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Comment fonctionne une Pompe à chaleur (PAC) ?

Rappel de notions physique de base

Notre échelle de température utilisée en Belgique est l'échelle Celsius.

Celle-ci prend le point de changement d'état de l'eau en solide comme repere.

Ce point est référencé 0°C.

Nous avons alors tendance à croire qu'en dessous de ce point, il n'y plus de chaleur.

Il existe d'autres échelles comme par exemple l'échelle Kelvin

L'échelle Kelvin a pour zéro : - 273°C.

Zero degré Kelvin = - 273 °Celsius.

C'est le zéro absolu. C'est la température la plus basse que l'on ait atteint.

Pour comprendre comment on peut affirmer qu'il y a encore beaucoup de chaleur sous 0°C, il faut se dire que :

Tant que l'on sait descendre la température d'un corps d'un degré,
C'est qu'on a pu lui ôter de la chaleur (des calories)

Toute matiere comporte donc de la chaleur à partir du moment ou sa température est supérieure au zéro absolu (-273°C).

Pour absorber cette chaleur disponible, on utilise une machine frigorifique ou pompe à chaleur.

Le systeme de pompe à chaleur est constitué d'un fluide qui circule dans les échangeurs de la pompe. Ce fluide en phase liquide, en s'évaporant et donc à plus basse température que le milieu, va absorber la chaleur d'un environnement plus chaud que lui tel que l'air, l'eau, le sol.

À la sortie de cet échangeur, il change d'état : il sera à l'état de vapeur. Cette vapeur contiendra, la chaleur absorbée du milieu.

La vapeur sera ensuite comprimée.

C'est à ce moment qu'intervient la < pompe > ou compresseur. Il va concentrer cette chaleur en augmentant la pression de la vapeur. Ceci est un phénomene physique.

Grâce à un second échangeur, cette vapeur chaude sous pression va, en libérant sa chaleur au systeme de chauffage de l'habitation, se condenser et le fluide va passer de l'état gazeux à l'état liquide. Ce fluide, sous haute pression, est de nouveau disponible pour s'évaporer en passant par un détendeur. Le cycle est bouclé et peut recommencer à l'infini.

Pour la compression, il est nécessaire de fournir une quantité d'énergie mécanique. Cette énergie mécanique est produite par un moteur électrique (c'est un compresseur). Le compresseur frigorifique étant refroidit par les gaz aspirés cede la chaleur du moteur dans le fluide réfrigérant. On retrouve donc, dans la source de chauffage, la quantité de chaleur absorbée gratuite ainsi que l'énergie électrique absorbée par le moteur.

La pompe à chaleur pour le chauffage fonctionne donc comme un frigo, en prélevant la chaleur d'un milieu et la transfere à un autre milieu.

Si on utilise l'air comme source de calories, la pompe à chaleur est une Pompe à chaleur Air/Eau ou AIR/AIR.

L'atmosphere terrestre est un réservoir d'air infini qui contient une quantité d'énergie intarissable. C'est donc de l'air qui traverse l'échangeur extérieur contenant le fluide réfrigérant qui sera bien plus froid que l'air. Si celui-ci entre, par exemple, à -10° C, il en ressortira encore plus froid (-15°C). Il aura cédé une quantité de chaleur au fluide réfrigérant circulant dans l'échangeur.

Excepté son niveau de température, l'air ressort de l'échangeur sans dégradation

Comment cette chaleur absorbée passe dans l'habitation ?

La pompe à chaleur (PAC) est un systeme frigorifique. Le fluide frigorigene qui circule dans le circuit à plusieurs particularités :

  • Il s'évapore à basse température (comme notre corps qui régule sa température en transpirant)
  • La température va changer en fonction de la pression. Plus la pression augmente, plus la température augmente. C'est la relation .
  • Le fluide qui s'est évaporé, en absorbant de la chaleur dans l'échangeur extérieur sera comprimé par le compresseur afin de relever le niveau de pression et donc de température.
  • L'effort de compression variera en fonction de la température de la source froide (le milieu ou la chaleur est prélevée) et de la température de la source chaude (le systeme de chauffage de l'habitation) que l'on désire atteindre. Plus l'écart de température entre la source chaude et la source froide est important, plus l'effort de compression est important et moins le rendement de la PAC sera bon.

C'est la raison pour laquelle on préferera un systeme de chauffage .

Si on utilise l'eau en tant que source de calories on parle d'une Pompe à chaleur Eau/Eau.

La source froide (le sol extérieur ou est déployé le capteur en horizontal dans lequel circule l'eau) n'aura pas un rendement beaucoup plus haut qu'un capteur Air, s'il n'est pas enfoui assez profondément, car le sol se refroidira de maniere réguliere jusqu'a la fin de l'hiver. Tandis que l'air retrouvera des températures moyennes assez élevées en fin d'hiver, le sol mettra beaucoup plus longtemps pour se réchauffer. Néanmoins, si la captation se fait verticalement, via une sonde géothermique, le rendement (COP) sera bien supérieur grâce à la relative constance de la température. Il est donc faux de croire qu'une pompe à chaleur Eau/Eau sera toujours meilleure qu'une autre si sa source de captation est horizontale. De nouveau, tout dépend de la température de la source froide et de la source chaude. Il est important, dans un choix, de réaliser un comparatif basé sur les rendements exacts saisonniers (SCOP) , sur les coûts qu'implique chaque technologie et de faire un calcul d'amortissement entre les diverses techniques comparables.

Il est donc facile de comprendre qu'a technologie comparable, toutes les PAC confondues (Air/Air, Eau/Eau, Sol/Sol, Sol/Eau, Air/Eau etc.) travaillant sur des sources de températures identiques de captation et un même moyen de chauffage auraient toutes le même rendement, hormis quelques différences de consommation pour le fonctionnement de certains auxiliaires en fonction des différentes PAC.

Il n'est pas rare de voir que certaines sources d'informations concluent que la PAC Eau/Eau est la plus performante. Ceci est vrai, si on considere que cette PAC absorbe les calories dans une source à température plus élevée et constante comme par exemple une nappe phréatique.

En Belgique, cette source d'énergie est soumise à une réglementation et donc on trouve une parade en utilisant la PAC avec des capteurs verticaux en boucle fermée ou horizontaux en boucle fermée enfouis dans le sol.

Mais dans ce dernier cas, la température Moyenne du sol dans la zone de captation pendant la période hivernale est alors bien plus basse que les 13°C.

Et donc, l'écart de température étant plus grand, le rendement de la PAC n'est pas beaucoup plus élevé par rapport au rendement de la captation AIR.

Celui-ci est donc une source intéressante et intarissable.

Le fait que l'air subit des variations de température importante devient ainsi un avantage car le sol au milieu et en fin d'hiver reste à un niveau de température bas alors que l'air remonte régulierement au-dessus de 0°C. C'est la raison pour laquelle on doit parler de rendement saisonnier. Il faut garder à l'esprit que le capteur préleve des calories au sol et abaisse la température de ce milieu. C'est donc un appauvrissement.

En résumé, si un constructeur de pompe à chaleur annonce un rendement (COP) de 3 par une température extérieure de -10°C, il est donc certain que le rendement moyen de la période hivernale (saisonnier) sera supérieur à celui annoncé puisque la moyenne des températures en hiver sera supérieure en Belgique (voir la carte des zones de température de base en Belgique ci-dessous).

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