Fonctionnement d'une pompe à chaleur

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Comment fonctionne une pompe à chaleur ?

Une pompe à chaleur fonctionne de la même manière qu'un réfrigérateur, mais en sens inverse. Alors qu'un réfrigérateur extrait l'énergie thermique des aliments, c'est-à-dire de l'intérieur du réfrigérateur, et la transmet à l'extérieur, une pompe à chaleur fait l'inverse : elle extrait l'énergie thermique de l'environnement extérieur au bâtiment et la rend utilisable pour chauffer l'intérieur. Outre l'air intérieur ou extérieur, une pompe à chaleur est capable d'exploiter l'énergie thermique des eaux souterraines et de la terre. Et comme la température de la chaleur obtenue est généralement insuffisante pour chauffer un bâtiment ou l'eau chaude sanitaire, on utilise des procédés thermodynamiques pour augmenter la température.

Le processus du cycle de réfrigération au cœur du principe de la pompe à chaleur

Quelle que soit la source de chaleur utilisée pour produire de la chaleur, le processus du cycle de réfrigération, qui comporte quatre étapes, fait toujours partie du mode de fonctionnement des pompes à chaleur.

Pour pouvoir évaporer un liquide, il faut fournir de l'énergie. Ce phénomène est facile à observer avec l'eau. Lorsqu'on chauffe une casserole d'eau à 100°C (on y ajoute de l'énergie thermique), l'eau commence à s'évaporer. Si l'on y ajoute ensuite de l'énergie thermique supplémentaire, la température de l'eau ne continue pas à augmenter. Au contraire, l'eau est entièrement transformée en vapeur.

Si un gaz, comme l'air, est comprimé (la pression augmente), sa température augmente également. Vous pouvez en faire l'expérience si vous maintenez l'ouverture d'une pompe à air de vélo fermée et que vous comprimez l'air : le ballon de la pompe devient chaud.

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

Si la pression d'un liquide sous pression est soudainement réduite, la température baisse considérablement. On peut l'observer, par exemple, sur une bouteille de gaz liquide dans une gazinière de camping. Si la vanne est ouverte, de la glace peut se former sur la vanne du ballon GPL, même en été (ici, la pression est réduite d'environ 30 bars à 1 bar).

Répétition continue du processus

Ces processus se déroulent dans un circuit fermé à l'intérieur de la pompe à chaleur. Pour transporter la chaleur, on utilise un liquide (fluide frigorigène) qui s'évapore à très basse température. L'énergie thermique, provenant par exemple de la terre ou de l'air extérieur, est utilisée pour évaporer ce liquide. Même des températures de -20°C sont suffisantes pour fournir de l'énergie. La vapeur froide du fluide frigorigène, par exemple -20 °C, est ensuite fortement comprimée. Ce faisant, elle se réchauffe jusqu'à atteindre une température de 100°C. La vapeur du fluide frigorigène est condensée et libère la chaleur vers l'installation de chauffage. Par la suite, la pression du fluide frigorigène liquide est fortement réduite. Cela fait redescendre la température du liquide au niveau initial. Le processus peut recommencer depuis le début.

Principe de la pompe à chaleur en 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 : elle peut être constituée d'une ou deux unités. Dans les deux cas, un ventilateur intégré aspire activement l'air ambiant et le dirige vers un échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur est traversé par un fluide frigorigène qui change d'état physique à très basse température. Au contact de l'air ambiant, le fluide frigorigène se réchauffe et se transforme progressivement en vapeur. Un compresseur est utilisé pour augmenter la chaleur résultante jusqu'à la température requise. Cela comprime la vapeur et augmente à la fois la pression et la température de la vapeur du fluide frigorigène.

Un deuxième échangeur de chaleur (condenseur) transfère ensuite l'énergie de la vapeur chauffée vers le circuit de chauffage (chauffage par le sol, radiateurs, tampon chauffant et/ou ballon d'eau chaude sanitaire). Au cours de ce processus, le fluide frigorigène, encore sous pression, se refroidit et se liquéfie à nouveau. Avant de pouvoir retourner dans le circuit, le fluide frigorigène est d'abord détendu dans une vanne d'expansion. Une fois qu'il a retrouvé son état initial, le cycle de réfrigération peut recommencer.

Explication en vidéo

Le principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur

La compression nécessite du courant électrique

Le compresseur est un élément essentiel du circuit de réfrigération. En effet, sans compression, les températures de sortie sont trop basses pour pouvoir chauffer un bâtiment à une température confortable, surtout les jours de grand froid avec des températures négatives à deux chiffres.

Dans la pratique, plusieurs compresseurs sont utilisés, notamment des compresseurs à piston ou des compresseurs à spirale, qui sont tous entraînés électriquement. La consommation d'énergie pour la compression dépend de nombreux facteurs. Il s'agit notamment de la demande de chaleur, de la technologie du compresseur et, enfin et surtout, de la différence de température entre la source de chaleur et l'installation de chauffage. En règle générale : plus le différentiel de température entre la source de chaleur et la température de départ est élevé, plus le compresseur doit travailler.