0 Condensation Condenseur : surf totale

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1 On procède de la même façon que pour l évaporateur : calcul des pincements à l entrée et la sortie de chaque zone (quatre pincements), puis calcul des trois DTLM et des trois surfaces d échange. La surface d échange totale doit être au moins égale à la somme des trois surfaces calculées. 3 4 k,2 k,1 DS SR c,2 c,s c,e c,1 0 Condensation Condenseur : surf totale S échange figure 11 : profil de températures dans un condenseur contre courant, fluide azéotrope ; SR : zone de sous-refroidissement ; DS : zone de désurchauffe 2.3. Classification des PAC Selon la mise en œuvre des échanges thermiques avec les sources de chaleur Qu elles soient à compression mécanique de vapeur ou à absorption, on peut classer les PAC selon le type d échanges thermiques mis en œuvre avec chacune des sources de chaleur : PAC à détente directe : Le fluide frigorigène est mis directement en contact avec les sources : la chaleur est prélevée dans la source froide par l évaporateur, et rejetée dans la source chaude par le condenseur. Remarque : Le terme détente directe est totalement inapproprié : toutes les PAC utilisées dans le résidentiel ou le tertiaire sont à détente directe. Lorsque le fluide frigorigène est mis directement en contact avec la source de chaleur, il est plus correct de parler de chauffage ou de refroidissement direct. Dans le cas où l on utilise des fluides secondaires, on parlera de chauffage ou de refroidissement indirect. Cnam

2 figure 12 : PAC à chauffage direct (Ademe) PAC avec fluide intermédiaire On utilise deux boucles secondaires : un circuit d eau glycolée prélève la chaleur dans la source froide et la cède à l évaporateur ; la chaleur est rejetée par le condenseur dans la source chaude par l intermédiaire d un circuit caloporteur. figure 13 : PAC avec fluides intermédiaires (Ademe) PAC mixte Pour ce type de PAC, l échange thermique est direct avec une source, et indirect avec l autre : figure 14 : PAC mixte (Ademe) Les principaux avantages ou inconvénients des PAC avec ou sans fluide secondaires sont résumés dans le tableau 6. Cnam

3 Détente directe Fluides intermédiaires Eau chaude sanitaire production possible en production possible (PAC période de chauffage indépendante ou non) Rafraîchissement délicat sur plancher chauffant possible et bien maîtrisé possible avec des ventiloconvecteurs Adaptabilité difficulté avec le plancher, si le circuit de chauffage peut souhait éventuel de changer être conservé, si souhait de mode de production de éventuel de changer de mode chaleur de production de chaleur Avantages Système simple coût limité Faible charge en fluide frigorigène Inconvénients forte quantité de fluide coût d investissement frigorigène étanchéité du supérieur à la détente directe circuit primordiale utilisation pour les petits logements de capteurs verticaux impossible mise en oeuvre du circuit de chauffage délicate Coûts d'investissement : de 70 à 100 TTC par m² chauffé hors eau chaude sanitaire et rafraîchissement fonctionnement : de 2,3 à 3,5 TTC par m² et par an d'investissement : Systèmes à capteurs horizontaux de 85 TTC/m² chauffé (option chauffage) à 135 TTC/m² chauffé (option chauffage et rafraîchissement) Systèmes à capteurs verticaux De 145 à 185 TTC/m² chauffé de fonctionnement : de 2,3 à 3,5 TTC par m² et par an tableau 6 : comparaison des PAC avec ou sans fluide secondaire (Ademe ; 2006) Selon les sources de chaleur utilisées La dénomination officielle des PAC s appuie sur cette classification. De façon générale, on parlera de PAC X /Y, où X décrit le milieu dont la PAC extrait la chaleur, et Y celui dans laquelle la PAC rejette la chaleur, ces milieux n étant pas nécessairement les sources de chaleur. Les milieux décrivant X sont les suivants : air, air extrait, eau, eau glycolée, sol. Ceux décrivant Y sont air ou eau. Exemple : Une PAC air/air prélève la chaleur à l extérieur du bâtiment et la rejette directement dans les locaux : les milieux correspondent aux sources. Une PAC air/eau prélève la chaleur à l air extérieur et la rejette dans un réseau hydraulique qui lui même la restituera aux locaux à chauffer : la source chaude n est pas l eau, mais les locaux. Cnam

