Equipement du bâtiment. esa Saint Luc Bruxelles. Pompe à chaleur. A.Arpigny

Transcription

1 Equipement du bâtiment esa Saint Luc Bruxelles Pompe à chaleur A.Arpigny

2 PRINCIPE ENERGETIQUE La chaleur va naturellement des milieux chauds vers les milieux froids. C est ce phénomène qui est à l origine de la consommation d énergie de chauffage dans les bâtiments en dehors de la période estivale. La perte de chaleur due à la différence de température doit être compensée pour que la température à l intérieur du logement soit stable.

3 La pompe à chaleur est une machine capable de réaliser l opération contraire. Par exemple, elle permet de chauffer une habitation en prélevant de l énergie à un milieu plus froid tel que l air extérieur ou encore le sol du jardin. Cette exploitation, qui semble anti naturelle, de chaleur à basse température pour chauffer un milieu à plus haute température nécessite une consommation d énergie mécanique (alimenté en fait par de l énergie électrique).

4 Définition de wikipédia Une pompe à chaleur est un dispositif thermodynamique permettant de transférer la chaleur du milieu le plus froid (et donc le refroidir encore) vers le milieu le plus chaud (et donc de le chauffer), Alors que, naturellement, la chaleur se diffuse du plus chaud vers le plus froid jusqu'à l'égalité des températures. On parle de cycle frigorifique pour désigner ce cycle thermodynamique.

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6 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT La pompe à chaleur prélève l énergie gratuite au milieu froid. grâce à un fluide frigorigène o qui s évapore à basse température en parcourant un échangeur de chaleur grâce auquel il est mis en contact thermique avec le milieu pourvoyeur d énergie. o La température d évaporation du fluide doit être plus basse que la température du milieu froid.

7 La chaleur est alors transférée du milieu froid (plus chaud que le fluide) vers le fluide ; ce qui provoque son évaporation. En sortie de cet échangeur appelé évaporateur, le fluide a augmenté son contenu énergétique en s évaporant et ce au détriment du milieu gratuit. Le bas niveau de température d évaporation requis pour que cette opération se réalise correctement est obtenu en imposant une pression faible (appelée basse pression) dans l échangeur. Le gaz en sortie d évaporateur est ensuite comprimé dans un compresseur. Cette opération augmente la pression du fluide. Elle requiert de l énergie mécanique (électrique) fournie au compresseur (P).

8 Cette énergie n est pas perdue, elle est transférée au fluide lors de la compression. Le fluide qui avait déjà emmagasiné de l énergie lors de son contact avec le milieu froid dans l évaporateur voit de nouveau son contenu énergétique augmenter lors de cette opération. Ce fluide hautement énergétique est envoyé dans un second échangeur de chaleur (le condenseur) dans lequel il se refroidit et passe à l état liquide. Lors de cette opération, toute l énergie emmagasinée lors des deux étapes précédentes est restituée au milieu en contact avec le condenseur. Ce milieu est bien entendu le bâtiment.

9 Il est évident que la température de condensation doit être plus élevée que la température de l habitation. Cette condition peut être satisfaite si le niveau de pression dans le condenseur est élevé (haute pression). Avant cela, le liquide doit cependant être ramené à la basse pression régnant dans l évaporateur. Cela se fait grâce au dernier élément, le détendeur qui n occasionne aucun transfert d énergie avec les différents milieux. Ce cycle fermé se répète inlassablement tant qu il y a une demande de chaleur

10 La pompe à chaleur est constituée d'un compresseur, d'un évaporateur, d'un condenseur et d'un détendeur de pression.

11 Ces quatre éléments forment un circuit thermodynamique dans lequel circule un fluide frigorifique aux caractéristiques d'ébullition et de liquéfaction particulières. Le fluide chemine dans le circuit grâce au mouvement du compresseur qui fonctionne à l'électricité. La température de ce fluide se modifie de par les changements de pression provoqués soit par le compresseur (compression) soit par le détendeur (dépression). La captation et l'émission de la chaleur sont respectivement assurées par l'évaporateur et le condenseur.

12 Les différentes systèmes Les différents systèmes de pompes à chaleur se distinguent entre eux par la manière dont la chaleur est d'une part "captée" par l'évaporateur et d'autre part par la manière dont cette chaleur - "bonifiée" par le compresseur est transmise par le condenseur à l'habitation.

13 La captation de la chaleur dans la nature dans trois éléments L air L eau Le sol L'air, l'eau et le sol constituent les trois environnements classiques. La chaleur contenue dans ces environnements est disponible en quantité quasi illimitée et gratuite. L'environnement idéal pour la captation de la chaleur par la pompe à chaleur est celui qui possède la température - si possible constante - la plus élevée possible.

