Tout savoir sur la pompe à chaleur

Dans cet article, nous nous pencherons sur les pompes à chaleur (appelées aussi PAC), en analysant leurs types, leur fonctionnement, leur réglementation et les principaux paramètres permettant d’analyser leur adéquation et leur dimensionnement. En examinant les différentes classifications, nous mettons en évidence les avantages et les inconvénients de ces systèmes de chauffage économiques, en tenant compte des facteurs qui influencent leur efficacité, afin d’orienter le choix et le dimensionnement correct.

Comment fonctionne une pompe à chaleur ?

La pompe à chaleur est une machine cyclique capable de transférer de l’énergie, sous forme de chaleur, d’une source thermique à basse température à une source thermique à température plus élevée par l’administration d’un travail mécanique externe. Cela permet de disposer d’une quantité d’énergie thermique qui est absorbée de l’extérieur à basse température et, par ce que l’on appelle le cycle de Carnot inverse, utilisée pour chauffer l’environnement interne.

Où :

• qi est la chaleur extraite de la source froide
• qs est la chaleur fournie à la source chaude
• l est le travail mécanique fourni au système depuis l’extérieur

Un cycle inverse, appelé ainsi parce qu’il n’est pas réalisé avec la production mais avec l’administration nécessaire de travail de l’extérieur, est réalisé en connectant quatre éléments fondamentaux dans un circuit fermé le long duquel circule le fluide de travail :

• un compresseur
• un condenseur
• un détendeur
• un évaporateur

Cycle théorique d’une pompe à chaleur

Examinons en détail les 4 phases différentes qui caractérisent le fonctionnement typique d’une PAC, selon le schéma ci-après :

1. Compression (1→2) de la vapeur saturée : la vapeur saturée à basse pression entre dans le compresseur et subit une compression adiabatique réversible (compression isentropique), jusqu’à ce qu’elle devienne liquide ;
2. Condensation avec transfert de chaleur Qc (2→3) : la chaleur est transférée à l’environnement à une température plus élevée, dans un processus de condensation à pression constante à travers un échangeur de chaleur, le condenseur, duquel le fluide de travail sort en tant que liquide saturé ;
3. Lamination à travers un détendeur (3→4) : le passage à travers le détendeur a lieu, au cours duquel le fluide passe d’une pression plus élevée à une pression plus basse, en diminuant simultanément sa température et en conservant l’enthalpie qu’il avait initialement (expansion isoentalpique). Le liquide n’étant plus comprimé, il est revenu à l’état de vapeur ;
4. Évaporation avec absorption de chaleur Qe (4→1) : la chaleur est reçue par le système à une température plus basse dans un processus d’évaporation à pression constante à travers un échangeur de chaleur, l’évaporateur, ce qui ferme le cycle.

En mode machine frigorifique (fonctionnement en été), la source de chaleur à basse température (évaporateur) est l’environnement intérieur, tandis que l’extérieur agit comme un puits de chaleur. En mode pompe à chaleur (fonctionnement hivernal), la source thermique basse température (évaporateur) est extérieure au bâtiment (air, eau, sol), tandis que le puits chaud peut être l’air de la pièce à climatiser, l’eau chaude dans le système de chauffage (radiateurs, plancher chauffant, etc) ou le fluide caloporteur alimentant les terminaux.

Les caractéristiques du fluide frigorigène

Il est fondamental de souligner que le fluide frigorigène doit posséder la propriété de se condenser même à des températures ambiantes et à des pressions relativement basses. Plus précisément, ses caractéristiques doivent être les suivantes :

• Température critique élevée, nettement supérieure à la température de condensation qui se produit dans le cycle ;
• Température de solidification basse afin de ne pas se solidifier pendant le fonctionnement normal ;
• Chaleur d’évaporation très élevée afin d’obtenir un effet de refroidissement important ;
• Composition chimique stable ;
• Absence de caractéristiques toxiques ou inflammables.

Cadre réglementaire pour les pompes à chaleur

Le 29 mars 2011 est entré en vigueur le décret législatif n° 28/2011 « Mise en œuvre de la directive 2009/28/CE relative à la promotion de l’utilisation de l’énergie produite à partir de sources renouvelables et modifiant puis abrogeant les directives 2001/77/CE et 2003/30/CE ». Ce décret vise à réformer l’avenir des sources d’énergie renouvelables. Il redéfinit complètement les critères d’intégration et le calendrier des énergies renouvelables dans les nouveaux bâtiments et les bâtiments existants faisant l’objet de rénovations importantes. En outre, dans l’annexe 2, il établit les exigences et les spécifications techniques des installations alimentées par des sources renouvelables afin d’accéder aux incitants nationaux.

