Pompe à Chaleur Pompe à Chaleur (PAC)(PAC)

Dans une « Pompe à chaleur », la zone utile est une enceinte chaude (maison) qui reçoit la chaleur de l’extérieur où il fait plus froid

La chaleur s’écoule naturellement d’un milieu chaud vers un milieu froid.

Les machines thermiques « génératrices », grâce à un moteur électrique, permettent de transférertransférer la chaleur d’unela chaleur d’une source froide source froide vers une source chaudevers une source chaude.

Dans les machines « frigoriques » la zone utile est une enceinte froide (réfrigérateur) de laquelle transfère la chaleur vers l’extérieur où il fait plus chaud.

Il faut du travail pour faire passer la chaleur de la source froide vers la source chaude

travail

Qf Qc

W

Source chaude (Tc)

Source Froide (Tf)

Génératrice

thermique

Sens naturel

Réfrigérateur

Source froide

Source Chaude

Pompe à Chaleur

Source froide

Source Chaude

Pour comprendre le fonctionnement d’une PAC, quelques rappels de thermodynamiqueTempérature: Mesure indirecte du degré d'agitation microscopique des particules [K]

Chaleur: Transfert d'agitation thermique entre particules [J]

Enthalpie: [J/kg]L'enthalpie représente l'énergie d'un corps. Elle augmente avec sa pression et sa température. Elle se mesure en joules par kilogramme. Elle est représentée par la formule :H = U + pV (U énergie interne, p pression, et V volume

Pression: Elle est due aux nombreux chocs des molécules sur les parois du récipient [Bar]Volume: Espace dans lequel on confine un gaz [m3]

Les changements d’états de la Les changements d’états de la matièrematière

Liquéfaction ouCondensation liquide

Evaporation

Solidification ouCristalisation

Sublimation

Solide Liquide

Gaz

Fusion

Condensation solide

Les changements d’états de la Les changements d’états de la matièrematière

Fusion

100

0

T(°C)

Temps (s)

Echauffement de la vapeur

Echauffement du liquide

Echauffement du solide

vaporisation

Diagrammes enthalpiquesDiagrammes enthalpiquesPre

ssio

n

(Bar)

Enthalpie (kJ/kg)

Etats du fluide frigogèneEtats du fluide frigogènePre

ssio

n

(Bar)

Enthalpie (kJ/kg)

LiquideLiquide et gazeux

Gazeux

IsothermeIsotherme

Isotherme 0°C

IsobareIsobare

Isobare 10 Bar

Diagramme enhalpiqueDiagramme enhalpique

Isentrope

Isotherme

h (kJ/kg)

Ln P(bar)

Courbe de saturation

Liquide saturévapeur saturée

C(point critique)

Courbe d’égal titre vapeur

LIQUIDE

LIQUIDE + VAPEUR

VAPEUR

Tracé d’un cycleTracé d’un cycle

1 23

456

7

Evaporation

Surchauffe

Compression

CondensationSur-

refroidissement

Détente

Tracé d’un cycleTracé d’un cycle

W

milieu extérieur (source froide)

évaporateur

Circulation du frigorigène(aspiration des vapeurs,

refoulement dans le condenseurdétente du frigorigène liquide)

Zone de travail à basse pression

Zone de travail à haute pression

apport d’énergie motrice

condenseur

milieu à chauffer

fluide frigoporteur à refroidir

(air ou eau) Ti

Fluidecaloporteur chaud

Tr + Tr

Ti - Ti

Ti

Fluide caloporteur à chauffer (air, eau)

Tr

fluide frigoporteur refroidi(air ou eau)

Cycle

-15°C

-5°C

+60°C

+18°C

Evap

ora

tio

n

Compression

Con

den

sati

on

Détente

ExtérieurSource froide+3°C

IntérieurSource chaude+19°C

travail

QfQc

W

Source chaude (Tc)

Source Froide (Tf)

Génératrice

thermique

Sens naturel

W

QCOP c

di Coefficient de Coefficient de performanceperformance

1er principeQf - Qc+W = 0

W =Qc - Qf

2èmeprincipe

0c

c

f

f

T

Q

T

Q

c

ffc

cid

T

TTT

TCOP

1

1

Variation du COP en fonction de Tf / Tc

0

1

2

3

4

5

6

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Tf / Tc

CO

P i

déa

le

Coefficient de Coefficient de performanceperformanceLa machine est d’autant plus efficace que Tf / Tc est proche de l’unité donc que la température froide est proche de la

température chaude.

