Comment fonctionne une pompe à chaleur ?

Vous avez sûrement dû entendre que la pompe à chaleur prend les calories de l’air extérieur froid pour les donner à l’air chaud de votre maison. Mais comment se fait-il que l’air froid de l’extérieur puisse chauffer l’air chaud de votre maison ? Si c’est aussi facile, pourquoi n’ouvre-t-on pas les fenêtres de notre maison, tout simplement ?

Les différents types de systèmes

Avant toute chose, il faut savoir qu’il existe plusieurs types de systèmes thermodynamiques fonctionnant comme la pompe à chaleur et qu’ils sont présents un peu partout. Vous en avez même sûrement une chez vous, sans le savoir. Par exemple, le réfrigérateur est une pompe à chaleur. En effet, il prend les calories de l’air à l’intérieur du réfrigérateur et les transmet à l’air de votre cuisine pour se refroidir.

Le type de système thermodynamique est choisi en fonction des besoins : si vous avez besoin de beaucoup de chaleur, vous aurez un système important, tout comme les autres modes de chauffage. Par exemple, pour votre voiture, vous aurez une petite climatisation fonctionnant sur votre batterie 12V et faisant la taille d’une boite à chaussures. Mais si vous devez refroidir ou chauffer un bâtiment de bureau, vous utiliserez des VRV (Variable réfrigérant volume) qui font la taille d’un réfrigérateur et qui sont branchés sur le réseau en 230V. Pour votre maison, vous utiliserez une pompe à chaleur, le système le plus adapté aux besoins d’une famille.

Cependant, même au sein de la famille des pompes à chaleur, le transfert de chaleur n’est pas forcément fait de la même façon. Le mode de transfert est désigné par deux termes, en premier le milieu où nous prenons de l’énergie et en deuxième le milieu où nous restituons l’énergie.  L’énergie peut être transmise comme sur le schéma ci-dessus. Avec l’air extérieur vers l’eau, qui circule dans vos radiateurs, vous offrant ce mode de transfert appelé AIR/EAU. Nous avons aussi des pompes à chaleur AIR/AIR (de l’air extérieur vers un ventilateur qui souffle de l’air chaud dans votre pièce), EAU/AIR ou EAU/EAU (lorsque nous puisons l’énergie dans une nappe phréatique), ou bien SOL/EAU ou SOL/AIR (lorsque nous utilisons la géothermie).

Comment transférer la chaleur ? 

Tout d’abord, il faut expliquer les bases du transfert thermique. La chaleur se déplace toujours du point le plus chaud vers le plus froid. Il existe trois façons de transporter de la chaleur d’un point A vers un point B.

Premièrement, la conduction, c’est le contact de deux solides. Par exemple, lorsque vous posez votre main sur un radiateur, celle-ci se réchauffe. Votre main et le radiateur sont des solides, nous avons ici de la conduction.

Deuxièmement, nous avons la convection, lorsqu’un fluide en mouvement (gaz ou liquide) transmet sa chaleur à un solide. Par exemple, lorsque vous entrez dans une pièce où il fait chaud, votre corps va se réchauffer. Votre corps est un solide et l’air de la pièce un gaz, nous avons là de la convection.

Enfin, il y a le rayonnement. Tous les corps rayonnent, en particulier le Soleil. Le rayonnement est un transfert de chaleur dans le vide. Par le biais des ondes ultra-violettes (UV), la chaleur du Soleil est conduite jusqu’à la Terre.

Le transfert de chaleur varie selon le type de matériaux et leurs épaisseurs, la surface d’échange et la différence de température. Plus la différence de température est importante plus il y aura un échange de chaleur important. 

Flux de chaleur = constante en fonction des matériaux et de l’épaisseur x surface x différence de température.

La constante est un chiffre qui est déterminer par l’épaisseur et la nature du matériau.

