Pompe à chaleur, comment ça marche ?

Dans le volet « vulgarisons la thermodynamique » : voici le point sur le fonctionnement d’une pompe à chaleur.

I. Principes de base

La pompe à chaleur « pompe » de l’énergie à un milieu froid (et donc le refroidit encore plus) et redonne cette énergie à un milieu chaud (et donc le réchauffe encore plus). Pour ce faire, on fait circuler un fluide frigorigène dans un circuit fermé, et on le fait changer de phase suivant le milieu avec lequel il est « en contact » (par un échangeur évidemment, ces fluides étant polluants, il ne faut pas les laisser sortir, d’ailleurs : Ne jetez pas vos frigos dans la nature !).

Avant toute chose, ce qu’il faut savoir de la thermodynamique :

  1. Un liquide a besoin qu’on lui donne de l’énergie pour s’évaporer (Il faut chauffer l’eau pour la faire bouillir)
  2. A l’inverse, il faut donc retirer de l’énergie à un gaz pour le liquéfier.
  3. L’énergie circule naturellement du chaud vers le froid, dans tous les cas (aussi étrange que cela puisse paraitre, quand vous ouvrez la porte du congélateur, ce n’est pas le « froid » qui « vient » vers vous, mais le « chaud » qui « va » dans le congélateur)
  4. Lorsqu’un fluide change d’état (liquide vers gaz par exemple), la température ne change pas, toute l’énergie reçue sert à changer de phase (un fois que l’eau commence à bouillir elle est à 100°C, jusqu’à être entièrement vapeur).
  5. Un changement de phase peut avoir lieu à différentes températures, cela dépend de la pression à laquelle il est.

II. Cycle de fonctionnement

Prenons donc l’exemple de la pompe à chaleur en été, qui a pour but de refroidir la maison. Nous dirons que la maison est initialement à 25°C, et l’extérieur à 35°C. La maison sera la source froide, et l’extérieur la source chaude. Dans la pompe à chaleur, le fluide frigorigène passe à travers quatre organes remarquables :

  • L’Evaporateur (à la source froide) : le fluide, bien plus froid (-10°C par exemple) que la source froide, reçoit donc de l’énergie de celle-ci, ce qui permet au fluide de passer de la forme liquide à la forme gazeuse, et à la source froide de se refroidir encore plus.
  • Le Compresseur : Le fluide gazeux y est compressé et augmente en température.
  • Le Condenseur (à la source chaude) : le fluide est cette fois bien plus chaud que la source chaude (50°C par exemple) et lui transmet donc de l’énergie. Du coup, le fluide, perdant de l’énergie, redeviens progressivement liquide et la source chaude, gagnant de l’énergie,  se réchauffe encore plus.
  • Le Détendeur : Il diminue la pression du fluide, et donc sa température. On revient aux conditions de départ.

Finalement, la maison est refroidie, et l’extérieur réchauffé (pas d’inquiétude, ça n’a aucune influence néfaste). Ce modèle est le même dans le cas d’un réfrigérateur, sauf que cette fois, la source froide est l’intérieur du frigo (que l’on refroidit), et la source chaude est la cuisine (que du coup on réchauffe, ceux qui comme moi on vécu avec un frigo dans un 9 m² peuvent en témoigner).

III. Schéma de principe

IV. Réversibilité du système

Vous me direz alors, pourquoi en hiver nos pompes à chaleur servent à nous chauffer ? C’est très simple, on a tout simplement échangé les sources, tout en suivant le même cycle. En clair, l’extérieur (à O°C) devient la source froide et la maison (10°C) devient la source chaude. Cette fois c’est donc l’extérieur qu’on refroidit, et l’intérieur de la maison qu’on réchauffe. Les pompes à chaleur capables de faire les deux (en mettant leurs organes au contact du côté voulu), sont appelées pompes à chaleurs réversibles. A noter : dans ce cas, les pompes à chaleur deviennent très peu efficace en cas de très faibles températures à l’extérieur (-5°C par exemple), donc il vaut mieux garder une source de chauffage supplémentaire, pour faire l’appoint en cas de grands froids.

La pompe à chaleur à l’avantage d’avoir un principe simple, d’être à double usage, et de ne nécessiter que peu d’énergie : il suffit uniquement de fournir un peu d’électricité au compresseur. Sachant que l’électricité, dans l’absolu et en comparaison des combustibles classiques, est bien moins polluante, et en plus bien moins chère.

V. Avantage d’une pompe à chaleur sur un radiateur électrique

Un radiateur électrique  a un rendement de presque 100 %. Calcul facile : si on a besoin d’ 1 kWh  de chaleur, il faut fournir 1 kWh d’électricité. Or, pour une pompe à chaleur, du fait des échanges naturels thermodynamiques, si on a besoin d’ 1 kWh de chaleur, il faut en moyenne fournir 0,33 kWh d’électricité ! Cela dépend du coefficient de performance (COP) de votre pompe à chaleur, ici il est de 3 (valeur minimale recommandée par l’ADEME). On divise notre consommation d’énergie par 3 ! Imaginez l’économie d’énergie réalisée en chauffage à l’échelle nationale si les  foyers français qui sont au chauffage tout électrique (30% des foyers) avaient opté pour les pompes à chaleur…

Les pompes à chaleur gagnent du terrain sur le marché et sur les chantiers, et c’est une bonne chose.

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2 Responses to Pompe à chaleur, comment ça marche ?

  1. Julien dit :

    Une pompe à chaleur fournit 3 fois plus de puissance qu’elle n’en a besoin ? (« 1kWh de chaleur <= 0,33kWh d'électricité")
    Je croyais que le grand principe de l'énergie était : rien ne se perd, rien ne se créé, tout se transforme.

  2. Rémi Rubio dit :

    Effectivement, vous avez tout à fait raison. Et pourtant, moi aussi. Je m’explique.
    Si vous regardez le schéma, vous voyez que la pompe à chaleur prend de l’énergie à la fois au niveau du compresseur (électricité) et à l’évaporateur (chaleur de la source froide). En additionnant les deux, on obtient plus que l’énergie utile récupérée au condensateur, comme le prévoit la théorie.
    Toutefois quand on dit que la pompe à chaleur fournit 3 fois plus d’énergie qu’elle en a besoin, c’est parce que la source froide est une source d’énergie gratuite, provenant de l’air ambiant, que donc vous ne payez pas.
    Petite subtilité, merci d’avoir posé la question.

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