Ce graphique est important pour comprendre ce qui se passe dans une pompe à chaleur. Q2 > Q1 : car il faut plus d’énergie pendant un changement de phase pour augmenter la température. Ce qu’il faut bien comprendre c’est qu’en changeant les pressions les plateaux de changement de phases se déplacent mais la quantité d’énergie nécessaire reste la même.
Principe de fonctionnement
Sur une pompe à chaleur il y a différentes parties réparties sur 2 domaines.
Le Domaine Basse Pression :
- Commence par le détendeur
- Constituée de l’évaporateur
- Se finit par le compresseur
Le Domaine Haute Pression :
- Commente par le compresseur
- Constitué du condenseur
- Se finit par le détendeur
Le liquide va rentrer dans l’évaporateur. Pour passer de l’état liquide à l’état gazeux il va emprunter les calories à une source froide. Il ressort en gaz basse pression. Pour faire passer le gaz de la basse pression vers la haute pression il va passer à un compresseur. Ensuite le gaz passe par le condenseur. L’énergie qui sera restituée sera donc l’équivalent de l’énergie absorbée dans l’évaporateur + l’énergie utilisée par le compresseur. L’évaporateur aura besoin de liquide donc on a un détendeur qui va faire passer de la haute pression à la basse pression et rendre le gaz en liquide.
Donc :
- Le compresseur : il aspire le gaz de l’évaporateur pour le comprimer dans le condenseur
- Le condenseur : c’est un échangeur qui liquéfie le gaz comprimé en restituant la chaleur dans un autre milieu (air, eau,…) (Energie W)
- Le détendeur : il fait chuter la pression du liquide afin de pouvoir le vaporiser (Energie Q2)
- L’évaporateur : c’est un échangeur qui vaporise le liquide en absorbant de la chaleur dans un autre milieu (air, eau,…) (Energie Q1)
–> COP = Coefficient de Performance = Q1/W.
- Q1 = énergie absorbé au niveau de l’évaporateur
- W = Travail effectué par le compresseur.
–> EER = Ration d’efficacité énergétique = Q2/W
- Q2 = énergie restituée au niveau du condenseur
–> Q2 = Q1 + W. La quantité d’énergie restituée au condenseur est la somme de l’énergie absorbée à l’évaporateur + la quantité d’énergie absorbée par le compresseur.
On va avoir besoin d’un delta minimum de 10°C entre la température du liquide et la température de la source froide. Si la température ambiante est de 20°C, notre fluide doit être à 10°C environ. Au niveau du condenseur, si on a une source chaude à 20°C on va devoir condenser à 30°C. Donc mettre un frigo dans une pièce chaude va devoir fonctionner beaucoup plus. Faire du froid ça a donc un gros coût énergétique. Les paramètres important sont donc :
- Te = température d’évaporation
- Tc = température de condensation
Ces 2 paramètres vont avoir un impact direct sur le CPO. Si on diminue de 1°C la Te, on va voir le COP chuter de 3%. Plus on va aller chercher de la chaleur à une source froide dont la température est basse, plus ça sera compliqué pour la pompe à chaleur. Si on augment la Tc de 1°C on va voir le COP chuter aussi de 3%. Le COP n’est donc pas constant (contrairement à une chaudière au mazout par exemple). Les performances de notre pompe à chaleur vont donc varier constamment. Donc si on doit réchauffer notre maison, au plus il fait froid dehors, au plus les performances de notre pompe à chaleur vont chuter.
Les performances de la PAC sont titulaires de la température extérieure.
On peut déduire le rendement d’une PAC sur base du rapport entre l’énergie thermique utile délivrée au condenseur par rapport à l’énergie électrique fournie (et payée) au compresseur.
Il y a trois type de COP pour une PAC :
- COP machine : c’est le COP théorique qui est présenté dans les catalogues des fabricants. Il est défini pour des température d’essais déterminées (T° de la source froide et T° de la source chaude). Les pompes à chaleur sont testées suivant la méthodologie définie dans la norme EN14511. Ces tests sont réalisés par des centres de test indépendants.
- COP système : il tient compte non seulement de l’énergie électrique consommée par la pompe à chaleur mais également par les auxiliaires permanents (pompes de circulation, résistances d’appoints, résistances de carter,…)
- COP annuel : pour exprimer la performance d’une installation “pompeur à chaleur” sur une saison de chauffe, on parle de COP saisonnier (COPSAIS ou SCOP) qui est le rapport entre, d’une part, les valeurs mesurées sur une saison de chauffe de l’énergie calorifique restituée dans le bâtiment et, d’autre part, de l’énergie consommée pour le fonctionnement de l’installation (pompe à chaleur, auxiliaires, dégivrages). Le COP annuel est la valeur à utiliser pour faire un calcul d’audit.
A quoi raccorder la pompe à chaleur ?
- Raccorder aux radiateurs classique. Une PAC est capable de produire de l’eau chaude à haute température (65°) mais les performances seront très mauvaises. En alimentant des émetteurs de chaleur HT tels que des radiateurs, la température de condensation élevée engendrera une évaporation partielle importante lors de la détente du fluide et donc un SCOP faible (+- 2,5)
- Raccorder à un chauffage sol. On a une plus grande surface d’échange on peut donc abaisser la température (eau à 35°). En alimentant des émetteurs de chaleurs BT tels qu’un plancher chauffant, la température de condensation relativement basse engendrera une évaporation partielle faible lors de la détente du fluide et donc un SCOP relativement important (+- 4,5)
Donc l’optimum est de raccorder une PAC a un système de chauffage à basse température.
Il y a différents types de compresseurs :
- Piston roulant : ce sont les plus ancien sont les compresseurs, ils ont un mauvais rendement
- Compresseurs Spiro orbitaux : plus récent et plus efficace niveau rendement
La norme EN 14511 décrit les méthodes d’essai permettant d’évaluer et de déterminer les caractéristiques de performance des climatiseurs des pompes à chaleur. Pour une PAC AIR-EAU basse température la norme exige un essai suivent ces critères : A7/W35 (on prend les calories de l’air à 7°C pour mettre de l’eau à 35°C)