Le fonctionnement d'une pompe à chaleur

Maintenant que nous avons vu comment transférer la chaleur, nous pouvons nous intéresser à notre pompe à chaleur.  

La pompe à chaleur est un circuit fermé, le fluide à l’intérieur restera le même tout au long de sa vie. Le processus est identique pour vos radiateurs, l’eau qui circule dedans ne change pas, à moins d’une fuite, elle reste la même.  Le fluide présent dans la pompe à chaleur est un fluide frigorigène. Il possède des propriétés bien particulières, permettant de transmettre l’énergie thermique facilement.

Cependant, le potentiel de ces fluides dans le réchauffement de l’atmosphère est très important. On nomme cela le GWP (global warning potential). Pour une molécule de CO2, le GWP est de 1 et pour le R134, notre fluide frigorigène, le GWP est de 1430. Cela signifie que si nous émettons 1m3 de R134, il sera 1430 fois plus impactant qu’1m3 de CO2 sur l’effet de serre. Il faut donc faire attention à ce qu’il n’y ait pas de fuite.

Pour transmettre de l’énergie thermique d’un point A vers un point B, le fluide frigorigène va subir plusieurs changements de phases. Il va passer de l’état liquide à l’état gazeux, puis il repassera à l’état liquide. La boucle va se répéter à l’infini. Pour permettre ces changements de phases, la pompe à chaleur est équipée des 4 composants, tous indispensables : 

• Le compresseur 
• L’évaporateur 
• Le détendeur 
• Le condenseur 

La pompe à chaleur est équipée de deux échangeur de chaleur, l’évaporateur et le condenseur. Ils vont échanger de la chaleur du milieu le plus froid vers le plus chaud, grâce aux phénomènes de convection et de conduction.

Pour comprendre ce qui se passe nous pouvons schématiser notre installation comme telle :

Tout d’abord, le liquide à basse pression et à une température faible (-10°C) va au contact de l’air extérieur (8°C) pour être réchauffé. Grâce à l’augmentation de sa température, il va se gazéifier (comme lorsque vous chauffez de l’eau). Nous sommes dans l’évaporateur. Le fluide vient de récupérer l’énergie thermique de l’air extérieur. 

Ensuite, le fluide frigorigène va passer dans le compresseur, son volume va diminuer, sa pression et la température vont augmenter. Cette augmentation de température est due à l’agitation thermique des molécules lorsque le fluide est comprimé. 

Une fois comprimé, le fluide à l’état gazeux va passer dans un échangeur appelé condenseur. Cet échangeur est placé entre le fluide et la maison. Comme le fluide détient une température supérieure à celle de la maison, il transmet de la chaleur à la maison. Le fluide, en perdant de la chaleur, va redevenir liquide, bien qu’il soit toujours à une haute pression. 

Une fois les calories de l’air extérieur déplacées dans l’air intérieur, il faut revenir à l’état initial, c’est-à-dire à un liquide à basse pression. Le fluide va passer dans un détendeur, qui va le ramener à sa pression initiale. Comme le fluide ne sera plus comprimé, sa température va redescendre, le faisant revenir à -10°C. La boucle peut alors recommencer.

Attention, la pompe à chaleur ne fonctionne correctement que si la température extérieure est supérieure à celle du fluide. Si ce n’est pas le cas, ce n’est pas l’air extérieur qui donne sa chaleur au fluide mais l’inverse.  

Plus la température de l’air extérieur est froide moins la chaleur va se transmettre facilement. Cela s’explique car la différence de température entre l’air extérieur et le fluide est moins grande. 

Ils existent des courbes appelées les DJU pour voir combien de jours par an votre pompe à chaleur va se trouver en difficulté.  Par exemple à Orléans les températures moyennes sont : 

Nous voyons qu’au mois de janvier, février, et décembre la température est faible et la pompe à chaleur va être moins performante. Ce sont des températures moyennes, cela implique que certains jours au mois de janvier il fera -7°C et d’autres jours il fera 12°C. 