4 Pour une PAC eau glycolée/eau ou eau glycolée/air, la chaleur extraite du circuit d eau glycolée provient du sol ou bien de l eau de surface ou encore de nappes aquifères PAC à compression mécanique de vapeur On utilise un compresseur pour fournir de l énergie au fluide frigorigène. Le compresseur est le plus souvent entraîné par un moteur électrique, mais on peut aussi le coupler à un moteur thermique Diagramme enthalpique ; puissances et COP Le fluide frigorigène subit un cycle de quatre transformations : 4 condenseur 3 5 Eau ou air is 2 6 Eau ou air 1 6= évaporateur figure 15 : schéma de principe et diagramme enthalpique : les vapeurs de fluide frigorigène basse pression reçoivent de l énergie mécanique de la part du compresseur et sont comprimées jusqu à la haute pression. Avec un compresseur idéal, la compression serait isentropique ; dans la réalité, les vapeurs reçoivent aussi de l énergie thermique, et le point de refoulement 2 est le plus souvent à droite du point 2 is : les vapeurs HP sont refroidies et cèdent de la chaleur à la source chaude. Ce refroidissement permet la désurchauffe et la condensation des vapeurs, ainsi que le sous-refroidissement du liquide formé : le liquide sous-refroidi est détendu jusqu à la BP. Cette détente est effectuée par simple laminage, sans échange thermique et sans récupération du travail : il s agit d une détente isenthalpique. La détente provoque la vaporisation partielle du liquide : le liquide BP introduit dans l évaporateur reçoit de la chaleur de la source froide, ce qui provoque son évaporation. Les vapeurs formées sont ensuite surchauffées (5 à 10 C) Cnam

5 Par ailleurs, le fluide frigorigène subit des échanges thermiques et des pertes de charge dans les tuyauteries. A l aide du diagramme enthalpique (figure 15), on peut calculer les coordonnées thermodynamiques de chacun des points caractéristiques du cycle et déduire : - la production frigorifique massique h ev (h 8 -h 7 ) - la production calorifique massique h cd (h 3 -h 4 ) Connaissant le point de fonctionnement du compresseur, on déduit le débit massiquem de fluide frigorigène circulant dans la machine et la puissance W cp absorbée par le groupe moto-compresseur. La puissance calorifique dégagée au condenseur est alors Q cd m hcd, et le COP s exprime par : Q cd COP W cp W aux W aux représente la puissance absorbée par tous les auxiliaires de la pompe à chaleur (télécommande, régulation, ventilateurs, pompes de circulation.). Dans le cas d une pompe à chaleur réversible, on calcule aussi la puissance frigorifique et l EER : Q Q ev ev m hev ; EER W cp W aux Evolution des performances d une PAC à compression mécanique de vapeurs Comme pour tout système frigorifique, les performances d une pompe à chaleur dépendent étroitement des températures d évaporation et de condensation, elles mêmes liées aux températures des sources. Par ailleurs, le COP comme l EER ne peuvent jamais dépasser la valeur calculée pour le cycle de Carnot : COPC et k T T k To EERC o T T k To, où T k et T o représentent respectivement les températures de condensation et d évaporation, exprimées en Kelvin. Les graphes suivants présentent l évolution du COP d une machine de Carnot en fonction des températures d évaporation et de condensation. Cnam

6 20 16 C 20 C 25 C 30 C Tcd 40 C COP C C 70 C Tev ( C) figure 16 : Evolution du COP Carnot avec la température d évaporation C 15 C C Tev COP C Tcd ( C) figure 17 : Evolution du COP Carnot avec la température de condensation Pour une machine de Carnot, on a : EER=COP-1. L évolution de l EER est donc semblable à celle du COP. On remarque que le COP et l EER sont plus sensibles aux variations de la température d évaporation. Le COP d une PAC réelle est environ deux fois plus faible que celui d une machine de Carnot Performances d une PAC réelle selon les températures de cycle Tev et Tc Les graphes présentés dans la figure 18 montrent que la puissance calorifique d une PAC augmente fortement avec la température d évaporation (graphe de droite) ; elle augmente aussi, mais faiblement si la température de condensation diminue. Cnam

