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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