Pour les jours où la température est inférieure à -5°C il va falloir préchauffer l’air avec une batterie électrique pour avoir des performances convenables. A Orléans cette année nous avons eu 5 jours avec des température inférieures à -5°C. Pendant 5 jours, il a fallu préchauffer notre air.

Visualisation graphique

Pour mieux comprendre ce qui se passe, observons des graphiques de propriété pour chaque fluide, appelés diagramme enthalpique de Mollier. Sur ce graphique, 3 états du fluide sont représentés : l’état liquide à gauche et l’état gazeux à droite. Entre les deux, nous avons un mélange de liquide et de vapeur, Là où passe le fluide lorsqu’il change d’état. La transformation entre les deux n’est pas instantanée. Comme lorsque vous faites bouillir de l’eau, celle-ci produit des bulles elle en passant de l’état liquide à l’état gazeux. Cela ne se fait pas de façon instantanée, sinon vous n’auriez plus d’eau dans votre casserole dès que vous dépassez les 100°C. Ce principe est identique pour un fluide frigorigène.

Sur l’axe des ordonnées (vertical), nous avons la pression en Bar, sur l’axe des abscisses (horizontal), nous avons l’enthalpie en kJ/kg. L’enthalpie est l’énergie interne dans un système. Lorsque nous nous déplaçons de droite à gauche, nous donnons de l’énergie à l’extérieur, à l’inverse lorsque nous nous déplaçons de gauche à droite, le fluide frigorigène reçoit de l’énergie. Les courbes rouges représentent la température.

Si nous reprenons les transformations subies par le fluide dans une pompe à chaleur, nous avons un cycle comme ci-dessous :

A l’entrée de l’évaporateur (n°1), au début de notre cycle, la pression est de 2 Bar, avec une température de -10°C et une énergie interne de 230 kJ/kg.

A la sortie de l’évaporateur (n°2), l’air extérieur a réchauffé le fluide frigorigène. Il possède toujours une pression de 2 Bar, mais sa température est de 0°C, avec une énergie interne en augmentation, située maintenant à 405 kJ/kg.

A la sortie du compresseur (n°3), Le fluide est comprimé, sa pression arrive à 16 Bar, sa température à 70°C et son énergie interne à 450 kJ/kg. 

A la sortie du condenseur (n°4), le fluide frigorigène a été refroidi par l’air intérieur, sa pression est de 16 Bars, sa température de 20°C et son énergie interne de 230kJ/kg.

Nous pouvons récapituler dans un tableau :

Grâce à ce fonctionnement, les calories de l’air froid de l’extérieur ont été transmises à l’air chaud de votre maison. Sans ces changements d’état, une telle opération serait impossible.

Performance d’une pompe à chaleur 

Pour qu’une pompe à chaleur fonctionne, le compresseur doit recevoir de l’énergie électrique. Les autres composants fonctionnent sans elle, grâce à des des phénomènes physiques. 

Vous avez certainement déjà entendu qu’une pompe à chaleur détient un rendement supérieur à 1. Le rendement pour tout type de système se calcule comme ceci :

η = Puissance utile / Puissance absorbée 

Le rendement peut aussi être écrit : 

η = Puissance utilisée  / Puissance payée 

Le rendement est un indicateur permettant de voir si le système est performant. Le rendement est compris entre 0 et 1, plus il est proche de 1, plus le système est performant. Si le rendement est égal à 1, c’est qu’il n’y a aucune perte en chaleur. Un rendement supérieur à 1 n’existe pas, car il faudrait acheter moins d’énergie que celle utilisée. 