7 T e v = 1 5 C T e v = 1 5 C T cd = 25 C T e v = 1 0 C T e v = 5 C C 45 C 55 C C 2 0 T e v = C T e v = C T e v = C T e v = C T c d ( C ) T e v ( C ) figure 18 : évolution de la puissance thermique en fonction des températures de cycle D après la figure 19, le COP d une PAC réelle varie comme celui d une machine de Carnot ditherme. figure 19 : évolution du COP en fonction des températures de cycle Performances d une PAC selon les températures de sources : Le tableau 7 indique les performances d une PAC air/eau en fonction des températures de source. Pour la source froide, il s agit de la température d entrée, alors que pour la source chaude, on indique la température départ utilisateur (sortie condenseur). Le COP est indiqué dans le tableau 8. Temp ( C) Sortie d'eau chaude Air ext Pc Pa Pc Pa Pc Pa Pc Pa Pc Pa Pc Pa ,72 3,47 14,1 3,93 13,08 4,45 12,04 5, ,01 3,5 15,76 3,96 15,19 4,48 13,84 5,07 12,74 5, ,74 3,53 17,38 3,99 17,02 4,5 16,26 5,08 14,88 5,75 13,63 6, ,65 3,53 18,86 4,02 18,4 4,53 17,92 5,1 17,26 5,75 16,13 6, ,6 3,63 21,08 4,07 20,18 4,56 19,56 5,12 19,11 5,76 18,57 6, ,82 3,73 23,74 4,15 22,06 4,63 20,96 5,18 20,27 5,8 19,83 6, ,65 3,81 25,55 4,23 24,35 4,7 22,75 5,23 21,75 5,84 21,15 6,54 tableau 7 : puissance calorifique et puissance absorbée Cnam

8 Temp ( C) Sortie d'eau chaude Air ext ,24 3,59 2,94 2,38-5 4,57 3,98 3,39 2,73 2,22 0 5,03 4,36 3,78 3,20 2,59 2,09 5 5,57 4,69 4,06 3,51 3,00 2, ,23 5,18 4,43 3,82 3,32 2, ,65 5,72 4,76 4,05 3,49 3, ,99 6,04 5,18 4,35 3,72 3,23 tableau 8 : COP d une PAC air/eau 2.5. PAC à absorption Une PAC à compression mécanique de vapeur fonctionne entre deux sources de chaleur, et dans la majorité des cas, elle consomme de l énergie électrique (le compresseur peut aussi être entraîné par un moteur thermique). Un autre type de systèmes frigorifiques permet de limiter la consommation électrique à celle des auxiliaires : il s agit des PAC à absorption, qui utilisent pour fonctionner de l énergie thermique provenant d une troisième source de chaleur (rejet thermique, chaudière gaz, capteur solaire ). Une PAC à absorption comprend les mêmes quatre éléments de base qu une PAC à compression mécanique de vapeur : un condenseur, un détendeur, un évaporateur et un dispositif permettant de fournir de l énergie au fluide frigorigène pour élever le niveau de la chaleur qui vient d être prélevée à l évaporateur. Dans le cas des PAC à compression mécanique, ce dispositif est le moto-compresseur, qui fournit essentiellement de l énergie mécanique et reçoit, dans la plupart des cas, de l énergie électrique. Dans une PAC à absorption, on utilise l affinité de certains fluides frigorigènes avec d autres substances, et sa variation selon les conditions de température et de pression, et l on fournit de l énergie thermique. Les couples très majoritairement utilisés en conditionnement d air sont le couple LiBr/eau, où le bromure de lithium est l absorbant et l eau est le fluide frigorigène, et le couple eau/nh 3, où le fluide frigorigène est l ammoniac. Dans le premier cas, le point triple de l eau interdit de descendre en dessous de 5 C. A l heure actuelle, il n y a pas d offre de PAC à absorption pour le résidentiel individuel ; la gamme de puissances disponibles commence à une trentaine de kilowatts, ce qui correspond au résidentiel collectif ou au tertiaire. Enfin, il est à noter que nombre de PAC à absorption fonctionnent en réalité comme des chaudières sous vide pour le chauffage pendant l hiver ; en effet, le COP d un système de chauffage par absorption est relativement bas (1,5 environ), pour un prix d achat plus élevé que celui d une PAC CMV (compression mécanique de vapeur). Le COP d une machine à absorption (env 1,5) semble nettement plus bas que celui d une machine à compression mécanique (de 2 à 5). En réalité, le premier dispositif consomme de l énergie primaire, alors que le second consomme de l électricité. Si l on tient compte du Cnam

9 rendement de conversion du parc de centrales électriques (environ 0,35 en France), les performances des deux systèmes deviennent tout à fait comparables PAC simple effet : description, performances Les phases de condensation, détente et évaporation ne changent pas ; pour la compression, on utilise un dispositif schématisé sur la figure 20 : La phase de compression se déroule entre les points 1 et 2, grâce à la mise en circulation d une solution (absorbant+fluide frigorigène) entre l absorbeur (abs) et le générateur (géné). L absorbeur est à la pression d évaporation ; il reçoit en 1 les vapeurs de fluide frigorigène formées dans l évaporateur, et en (A) la solution pauvre (faible fraction massique en frigorigène). La basse pression et la basse température favorisent l absorption du fluide dans l absorbant Evapor ateur Condenseur 0 k A Abs F C B D Géné E + 2 Troisième source chaleur h de 3 figure 20 : schéma de principe d une PAC simple effet Cette phase est exothermique (dégage de la chaleur) : pour maintenir les conditions optimales d absorption, on refroidit l absorbeur en évacuant la chaleur dans la source froide. En (B), la solution riche (en fluide frigorigène) quitte l absorbeur, mais elle est sous basse pression ; on utilise une pompe pour la porter au niveau de la pression de condensation. Puisque ce pompage s effectue en phase liquide, l énergie électrique consommée est beaucoup plus faible que dans le cas de la compression de vapeur (quelques pour cent). Le générateur reçoit en D la solution riche et sous haute pression ; pour séparer le fluide frigorigène, le générateur reçoit de la chaleur en provenance d une troisième source de chaleur. La solution pauvre, chaude et sous haute pression, quitte le générateur pour retourner Cnam