14 l'air L'évaporateur de la pompe à chaleur est mis directement en contact avec l'air extérieur, afin d'y capter la chaleur. L'installation d'un tel système est simple. en hiver ; la température de l'air extérieur est basse, (c est aussi le moment où l on a le plus besoin de chaleur ) il y aura lieu de disposer d'un évaporateur assez important en vue de capter suffisamment de chaleur

15 l'eau d'une nappe phréatique, d'une rivière, d'un étang ou de la mer est mise directement en contact avec l'évaporateur qui en capte la chaleur. Le volume d'eau se doit d'être suffisant afin que l'évaporateur puisse capter assez de chaleur.

16 le sol Le sol constitue un immense réservoir de chaleur. A faible profondeur, cette chaleur est d'origine solaire. Pour capter cette chaleur, on utilise généralement un intermédiaire, qui sera, par exemple, l'eau ou un fluide frigorifique. Ce "fluide" intermédiaire circule en circuit fermé dans un réseau horizontal de tuyaux enfoui dans le sol.

17 L'émission de la chaleur dans l'habitation. La chaleur - captée dans l'environnement adéquat et bonifiée par le compresseur - est répartie dans l'habitation par l'entremise d'un vecteur caloporteur. Ce vecteur peut être de l'air de l'eau un fluide frigorifique.

18 Types de Pompe à Chaleur (appellée aussi PAC) L'appellation des différentes pompes à chaleur se distingue par la source de la chaleur captée par l'évaporateur la destination de la chaleur émise par le condenseur. Les 5 familles les plus importantes étant pompe à chaleur air / air pompe à chaleur air / eau pompe à chaleur eau / eau pompe à chaleur sol / eau la pompe à chaleur sol / sol

19 pompe à chaleur air / air la pompe à chaleur prend la chaleur dans l'air la restitue dans l'air pompe à chaleur air / eau la pompe à chaleur prend la chaleur dans l'air la restitue dans l'eau

20 pompe à chaleur eau / eau la pompe à chaleur prend la chaleur dans l'eau la restitue dans l'eau pompe à chaleur sol / eau la pompe à chaleur prend la chaleur dans le sol la restitue dans l'eau

21 la pompe à chaleur sol / sol la pompe à chaleur prend la chaleur dans le sol o sonde géothermique o serpentin enterré la restitue dans le sol

22 Le rendement Comme pour les machines frigorifiques la performance énergétique de la pompe à chaleur est le rapport entre l énergie utile (chaleur évacuée au condenseur) et l énergie électrique nécessaire au fonctionnement du moteur du compresseur. Ce rapport est appelé Coefficient de Performance (COP). Il se situe généralement aux alentours de 4.

23 Faible coût de consommation. Pour un 1 unité d'énergie électrique consommée - par assurer le fonctionnement du compresseur et donc à payer à la société d'électricité - la pompe à chaleur puisera dans l'environnement extérieur aux alentours de 3 unités d'énergie gratuite. Résultat: un pouvoir calorifique total de 4 unités, soit un facteur d'économie de quatre! Fiabilité La technologie de la pompe à chaleur est identique à celle du frigo et donc particulièrement fiable. Faible coût d'entretien. Pas de ramonage de cheminée, ni d'entretien de brûleur.

24 Pas de pollution. In situ, la pompe à chaleur ne génère pas de pollution. Pas de combustion d'une énergie et donc pas d'émission de gaz aux effets de serre (C02). Investissement comparable. L'investissement nécessaire à l'installation d'une pompe à chaleur est tout à fait comparable à celui d'un chauffage traditionnel à eau chaude (chaudière + radiateurs + cheminée + citerne). Faible puissance de raccordement. La puissance électrique nécessaire au fonctionnement du compresseur est très faible. Elle s'inscrit dans le cadre d'un raccordement pour usage domestique. Usage d'énergie renouvelable. La pompe à chaleur est une application relevant de "l'énergie solaire active".

25 Pompe à chaleur et machine frigorifique - équipement réversible Puisque machine frigorifique et pompe à chaleur sont deux machines identiques, en modifiant le sens de passage du fluide frigorigène par inversion de vanne à la sortie du compresseur. L équipement fournira du chaud ou du froid. Assurer le chauffage et le rafraîchissement avec le même appareil! le rendement de la PAC s'écroule lorsqu'il gèle et que le prix de revient du kwh de chaleur reste alors plus élevé que celui obtenu par la chaudière fuel ou gaz. risque l occupant, disposant de son appareil de refroidissement, l'utilise régulièrement en été, perdant ainsi le bénéfice de l'hiver que l'architecte se repose sur l'existence de ce climatiseur pour éviter toute réflexion sur la manière de limiter les besoins de refroidissement. Sous le climat belge, climatiser une habitation domestique est le reflet d'une mauvaise conception... Malgré tout dans le tertiaire, certains locaux sont demandeurs de chaleur (bureau en façade) tandis que d'autres sont demandeurs de froid (local informatique, salle de réunion au ce ntre du bâtiment, ). Des pompes à chaleur réversibles sont greffées sur la boucle permettant la fourniture de chaud et de froid.