Principe de fonctionnement d'une PAC
Le principe de fonctionnement d'une PAC est exactement celui d'un réfrigérateur.
Alors qu'un réfrigérateur transfère la chaleur pour rafraîchir son atmosphère intérieure, la PAC transfère la chaleur de l’air extérieur pour l'injecter à l’intérieur de la maison. Car l’air, même froid, contient de la chaleur.
On définit deux milieux : la source froide (d'où l'on extrait l'énergie) et la source chaude (où on la réinjecte). La température réelle des sources n'intervient pas dans cette définition, bien que le dispositif soit surtout intéressant dans le cas où la source chaude a une température plus élevée que la source froide.
Un circuit frigorifique transfère l'énergie grâce au changement d'état (liquide / gaz) du fluide utilisé (cf. enthalpie). Le moto-compresseur assure la compression du fluide dans le condenseur (source chaude) afin que le changement d'état souhaité se produise à une température élevée. La pression du fluide est alors réduite au moyen d'un « détendeur » (terme impropre car on agit sur la phase liquide, incompressible : l'expression réducteur de pression est plus adéquate) avant d'entrer dans l'évaporateur (source froide) pour que le changement d'état voulu se produise à basse température. L'inversibilité du cycle peut être obtenue au moyen d'une vanne à quatre voies
qui permet de choisir l'échangeur vers lequel la phase gazeuse est dirigée et, corollairement, l'échangeur alimenté par la phase liquide. Cette vanne (si elle existe) permet donc de choisir quelle source sera froide (ou chaude).
La température de la source froide doit nécessairement être supérieure à la température d'évaporation du fluide et celle de la source chaude inférieure à celle de condensation du fluide pour que ces changements d'état se produisent. Dans le cas contraire, les changements d'état ne se produiraient pas et l'efficacité du circuit frigorifique ne serait qu'au mieux de 1 ou 0.
La pompe à chaleur géothermique
... aussi appelée géothermie domestique, utilise la chaleur contenue dans le sol pour alimenter un réseau de chauffage comme un plancher chauffant ou des radiateurs.
Ce principe, connu depuis de nombreuses années, a subi de notables évolutions techniques qui lui permettent de rivaliser avec les moyens de chauffage « traditionnels ». Une PAC dite réversible (ou inversible) permet notamment au plancher de devenir rafraîchissant en période estivale.
La pompe à chaleur à eau « traditionnelle »
... utilise une source d'eau : puits, rivière, lac, ruisseau, eaux souterraines, il faut vérifier que cette source est disponible en quantité suffisante, que son utilisation est autorisée (administration des eaux et services sanitaires) et que le rejet ou retour d'eau refroidie s'effectue dans des conditions acceptables pour l'environnement. Néanmoins, un échangeur est conseillé entre la source d'eau brute et le circuit « source froide » pour des questions de corrosion et d'encrassement.
La pompe à chaleur à air utilise l'air extérieur
...toujours disponible en abondance et sans problèmes de rejet.Le zéro absolut étant situé à -273°C la marge est énorme et les systèmes uniques Zubadan et Hyper Eating de MITSUBISHI ELECTRIC permettent de capter de l'énergie jusqu'à -15°C sans appoint électrique et sans perte de puissance. A -25°C, cette technologie unique fournit encore 75% de sa puissance !!!
Circuit de captage
Pour les habitations individuelles ou les petits immeubles, la plupart des pompes à chaleur « géothermiques » captent l'énergie du sol par un circuit constitué de tuyaux de polyéthylène. Il existe deux types de captage :
- capteurs horizontaux : enterré à environ un mètre sous la surface, le circuit est constitué de boucles (par exemple sous le jardin). La surface occupée par les capteurs dépend de la nature du sol, il peut occuper environ deux fois la surface à chauffer, soit par exemple 400 m² pour une surface à chauffer de 200 m². Cet espace peut être planté de gazon ou de petits arbustes, mais ne peut accepter d'arbres aux longues racines.
- capteurs verticaux : le circuit comporte un tuyau formant une seule boucle verticale. Il nécessite un forage en profondeur (environ 80 m), ou en faible profondeur (environ 30 m) dans le cas d'un captage à détente directe. Plus coûteux, il présente l'avantage d'occuper moins de surface au sol. Les capteurs verticaux sont également appelés « sondes géothermiques ».