Les performances des machines doivent être mesurées selon les normes suivantes :

• pour les pompes à chaleur électriques, conformément à la norme UNI EN 14511:2018 « Climatiseurs, refroidisseurs de liquide et PAC avec compresseur électrique pour le chauffage et le refroidissement des locaux et refroidisseurs à cycle de traitement avec compresseur électrique » ;
• pour les pompes à chaleur à absorption à gaz selon la norme EN 12309-2 (valeurs d’essai p.c.i.) ;
• pour les pompes à chaleur à gaz endothermiques, comme il n’existe pas de norme spécifique, nous appliquons la norme UNI EN 14511:2018.

En ce qui concerne le calcul et l’analyse des performances saisonnières des pompes à chaleur, la norme de référence est la norme UNI EN 14825:2019 sur les « Climatiseurs, refroidisseurs de liquide et pompes à chaleur, avec compresseurs entraînés électriquement, pour le chauffage et le refroidissement des locaux – Méthodes d’essai et évaluation à charge partielle et calcul des performances saisonnières ». Cette norme européenne définit la méthode de détermination du coefficient de performance énergétique saisonnière en refroidissement (SEER) et en chauffage (SCOP). Dans cette norme, le cas où la pompe à chaleur produit de l’énergie thermique à usage sanitaire (ECS) n’est pas pris en compte.

Après cette brève introduction, voyons en détail les principaux paramètres qui caractérisent le fonctionnement des systèmes de pompes à chaleur.

Paramètres influençant l’efficacité énergétique d’une PAC

L’efficacité des refroidisseurs d’eau et des pompes à chaleur est déterminée par de nombreux facteurs, dont les plus importants sont les suivants :

• Les températures des sources chaudes et froides (les sauts de température entraînent des sauts de pression. En dehors de la plage de fonctionnement, la pompe s’arrête)
• Le mode de partialisation des circuits frigorifiques (le COP des machines avec régulation ON-OFF du circuit unique a toujours une tendance à la baisse, contrairement aux modèles avec circuit partialisable dans lesquels le COP augmente lorsque la charge diminue jusqu’à 25%, puis diminue si la charge est à nouveau réduite).
• La teneur en eau du système (affecte le nombre de démarrages et les temps de fonctionnement d’un compresseur).

Pour une machine frigorifique à compresseur, ce facteur est défini comme suit :

• EER (coefficient d’efficacité énergétique) : rapport entre la puissance frigorifique produite (Pf) et la puissance électrique absorbée (Pe) lors du fonctionnement d’un refroidisseur.
• COP (Coefficient de performance) : rapport entre la chaleur produite (Pt) et la puissance électrique absorbée (Pe) dans le cas d’une pompe à chaleur.
• EER= Pf/Pe COP= Pt/Pe

Dans certaines conditions de fonctionnement, Pt=Pf+Pe, vous obtenez donc : COP=EER+1

En prenant le concept du cycle de Carnot inverse idéal, composé de deux transformations isothermes et de deux transformations adiabatiques réversibles entre les températures θe et θc, il est démontré que les valeurs maximales théoriquement réalisables pour ces paramètres sont exclusivement fonction de la température absolue de la source chaude θc (condensation) et de la température absolue de la source froide θe (évaporation) :

EER = θe / (θc – θe) COP = θc / (θc – θe)

Il convient de préciser que dans les machines réelles, les pertes de pression et de chaleur dans le condenseur, l’évaporateur et la tuyauterie ainsi que le rendement isoentropique du compresseur sont bien entendu pris en compte.

L’importance du COP

Le COP à charge partielle est différent du COP à pleine charge et est donné par ce dernier multiplié par un facteur de correction, qui est supposé ne dépendre que du facteur de charge de la machine (CR) et non des conditions de fonctionnement. Pour les machines à onduleur, le COP est meilleur à des charges moyennes. En revanche, pour les machines ON-OFF, le stockage est nécessaire pour limiter les pertes.

• SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) : coefficient d’efficacité énergétique saisonnier en climatisation ;
• SCOP (Seasonal Coefficient Of Performance) : coefficient d’efficacité énergétique saisonnier pour le chauffage.

Il s’agit de deux paramètres synthétiques calculés à partir d’un mélange théorique de données obtenues en quatre points d’essai (A, B, C, D) où le fabricant peut choisir le climat de référence, la température de conception, le type de régulation, etc. Ils reflètent la consommation d’énergie réelle d’une PAC, en fonction de son efficacité énergétique sur l’année.

Les valeurs SEER et SCOP mesurent la consommation d’énergie annuelle et l’efficacité sur la base d’une consommation journalière typique. Elles prennent en compte les variations de température et les temps d’attente sur le long terme, de manière à fournir une indication précise et fiable de l’efficacité énergétique typique d’une saison entière de chauffage ou de refroidissement.

