Le fonctionnement d'une pompe à chaleur

Le fonctionnement d'une pompe à chaleur est très similaire à celui d'un réfrigérateur. Alors qu'un réfrigérateur extrait l'énergie thermique des aliments (c'est-à-dire de l'intérieur du réfrigérateur) et la dirige vers l'extérieur, une pompe à chaleur fait le contraire : elle extrait l'énergie thermique de son environnement naturel proche, et la rend utilisable pour le chauffage intérieur et l’eau chaude sanitaire. En plus de la pièce ou de l'air extérieur, une pompe à chaleur est en mesure de puiser l'énergie calorifique de l'eau souterraine et du sol. Et parce que la température de cette chaleur n'est généralement pas suffisante pour chauffer à température souhaitée un bâtiment ou l'eau chaude, le procédé thermodynamique est utilisé.

Le cycle frigorifique en détail

Quelle que soit la source utilisée pour produire de la chaleur, le cycle de réfrigération, qui se déroule en quatre étapes, fait toujours partie du fonctionnement de la pompe à chaleur.

1. Evaporation

Pour évaporer un liquide, il faut fournir de l'énergie. Ceci peut être très bien observé avec de l'eau. Lorsqu'une casserole d'eau est chauffée à 100 degrés Celsius (énergie thermique fournie), l'eau commence à s'évaporer. Si de l'énergie thermique supplémentaire est fournie, la température de l'eau n'augmente plus. Au lieu de cela, l'eau est complètement transformée en vapeur.

2. Compression

Si un gaz est comprimé (comme par exemple l'air), sa pression augmente et sa température augmente également. On peut le constater en tenant l'ouverture d'une pompe à air de bicyclette et en comprimant l'air : le cylindre de la pompe à air se réchauffe.

3. Condensation

Comme l'énergie ne peut pas être perdue, lorsque la vapeur d'eau se condense, l'énergie thermique précédemment utilisée pour l'évaporation est libérée à nouveau.

4. Détente

Si la pression d'un liquide sous pression est soudainement abaissée, la température baisse plusieurs fois. On peut le voir, par exemple, sur une bouteille de gaz liquéfié à côté d'un réchaud à gaz de camping. Si le robinet est ouvert, de la glace peut se former sur le robinet de la bouteille de gaz liquéfié même en été. Ici, la pression est abaissée d'environ 30 bar à 1 bar.

Répétition continue du processus

Ces processus se déroulent en circuit fermé dans la pompe à chaleur. Pour le transport de chaleur, on utilise un liquide (réfrigérant) qui s'évapore à très basse température. Pour évaporer ce liquide, on utilise par exemple l'énergie thermique du sol ou de l'air extérieur. Même des températures de moins 20 degrés Celsius suffisent pour cela. La vapeur du réfrigérant froid, par exemple -20 degrés Celsius, est ensuite très fortement compressée. Il chauffe jusqu'à une température de 100 degrés Celsius. Cette vapeur de réfrigérant est condensée et libère la chaleur dans le système de chauffage. La pression du fluide frigorigène liquide est alors considérablement réduite. La température du liquide descend au niveau initial. Le processus peut alors recommencer.

Procédé utilisant l'exemple d'une pompe à chaleur air-eau

La façon la plus simple d'expliquer ce processus est d'utiliser l'exemple d'une pompe à chaleur air-eau.
Une pompe à chaleur air-eau peut être composée d'une ou deux unités. Dans les deux cas, un ventilateur intégré aspire activement l'air ambiant et l'achemine vers un échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur lui-même est rempli d'un fluide frigorigène qui change son état à très basse température. Au contact de l'air ambiant, le fluide frigorigène se réchauffe et s'évapore progressivement.
Un compresseur est utilisé pour augmenter la chaleur produite jusqu'à la température désirée. Ceci comprime la vapeur et augmente à la fois la pression et la température de la vapeur du réfrigérant.
Un échangeur de chaleur supplémentaire (condenseur) transfère ensuite l'énergie de la vapeur chauffée vers le circuit de chauffage (chauffage au sol, radiateurs ou ballon tampon de chauffage ou ballon d'eau chaude).
Le réfrigérant, qui est encore sous pression, refroidit et se liquéfie à nouveau. Avant qu'il puisse retourner dans le circuit, le fluide frigorigène est d'abord relâché dans un détendeur. Une fois qu'il a atteint son état initial, le cycle de réfrigération peut recommencer.

L'image montre schématiquement le processus de compression du mode de fonctionnement de la pompe à chaleur.

La compression nécessite un courant électrique

Une partie essentielle du circuit de refroidissement est le compresseur. Parce que les températures initiales sont trop basses sans compression pour chauffer un bâtiment à une température confortable - surtout les jours très froids avec des températures négatives à deux chiffres.

Différents compresseurs sont utilisés dans la pratique, y compris les compresseurs alternatifs ou à spirales qui sont entraînés électriquement. La consommation d'énergie pour la compression dépend de nombreux facteurs. Ceci inclut les besoins de chauffage, la technologie des compresseurs et surtout la différence de température entre la source de chaleur et le système de chauffage. Plus la différence de température entre la source de chaleur et la température de départ est élevée, plus le compresseur doit fonctionner.

L'électricité de la pompe à chaleur améliore l'équilibre écologique d'une pompe à chaleur

Depuis quelques années, les fournisseurs d'électricité proposent également des tarifs spéciaux pour les pompes à chaleur avec de meilleures conditions pour les clients finaux. Dans ce cas, les propriétaires du système en bénéficient doublement : d'une part, ces tarifs réduisent les coûts de chauffage au minimum. D'autre part, l'électricité est généralement produite à partir d'énergies renouvelables, ce qui améliore le bon équilibre écologique d'une pompe à chaleur.