Dans la réalité les COP des machines réelles sont voisins de la moitié des valeurs idéales attendues.

c

fid

T

TCOP

1

1

Coefficient de Coefficient de performanceperformance

c

fid

T

TCOP

1

1

Variation du COP en fonction de Tf et de Tc

2

6

10

14

18

22

26

10 20 30 40 50 60 70

Tc (°C)

CO

P id

éale

COP(Tf =-30°C)

COP(Tf = -20°C)

COP(Tf = -10°C)

COP(Tf = 0°C)

COP(Tf = 10°C)

COP(Tf = 20°C)

4

3

2

1

5

6

Condenseur

Evaporateur

CompresseurDétendeur

1’’

3’’

4’’

2’’

LIQUIDE

Sous refroidisseme

ntcondensation désurchauffe

surchauffe à l’aspiration

évaporation

2

16

4 3

5

h (kJ/kg)

Log P (Pa)

LIQUIDE+

VAPEURVAPEUR

Log PC

Log PF

com

pres

sion

déte

nt

e

: cycle réel

: cycle idéal

Source VIESSMANN

Compresseur

Evaporateur

Régulation

Condenseur

Source de chaleur

Réseau chauffage

Constitution d’une Constitution d’une PACPAC

Les différentes phases du Les différentes phases du cyclecycle

19°

11°

-5° 35°

Facteur de performance saisonnierFacteur de performance saisonnier

Le SFP évalue la performance théorique annuelle de la PAC.

C’est le rapport des quantités d’énergie fournies et apportées en un an calculées sur la base d’un COP instantané à différentes températures

)(

)()(

COP

*

Text

TextText

demandée

tPQ

SFP

Qdemandée à la PAC durant la période de chaufe (kWh/an)

P(Text) puissance à apporter pour une source froide Text (kW)

t(Text) durée de la température Text (h/an)

COP(Text) coefficient de performance poutr la température Text

Coefficient Annuel Coefficient Annuel COPACOPALe COPA évalue la performance annuelle de toute l’installation,

auxiliaires compris.C’est l’indice le plus important dans l’examen d’une installation.

Toutes les quantités d’énergie produites et injectées sont comparées.

Ce n’est pas une valeur théorique mais une mesure réelle sur le site

oninstallatildementfonctionneleparconsomméeEnergie

batimentledansrestituéeecalorifiquannuelleEnergieCOPA

'

Le procédé à détente directeLe procédé à détente directe

Le procédé avec fluide Le procédé avec fluide intermédiaireintermédiaire

Le moyen terme ou procédé mixteLe moyen terme ou procédé mixte

Les avantages et inconvénientsLes avantages et inconvénients

Source de chaleurSource de chaleurPour pompe à chaleur sol/eauPour pompe à chaleur sol/eau

Captage en nappe Captage par forageCaptage sur source

ou sur nappe

Capteurs extérieursCapteurs extérieurs

Planchers chauffantsPlanchers chauffants

Pour pompe à chaleur Pour pompe à chaleur air/eauair/eau

Air extérieur

GéotherGéothermiemie

Les différents types de Les différents types de

géothermiegéothermie 

Ressources mondiales de la Ressources mondiales de la géothermiegéothermie

La géothermie basse énergie

La géothermie moyenne énergie

La géothermie haute énergie

Ressources géothermiques en Ressources géothermiques en FranceFrance