Tout sur le fonctionnement d’une pompe à chaleur

La pompe à chaleur est un outil qu’on utilise afin d’obtenir davantage de chaleur. Pourtant saviez-vous qu’on peut également avoir un refroidissement à partir d’une pompe à chaleur ? C’est exact, la pompe à chaleur peut fournir du froid. On retrouve ce système à travers nos réfrigérateurs et nos congélateurs.

On se demande alors comment on a fait pour obtenir du chaud et du froid à partir d’un même appareil. C’est ce qu’on va expliquer tout le long de cet article. En effet, Eco Habitat Lux est une entreprise spécialisée dans les énergies alternatives. Nous pensons que l’utilisation de la pompe à chaleur est l’un des moyens pour réduire vos dépenses.Nous vous aidons alors à mieux comprendre les pompes à chaleur : qu’est-ce que c’est ? Comment il fonctionne ? Quelles sont ces domaines d’utilisation ?

Sommaire

Principe de base du fonctionnement d’une pompe a chaleur

Le fonctionnement d’une pompe à chaleur se fait par un échange d’énergie calorifique. Il est nécessaire alors de parler de thermodynamique. Cette partie de la physique traite en particulier les questions sur la transformation d’un fluide.

Comme dit précédemment, le système dans les réfrigérateurs est semblable à celui d’une pompe à chaleur. C’est pourquoi, on peut confondre le fonctionnement de ces deux appareils. Pourtant, il s’agit simplement d’un circuit fermé de thermodynamique.

Pour ce faire, nous allons voir son schéma représentant le circuit interne d’un climatiseur ou pompe à chaleur. Mais avant tout, il est nécessaire de connaître ses composants afin de mieux la comprendre.

Schéma du circuit d’une pompe à chaleur

Le fluide qui subira les transformations est appelé un fluide frigorigène. Ce dernier est également appelé fluide caloporteur. En effet, il transporte l’énergie calorifique (le chaud ou le froid) à travers le circuit. Il passera dans quatre (04) composants qui auront chacun un rôle très important :

A travers chaque composant, le fluide caloporteur subira des transformations.

C’est en général le cycle thermodynamique qui illustre parfaitement le fonctionnement d’une pompe à chaleur.  On a pu construire cet appareil à l’aide de ce circuit et l’étude des transformations d’état des fluides. Il suffisait de prendre en compte les principes les plus simples.

Quelques fonctionnements des pompes à chaleur

Pour faciliter les calculs thermodynamiques, les constructeurs ont utilisé des transformations qui ne modifient qu’un paramètre du fluide. Pour chaque passage dans un composant, le fluide n’a transformé que sa pression ou sa température.

On relève alors trois transformations à travers une pompe à chaleur :

Le changement d’état du fluide caloporteur se fait en fonction de trois paramètres : la température, la pression et l’entropie. On élimine alors un des paramètres en constante pour les réduire.

Un peu de thermodynamique

La thermodynamique que nous allons explorer se résume en deux principes fondamentale 

À travers le premier principe, nous découvrons que dans un système thermodynamique, l’énergie se conserve. Au début et à la fin d’une transformation, l’énergie totale du système est la même. À travers le deuxième principe, on prend en compte la notion d’entropie. On essaie alors d’appliquer ces deux principes à travers le circuit pour avoir le meilleur rendement pour un système thermodynamique.

En effet, c’est très ingénieux, mais voyons pratiquement le fonctionnement d’une pompe à chaleur. À l’aide du circuit thermodynamique, on peut obtenir du chaud à partir du froid et du froid à partir du chaud. Selon les principes cités précédemment, on peut alors prendre le froid dans l’air chaud. Pourtant, en contrepartie, l’air sera plus froid à la sortie. Ce système est également appliqué pour obtenir du chaud.

Mode de fonctionnement d’une pompe à chaleur

Nous allons donc voir à l’aide du schéma fonctionnel le fonctionnement d’une pompe à chaleur sous son utilisation.

Grâce à deux composants : condensateur et évaporateur, nous avons alors respectivement nos sources chaude et froide.

On applique alors le premier principe de la thermodynamique. L’évaporateur dans le circuit permet d’obtenir du chaud à partir du froid en provenance du détendeur. En contrepartie, l’évaporateur doit faire sortir davantage de froid qu’à son entrée. D’où la source de refroidissement. On obtient par le biais du même principe dans le cas inverse à travers l’évaporateur.

Facteur de réversibilité d’une pompe à chaleur

Le facteur de réversibilité d’une pompe à chaleur est déterminé par ses composants. Pour garantir la réversibilité d’un PAC, il est nécessaire de déterminer si on peut inverser son cycle.

On peut alors parler de PAC à quatre vannes. Elles permettent d’inverser le sens du cycle pour passer de source chaude à source froide et vice-versa.

On peut également avoir une installation avec laquelle on possède à la fois une source froide et une source chaude. Il est nécessaire de connaître le besoin d’utilisation avant de faire un choix. Le fonctionnement d’une pompe à chaleur peut effectivement se résumer à travers la rubrique précédente.

Rendement ou coefficient de performance COP

Par définition, le rendement d’une pompe à chaleur ou son coefficient de performance est :

COP = Energie transmise à la source chaude ou froide / Energie mécanique dépensé

On peut avoir deux formules alors pour l’utilisation en source chaude et source froide :

COP = Q évaporateur / W compresseur

COP = Q condesateur / W détendeur

En pratique, on peut obtenir un coefficient de performance de 0,4 à 3. Le COP peut varier selon le mode de fonctionnement d’une pompe à chaleur.

Dans un système idéal avec quasiment aucune perte, on peut avoir le rendement suivant :

COP = T source chaude / ( T source chaude - T source froide)

On remarque que l’écart entre la température de la source chaude et la source froide fait varier le rendement. Pour une COP idéale, il est impératif que cet écart soit énorme. Les caractéristiques du fluide caloporteur devront alors supporter ces températures pour permettre la réversibilité dans sa transformation. On utilise actuellement du HCFC pour plus tard passer au gaz naturel.

Différences de fonctionnement de la pompe à chaleur

Nous allons donc parler de comment fonctionne les pompes à chaleur aérothermiques. On distingue plusieurs variétés, mais on va les classer en deux types :

Il est à remarquer qu’une différence peut exister pour les pompes à chaleur aérothermiques. Il se peut qu’elle ne contienne pas le modèle de fonctionnement cité précédemment. Un autre système peut être utilisé, le refroidissement direct de l’air pour la ventilation. On utilise la méthode de détente directe. Dans ce cas, nous n’avons pas besoin de fluide intermédiaire.

Regardons aussi deux aspects du fonctionnement d’une pompe à chaleur par rapport à son utilisation :

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