Le circuit de captage de la pompe à chaleur à air est généralement absent quand la pompe est extérieure: elle aspire et rejette dans son environnement; certains modèles intérieurs ou dans des locaux techniques aspirent et rejettent par des conduits. Les capteurs distant doivent néanmoins être raccordés par le circuit frigorifique chargé de fréon.
Le circuit de captage de la pompe à chaleur à eau est constitué d'une pompe de circulation, d'un point de prélèvement avec crépine et filtre et d'un rejet.
L'appareil de la PAC
L'appareil, qui prélève de la chaleur à la source froide grâce au circuit de captage, dispose de quatre organes principaux.:
- le condenseur (source chaude) : le fluide frigorigène libère sa chaleur au fluide secondaire (eau, air...) en passant de l'état gazeux à l'état liquide,
- le détendeur : il réduit la pression du fluide frigorigène en phase liquide.
- l'évaporateur (source froide) : la chaleur est prélevée au fluide secondaire pour vaporiser le fluide frigorigène.
- le compresseur : actionné par un moteur électrique, il élève la pression et la température du fluide frigorigène gazeux en le comprimant
Il existe deux technologies différentes :
- la détente directe : elle se compose d'un seul circuit. Le fluide frigorigène passe directement dans le sol chauffant ou les convecteurs. Le circuit de captage joue le rôle d'évaporateur et le circuit de chauffage celui de condenseur.
- les fluides intermédiaires : la PAC possède un circuit séparé pour le captage, la pompe à chaleur et le chauffage. Ce système est un peu plus coûteux mais plus performant, notamment pour le rafraîchissement, et il contient bien moins de fluide frigorigène.
Il existe également des systèmes mixtes.
Le circuit de chauffage
On utilise principalement trois types d'émetteurs de chauffage :
- Le plancher chauffant
- Les ventilo-convecteurs
- Les radiateurs basse température
Il est important de retenir que les pompes à chaleur n'offrent une efficacité intéressante qu'à la condition d'être reliées à des émetteurs dimensionnés pour des températures basses. En effet, les coefficients de performance annoncés par certaines publicités à des températures d'eau élevées sont fantaisistes. Les radiateurs peuvent parfois être ré-utilisés s'ils sont adaptés au chauffage à basse température ; ce peut être le cas pour des installations anciennes dimensionnées pour un fonctionnement en thermosiphon : les dimensions de canalisations et de radiateurs peuvent permettre de chauffer à basse température avec un débit très supérieur à celui du thermosiphon grâce aux accélérateurs modernes. Il est également possible de redimensionner certains radiateurs en fonction du besoin propre au local concerné afin de compenser la baisse de température par une surface d'émission supérieure. C'est la solution retenue le plus couramment en cas de rénovation d'une installation existante.
Fonctionnement d'une pompe à chaleur géothermique à fluides intermédiaires
Cycle thermodynamique
Le fluide circulant dans une pompe à chaleur subit un cycle de transformation composé de différentes étapes :
- À la sortie du compresseur, le fluide est sous forme gazeuse à haute pression et sa température est élevée.
- Dans le condenseur, le fluide passe à l'état liquide et cède de l'énergie qui est transférée vers l'extérieur (circuit de chauffage) sous forme de chaleur.
- À la sortie du condenseur, le fluide (liquide) voit sa température fortement diminuer.
- Dans le détendeur, l'énergie du fluide (son enthalpie) reste constante.
- À la sortie du détendeur, le fluide est à l'état liquide basse pression. Sa température baisse dès qu'il peut (un tant soit peu) s'évaporer.
- Dans l'évaporateur, le fluide récupère de l'énergie sous forme de chaleur en s'évaporant. La pression reste constante et le fluide devient totalement gazeux.
- À la sortie de l'évaporateur, le fluide est tempéré (environ 5 °C) et à faible pression.
- Dans le compresseur, le gaz est comprimé et passe donc d'une basse pression à une pression plus élevée grâce à l'énergie mécanique fournie par le compresseur. Sa température s'élève suivant la loi de Mariotte.
Fluide frigorigène
Les fluides frigorigènes les plus couramment utilisés pour les PAC sont :
- le R407C
- le R410A
Les plus anciennes fonctionnent encore avec des gaz qui sont maintenant interdits comme le R22. Ces fluides sont soumis à une récupération obligatoire du gaz dans une bouteille de transfert pour être traitée. Ces gaz étaient nocifs pour la couche d'ozone.