énergie récupérée par l’énergie dépensée : COP = Q2 / W 

Le coefficient de performance d’une PAC est le rapport de l’énergie produite par l’énergie consommée exprimée en KWH.

L’efficacité d’une pompe à chaleur décroît avec l’écart de température entre sources et est limitée par la deuxième loi de la thermodynamique mais aussi par des contraintes techniques comme l’impossibilité de rejeter de l’eau en dessous de 0 degre mais aussi de la résistance mécanique du circuit eau chaude.

Le coefficient de performance d’une PAC augmente avec la température de la source froide et diminue avec celle de la source chaude.

 Le COP n’a de sens  qu’à températures de source froide et de source chaude données .

L’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie ou Ademe préconise des PAC avec un COP de minimum 3, le coefficient maximum étant 7.

Les principaux types de PAC sur le marché.

La pompe à chaleur géothermique ou eau/eau

Les pompes à chaleur géothermique utilisent un capteur glycole enterré dans  le jardin comme source froide et des radiateur  ou un plancher chauffant comme émetteur. 

Les pompes à chaleur eau/eau ou eau glycolée/eau ont un coût relativement élevé. 

Comme en cas de grand froid, la température dans le sol profond se maintient continuellement à 10 °C, la PAC eau/eau permet donc un fonctionnement efficace étant donné que la température départ reste constante même en hiver. 

 Ce sont aussi des équipements parfaitement silencieux.

La pompe à chaleur aérothermique ou air/eau

Une PAC air /eau utilise comme source froide l’air extérieur pour la restituer au réseau de chauffage central à eau chaude de la maison. Elle est très performante associée à un plancher chauffant. 

Les pompes à chaleur air/eau ont des modèles bi-blocs (ou split) ou monobloc, suivant le type de liaison (eau ou fluide frigorigène) entre les unités intérieure et extérieure de la pompe à chaleur. 

La pompe à chaleur air/air

Les pompes air /air à chaleur fonctionnent à l’électricité et tirent la chaleur de l’air extérieur et la transfèrent à l’intérieur. Leur efficacité est moindre dans les régions froides 

Le bloc extérieur abrite un compresseur et un échangeur de chaleur, et le bloc intérieur dispose d’un système de traitement d’air et d’une  soufflerie qui fait circuler l’air à l’intérieur de la maison. Le chauffage est assuré par des ventilos convecteurs.

C’est le système de chauffage résidentiel le plus utilisé aux USA ou il a été popularisé par Carrier. On peut améliorer leur efficacité avec un puits Provençal.

Historique et  marché de la pompe a chaleur en France

La première pompe à chaleur a été mise au point au début du 20e siècle,par l’américain Willis Carrier et la première installation de pompe à chaleur comme système de chauffage date des années 50 en France. La maison de la radio abrite la première centrale thermodynamique ( PAC)  basée sur la géothermie qui pompe une eau à 26 degrés jusqu’à 600 m de profondeur avec un fluide frigorigène à base d’ammoniac liquide pour chauffer et refroidir les 120.000 mètre carré de la maison ronde. ( Cette installation a été mise à niveau en 2011 pour améliorer ses performances).

Les chocs pétroliers des années 1970 vont dynamiser le secteur aux etats unis avec l’installation de pompes réversibles dans les développements de banlieue des grandes villes américaines ou on reconnait les blocs extérieurs des pompes réversibles Carrier sur les maisons individuelles. En France EDF lance timidement le programme PERCH dans les années 80 mais le faible coût des énergies fossiles ne favorise pas le développement de cette technologie. L’amélioration de la technologie qui manquait de fiabilité (en France ) connaît un redémarrage dans les années 2000 avec l’apparition de nouveaux capteurs pour les PAC eau/eau et eau/air.

 La pompe à chaleur est reconnue comme un vecteur positif pour les energie durables et les  professionnels français s’organisent avec la création en 2002 de l’AFPAC (Association française pour les pompes à chaleur), la création du label NFPAC et du qualificatif QUALIPAC pour les installateurs de pompe à chaleur.

Après son élection en 2007, le président Sarkozy constatant que la france traverse une crise énergétique et climatique lance le premier grenelle de l’environnement.Les “lois du Grenelle de l’environnement “ voient le jour en 2010 au parlement .Dans le meme temps les USA on crée le programme Energy Star pour la consommation énergétique des calculateurs mais qui sera étendu par le président OBAMA a l’orientation éco-responsable de la consommation énergétique. 

Cinq ans après le Grenelle Environnement , le débat national initié par les gouvernements Hollande  aboutit à l’adoption à l’été 2015 de la loi de transition énergétique pour la croissance verte dite LTECV.

Entre-temps le grenelle de l’environnement conduit au  lancement de l’éco-prêt à taux zéro, la formation des professionnels du bâtiment ( certification RGE) et un plan de rénovation énergétique des bâtiments de l’État français.

Le Grenelle de l’environnement fixe des objectifs pour les pompes à chaleur :

2 millions de résidences principales équipées de pompes a chaleur en 2020 avec pour pompes à chaleur géothermiques 600 000 installations.

De ce fait la pompe a chaleur réalise sa meilleur année en 2019 avec l’introduction du Grenelle de l’environnement fixe des objectifs ambitieux pour les pompes à chaleur, environ 2 millions de résidences principales équipées en 2020. Pour les pompes à chaleur géothermiques, l’objectif est d’atteindre un parc de plus de 600 000 installations d’ici à 2020.

Le plan chaudière de l’Anah introduit une campagne qui autorise le changement de chaudière pour 1 euro symbolique pour les ménages précaires. Pour les ménages modestes, le remplacement de la chaudière coûtera 299 euros  mais cela suffit à booster les installations de PAC.

Aujourd’hui les installations de PAC sont encouragés par de nombreuses aides de l’etat, des régions et de la CEE :

  • Credit impot CITE
  • TVA a 5,5 %
  • Pret eco-PTZ

Garder à l’esprit de faire un bilan énergétique pour isoler votre maison et dimensionner votre installation. Ces rénovations énergétiques valorisent votre patrimoine immobilier.