• Qu'est ce qu'une pompe à chaleur ?

              Les écologistes comme les médias parlent beaucoup des pompes à chaleur, comme le miracle du chauffage et les industriels font une publicité souvent mensongère à ce sujet, promettant monts et merveille, sans préciser que cela n'est vrai que dans certain cas bien spécifiques.

              Je voudrais donc rétablir les éléments techniques dans ce domaine.

             
    Une pompe à chaleur est une machine thermique, qui fonctionne exactement comme un frigidaire, mais la source froide n’est pas une boite étanche, mais un fluide extérieur froid, et la source chaude est un émetteur de chaleur intérieur à l’habitation : plancher chauffant, radiateur ou VMC.

              Son principe est schématisé ci dessous :

    Qu'est ce qu'une pompe à chaleur ?

              Vous voyez que ce n'est pas, à priori très différent d'un frigo, quant au cœur de la machine; l'originalité réside dans les capteurs extérieurs et dans la spécificité des émetteurs internes.

              La différence importante est que la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer une maison est beaucoup plus importante que pour refroidir un frigo.
              Par ailleurs d’autres modes de chauffages sont possibles, et le circuit de chauffage reste le même, la pompe à chaleur remplaçant (ou complétant) la chaudière.
              Or une pompe à chaleur coûte cher et il faut donc que son utilisation soit rentable, et cela dans les configurations courantes de l’hiver.
       
              Ce sont les lois de la thermodynamique qui régissent le fonctionnement d’une pompe à chaleur. Je ne pense pas que vous ayez un souvenir détaillé, même si vous les avez étudiées au lycée, des lois de Carnot et notamment la loi de Clausius sur l’entropie.
              Je vais donc uniquement vous donner les résultats, car ils sont très importants :

              On définit l'efficacité Eff. d'une pompe à chaleur comme le rapport de l'énergie “utile” Qchauf (la chaleur restituée à la source chaude, c’est à dire la maison) sur le travail W, énergie électrique fournie au niveau du c         ompresseur.
                                                      Eff. =  Q (chauf) / W
              L'efficacité d’un mode de chauffage peut être inférieure à 1 s'il rend moins de chauffage qu'il n'en consomme en énergie (en général électrique) pour fonctionner. Généralement une bonne partie de l'énergie est restituée en chauffage si l'appareil est situé dans le volume chauffé. Un chauffage à résistance électrique simple a une efficacité voisine de 1. Une bonne chaudière à gaz a une efficacité de l’ordre de 0,9.
              La pompe à chaleur a un gros inconvénient inéluctable, quels que soient les progrès que l’on fera car c’est la loi de Clausius sur l’entropie qui en est la cause :
              L'efficacité d'une pompe à chaleur décroît avec l'écart de température entre les sources chaude et froide, ce qui limite considérablement son utilisation.
                          Eff. =  Q (chauf) / W  ≤  Tchaud / (Tchaud - T froid)
    Tchaud et Tfroid étant les températures des sources chaudes et froide, exprimées en degrés Kelvin ( d°K = d°C + 273, par exemple T = 300 d°K pour 27 d°C).
              Attention, la température de la source chaude n’est pas celle de la pièce de la maison, mais celle au départ de la pompe à chaleur vers le radiateur de chauffage
              De plus, cette efficacité ne concerne que la pompe elle même, mais on consomme aussi de l’énergie dans le système de circulation des fluides dans les circuits de chauffage et de captage.
              On appelle « coefficient de performance COP » d’une pompe à chaleur le rapport entre l’énergie réellement fournie à l’installation à chauffer, par rapport à celle d’un chauffage par l’électricité, utilisant la même alimentation que celle de la pompe à chaleur.
              C’est le nombre de kWh fournis, pour un kWh électrique consommé.
              Donc le COP d’une la pompe à chaleur est nettement inférieur à cette efficacité Eff.
              Le COP n’est en général que le tiers ou le quart de l’efficacité théorique.
    (pour une efficacité théorique de 15 on a en général une COP de 5 et pour une efficacité de 4 une COP de 1).

        Que déduire de ces notions :

              D’abord, si on se contente d’utiliser comme source froide l’air extérieur, et un système de radiateurs classiques où quand il gèle, l’eau est injectée à 70 d°C, vers -10 d°C extérieur; l'efficacité théorique est de 343/80 =4,3 et la COP de la pompe à chaleur n'est plus qu'un peu supérieure à 1 et la pompe ne sert plus à rien : elle consomme autant qu’elle renvoie de chaleur

              Déjà si on utilise un chauffage par radiateur à basse température ou par le sol, pour lesquels la température de départ n’est plus que de 35 d°C, le rendement est nettement meilleur. Mais c’est une installation spéciale, conçue à la construction de l’habitation.

              Mais si l’on veut avoir un chauffage suffisamment rentable, il faut trouver une source froide plus indépendante des intempérie, c’est à dire sous-terre : soit creuser un puits (ce qui est cher), soit, si on a une surface suffisante de jardin, enterrer un serpentin sous 1 ou 2 mètre de terre. La température de la source froide reste alors de l'ordre de 10 d°C et le rendement est satisfaisant.

    Qu'est ce qu'une pompe à chaleur ?Qu'est ce qu'une pompe à chaleur ?
       

     

     

     

     

     

     

     

     


              Mais la meilleure utilisation est une pompe à chaleur associée à une VMC  (voir mon article sur la VMC d'avant hier). On utilise alors l’air à la sortie de l’échangeur, qui a déjà récupéré la chaleur de l’air sortant. Il n’a alors que une dizaine ou une quinzaine de degrés d’écart avec  la température à laquelle il faut l’introduire dans la pièce pour maintenir sa température, et on a alors un excellent COP de la pompe à chaleur, qui peut atteindre 5.
              Si la maison est très bien isolée thermiquement (20 cm d’isolant performant et triple vitrage), jusque vers 10 d° externe, on ne consomme pas d’énergie autre que celle de la ventilation VMC, et ensuite la consommation est minimisée par la pompe à chaleur.

    Qu'est ce qu'une pompe à chaleur ?

              Une pompe à chaleur est également une source d’économie dans le chauffage d’une piscine ou même pour réchauffer de l’eau sanitaire, car la température de l’eau de retour n’est pas très inférieure à celle de l’eau de départ et donc les rendements restent bons.

              En outre les pompes à chaleur peuvent être « réversibles »; En fait elles continuent à fonctionner de la même façon, mais on inverse l’injection d’air de la VMC, c’est à dire que l’on relie l’intérieur de l’habitation à l’évaporateur et l’extérieur au condenseur (comme dans un  frigo), et la pompe à chaleur associée à la VMC fonctionne alors comme une climatisation, refroidissant l’air de la maison.

              J’espère que cet article ne vous a pas paru trop ésotérique. J’ai surtout vous montrer que les chiffres de performances données par les constructeurs sur leurs pompes à chaleur, étaient trompeurs, car le rendement dépendait énormément des températures des sources froides et chaudes, et donc de l’usage que l’on veut en faire, en fonction de l’installation thermique existante ou projetée. Il faut donc faire une étude spécifique de tout projet de ce domaine.
              Et dans le cas d'une installation classique avec des radiateurs, la pompe à chaleur est une aberration tut à fait inutile et donc une dépense sans retour d'investissement.



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