Pour la pompe à chaleur, le fait que le rendement soit supérieur à 1 est vrai… et faux. Effectivement l’énergie que nous utilisons est supérieure à celle que nous achetons, car en plus de fournir une énergie électrique à notre compresseur, nous prenons des calories à l’air. Nous recevons plus donc d’énergie que notre consommation réelle. Cependant, ce serait une vulgarité de dire que le rendement est supérieur à 1. Pour les pompes à chaleur, au lieu d’utiliser le rendement pour exprimer les performances nous utilisons, nous parlons du coefficient d’efficacité frigorifique (CEF) pour les machines qui produisent du froid et du coefficient de performance (COP) pour celles qui produisent du chaud.

Pour comprendre le CEF et le COP, il faut faire un bilan d’énergie de notre pompe à chaleur. Il s’agit d’un calcul simple, où nous observons l’énergie rentrant dans notre installation et celle qui en sort. Ce sont les énergies internes dont nous parlions auparavant.  Pour la pompe à chaleur nous en avons trois :

• W : l’énergie électrique que nous fournissons au compresseur. Elle est positive, le fluide se réchauffe et augmente sa pression.
• Qf : l’énergie de l’extérieur vers le fluide. Elle est positive, le fluide se réchauffe. 
• Qc : l’énergie du fluide vers l’intérieur. Elle est négative le fluide se refroidit. Nous perdons de l’énergie. 

Nous pouvons les représenter sur le graphique suivant :

L’énergie interne est visible sur l’axe des abscisses. C’est une différence entre le point de départ et celui d’arrivé. La distance Qc est la même que celle de Qf et de W réunit. Nous avons donc un bilan d’énergie égal à : 

-Qc = Qf + W

Avec les valeurs numériques précédentes nous avons : 

Qf = (h2 – h1) = 405 – 230 = 175 kJ/kg

W = (h3 – h2) = 450 – 405 = 45 kJ/kg 

Qc = (h1 – h3) = 230 – 450 = - 220 kJ/kg

Si nous appliquons le bilan d’énergie avec les valeurs numériques nous avons :

- (- 220) = 175 + 45

Maintenant que nous avons regardé comment se comporte l’énergie dans notre système, nous pouvons donc calculer le COP de notre pompe à chaleur. 

COP = Energie utile / Energie absorbée

L’Energie utile est celle du compresseur + celle de l’évaporateur, soit W + Qf. L’Energie absorbée est celle du compresseur car c’est celle que nous avons payer soit W. Ce qui nous donne : 

COP = Qf + W / W

Nous pouvons le calculer :

COP = 175 + 45 / 45 = 4.8

Le COP d’une pompe à chaleur est souvent autour de 4 ou 5, lorsque les températures sont douces, comme dans notre exemple et autour de 1 ou 2 lorsque les températures sont froides. C’est pour cela que certain disent que son rendement est supérieur à 1. Au contraire, d’autres disent que c’est faux car il ne s’agit pas d’un rendement, mais d’un coefficient de performance.

Ce que nous pouvons en retenir 

Le pompe à chaleur est un système de chauffage et de refroidissement très ingénieux. Il en existe une multitude, ce système convient dans beaucoup de circonstances et n’est pas non plus nouveau. Cependant, le fait de l’utiliser pour vous chauffer dans votre maison l’est un peu plus.

La pompe à chaleur permet grâce à des phénomènes physiques et un système réfléchi de consommer beaucoup moins d’énergie que si vous vous chauffiez avec des radiateurs électriques qui auraient un rendement de 1. Le rendement d’une pompe a chaleur est vraiment intéressant si nous avons un climat tempéré. Pour les régions froides, la pompe à chaleur n’est plus intéressante car son rendement baisse drastiquement.

Cependant, dire que la pompe à chaleur est une énergie renouvelable n’est pas tout à fait vrai, car vous fournissez de l’énergie électrique à votre compresseur. Pour que votre pompe à chaleur soit une énergie renouvelable, il faudrait que votre électricité le soit aussi. Ce qui n’est pas impossible, mais pas le plus fréquent.

Par Emma DORIGNY, étudiante en licence professionnelle métier de l’Energie de l’environnement et du génie climatique à Orléans.