Pour un refroidisseur à absorption, cette efficacité est définie comme suit :

GUE (Gas Utilisation Efficiency) : le rapport entre l’énergie fournie (chaleur transférée au fluide à chauffer) et l’énergie consommée par le brûleur. Le GUE varie en fonction du type de pompe à chaleur et des conditions de fonctionnement et a généralement des valeurs autour de 1,6/1,7. Cela signifie que pour 1 kWh d’énergie équivalente au gaz consommé, la pompe à chaleur fournit 1,6 kWh de chaleur au milieu à chauffer.

Classification des systèmes de pompe à chaleur

Il est possible d’effectuer différentes répartitions des types de systèmes de pompe à chaleur.

Selon la distribution :

• Expansion directe : le fluide frigorigène échange directement la chaleur dans la batterie de la pièce avec l’air de la pièce à climatiser. Il s’agit d’un système qui garantit une flexibilité de fonctionnement, une efficacité énergétique élevée et une installation simple et rapide, avec une réduction considérable des coûts par rapport aux systèmes hydroniques traditionnels.
• Échange indirect : le fluide frigorigène échange de la chaleur à l’intérieur d’un échangeur avec un fluide caloporteur, généralement de l’eau, qui se charge de la distribution de l’énergie dans la pièce (système hydronique).

Selon le type de régulation :

• Mono-étage : optimisées dans une seule condition, elles nécessitent un volume d’eau plus important pour limiter l’intermittence ;
• Inverter : plus flexibles, ils ont un COP élevé à charge réduite ;
• Monobloc : ne nécessitent pas de raccords à haute pression, il y a un risque de gel de l’eau si elles sont placées à l’extérieur ;
• Split : pas de risque de gel, des tuyaux de réfrigération sont nécessaires ;
• Monobloc intérieur : s’il est refroidi à l’air, des conduits sont nécessaires.

Selon le type d’énergie utilisée :

• Électricité ;
• Gaz.

Selon le mode dans lequel le travail de compression est fourni :

• Compression : entraînée par un moteur électrique ou un moteur endothermique ;
• Absorption : alimentée par du gaz ou une source thermique (refroidissement solaire). Le système à absorption augmente la pression du fluide frigorigène par action thermique : un brûleur fournit de la chaleur au fluide frigorigène, ce qui déclenche le cycle. La phase de compression est remplacée par les phases de génération et d’absorption.

En fonction du fluide avec lequel elles échangent de la chaleur, les pompes à chaleur peuvent être classées en 4 types de base, avec la source froide (évaporateur) en premier et le puits chaud (condenseur) en second :

• PAC Air-Eau
• PAC Air-Air
• PAC Eau-Eau
• PAC Eau-Air

Pompes à chaleur air-air ou air-eau

Dans les deux premiers types, l’air extérieur est utilisé comme source de chaleur. Cette solution présente l’avantage considérable d’une grande disponibilité et d’une utilisation pratique, mais elle présente certains inconvénients tels que

• La discordance de phase entre la température de l’air et la demande de chaleur du bâtiment ;
• Un niveau de bruit élevé ;
• Le phénomène de givre sur la batterie extérieure : lorsque l’air extérieur, avec une humidité relative élevée, atteint une température proche de 0 °C, du givre se forme sur la batterie de l’évaporateur, ce qui diminue l’efficacité de l’échangeur de chaleur. Pour y remédier, un dégivrage est nécessaire, avec une dépense d’énergie et un inconfort pour la pièce à climatiser.
• Les valeurs du COP d’une pompe à chaleur air-eau sont comprises entre 3,5 et 4,0, et celles d’une pompe à chaleur air-air entre 3,0 et 3,5.

La grande famille des pompes géothermiques comprend à la fois des pompes à chaleur fonctionnant avec de l’eau de surface ou de l’eau souterraine, et des pompes à chaleur couplées à la terre avec une disposition horizontale des sondes (tranchée ou tranchée) ou une disposition verticale, à différentes profondeurs.

Pompes à chaleur eau-eau et eau-air

Concentrons-nous sur les types de pompes à chaleur dont la source thermique est l’eau. Elle garantit des performances constantes et supérieures à celles de l’air, des rendements de chauffage saisonniers élevés, des coûts d’installation faibles et un fonctionnement silencieux :

• Une disponibilité très variable selon le type de source ;
• La nécessité d’effectuer des travaux de prélèvement et de rejet ;
• Les contraintes réglementaires liées à l’échantillonnage et au rejet.
• Le COP d’une pompe à chaleur eau-eau est compris entre 4,0 et 4,5.