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Explication simple de la pompe à chaleur
Pour s’en tenir à une explication simple du fonctionnement d’une pompe à chaleur, nous allons considérer deux milieux de températures différentes, et isolés thermiquement l’un de l’autre. Le milieu le plus froid sera appelé source froide. Dans le cas de l’utilisation d’une pompe à chaleur pour chauffer une maison, la source froide pourra être le sous-sol du jardin, un cours d’eau souterrain, l’air extérieur. Pour une climatisation, la source froide sera l’air intérieur de la maison. A l’inverse, le milieu le plus chaud sera la source chaude, donc l’air intérieur pour un fonctionnement en chauffage, et… Vous avez compris.
Au moyen d’un cycle thermodynamique et d’une source de travail, généralement de l’énergie électrique alimentant un compresseur, la pompe à chaleur va transférer de la chaleur (de l’énergie thermique) du milieu froid au milieu chaud, donc à l’inverse de ce qui se passerait naturellement si on cassait l’isolation entre les deux milieux (la chaleur passerait du milieu chaud au milieu froid : ouvrez grandes vos fenêtres en plein hiver, et vous aurez une douloureuse illustration du phénomène).
Normalement, l’efficacité d’une pompe à chaleur permet de transférer plus d’énergie thermique de la source froide à la source chaude qu’elle ne consomme d’énergie électrique, et dans une large mesure. Une pompe à chaleur moyenne dans de bonnes conditions (en situation réelles, tout de même) pourra faire passer 4 kilowatts de chaleur d’un milieu à l’autre pour un kilowatt d’électricité consommé. Un radiateur électrique ne pouvant dégager au maximum qu’un kilowatt thermique pour un kilowatt électrique par effet Joule, on comprend vite l’intérêt des pompes à chaleur.
Le rendement d’une pompe à chaleur, quelle qu’elle soit, dépendra de sa conception, mais aussi de la différence entre les températures de source froide et de source chaude. Si cette différence augmente, le rendement diminue.
Voilà, c’était l’explication simple, nous allons passer aux choses sérieuses.
Cycle thermodynamique d’une pompe à chaleur
Pour transférer de la chaleur d’un milieu à l’autre, le cycle thermodynamique d’une pompe à chaleur va utiliser un fluide, dit frigorigène. L’absorption dans la source froide, et la restitution dans la source chaude seront effectuées grâce aux changements d’état, liquide vers gaz, puis gaz vers liquide, du fluide, choisi en fonction des conditions de température et de pression qui permettent ces changements d’état. Inspiré du cycle idéal de Carnot inversé, ce cycle frigorifique est à la base de l’efficacité énergétique d’une pompe à chaleur.
Le développement des cycles frigorifiques et des pompes à chaleur
Les premières pompes à chaleur fonctionnelles ont été créée il y a presque 2 siècles, pour produire du froid. Le chauffage pouvant depuis l’aube de l’humanité être assuré par des moyens simples, la réfrigération a été privilégiée au départ dans l’étude des systèmes thermodynamiques d’échange de chaleur. A partir des années 1930, l’essor des climatiseurs, y compris dans les voitures, puis des réfrigérateurs a été rapide. L’utilisation pour le chauffage a commencé à sembler intéressante dans les années 70, après le choc pétrolier, mais les machines n’étant pas encore au point, cela ne dura pas. Aujourd’hui, les pompes à chaleur ont bien évolué et sont devenues très performantes.
Les pompes à chaleur modernes
Les pompes à chaleur modernes pour le chauffage se déclinent en plusieurs types, selon la source froide utilisée, la manière dont elle transmettent la chaleur à l’intérieur d’une maison,et leur température de fonctionnement. La géothermie utilisera le sol, à des profondeurs diverses, pour capter de la chaleur, les pompes aérothermiques s’appuieront sur l’air extérieur, et pour retransmettre la chaleur, on trouvera des systèmes à détente directe, ou qui se connectent sur une boucle à eau chaude de chauffage central.
Le coefficient de performance d’une pompe à chaleur
Lorsque l’on envisage l’achat d’une pompe à chaleur, il est important d’avoir un indicateur pour comparer la performance de différents modèles. On utilise le coefficient de performance, ou COP, valeur non dimensionnelle, qui indique le rapport entre l’énergie thermique produite et l’énergie électrique consommée. Il faut bien comprendre que le COP indiqué est toujours mesuré dans des conditions précises, et va varier, en situation réelle, en fonction de l’écart entre la température extérieure et la température intérieure, et de l’efficacité du système de diffusion de la chaleur.