10 à l absorbeur après une simple détente par laminage (F-A), et les vapeurs de fluide frigorigène vont au condenseur. L absorbeur envoie au générateur une solution froide qui doit être chauffée, et reçoit du générateur une solution chaude qui doit être refroidie. Pour améliorer les performances énergétiques de ce type de machine, on utilise un échangeur qui permet de préchauffer la solution riche entre C et D, tout en pré-refroidissant la solution pauvre de E à F PERFORMANCES Le COP d une machine de Carnot tritherme fonctionnant entre les sources T 0, T k et TH s écrit : T H 3. T T k COP T T k T H k T0 Pour T H fixé, le COP 3T augmente si T 0 augmente ou si T k diminue ; pour T 0 et Tk fixées, il augmente si T H augmente. Le tableau 9 présente les performances d une PAC eau/ammoniac sur air extérieur en mode chauffage: tableau 9 : performances d une PAC à absorption eau/ammoniac en mode chauffage (doc Robur) ; P T : puissance calorifique et GUE : rendement d utilisation du gaz Le rendement d utilisation du gaz (GUE) représente le COP sur énergie primaire PAC double effet L équivalent d une PAC double effet dans les machines à compression mécanique de vapeur serait une machine bi-étagée. Le fractionnement de la compression en deux étages permet d améliorer le COP. Cnam

11 3. SOURCES DE CHALEUR 3.1. Sources froides Dans le cas du chauffage, la source froide est le milieu extérieur dans lequel la PAC prélève de l énergie thermique. Les contraintes d ordre législatif, environnemental et technico-économiques varient selon le type de source utilisé Air extérieur La pompe à chaleur prélève de la chaleur dans l air extérieur et la restitue à un niveau de température plus élevé dans les locaux à chauffer ; elle est le plus souvent installée à l extérieur des bâtiments, mais les implantations dans un local technique avec raccordement à l extérieur par une gaine isolée se généralisent. La mise en œuvre d une PAC utilisant l air comme source froide est très simple et moins coûteuse que les autres types. Par contre, les performances énergétiques saisonnières sont faibles en comparaison des autres systèmes, et elles se dégradent fortement lorsque la température extérieure diminue, alors que les besoins augmentent. Pour la plupart des modèles existant, un système d appoint est nécessaire dés que la température extérieure est inférieure à 5 C (PAC en relève de chaudière), et de plus, lorsque cette dernière devient inférieure à la limite basse de la plage d utilisation, la PAC est totalement arrêtée. Les constructeurs s attachent à reculer cette limite basse, et il existe maintenant des modèles pouvant fonctionner par 20 C. Notons que pour l année 2008, les crédits d impôts ne sont applicables qu aux PAC pouvant fonctionner jusqu à 15 C, ce qui couvre pratiquement toutes les zones climatiques rencontrées en France (figure 22). La figure 21 présente à titre d exemple un diagramme d utilisation d une PAC sur air extérieur ; les besoins de chauffage augmentent lorsque la température extérieure diminue ; pour le climat et le bâtiment considérés, la PAC suffit aux besoins de chauffage tant que la température extérieure est positive ; en dessous, une chaudière assure le complément. A partir de 15 C, la PAC est arrêtée et la chaudière assure à elle seule les besoins de chauffage. figure 21 : exemple de diagramme d utilisation d une PAC air/eau en relève de chaudière fonctionnant jusqu à 15 C (air extérieur ; doc Airwell) Cnam

12 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0-5,0 Janvier Février Mars Avril Mai Juin Juillet Août Septembre Octobre Novembre Décembre Strasbourg Paris Marseille -10,0-15,0-20,0 Température ( C) figure 22 : températures moyennes mensuelles de quelques villes de France Enfin, selon les conditions climatiques, l échangeur externe (évaporateur) est soumis à un givrage progressif, à l origine d une diminution des performances de la PAC (la zone de température la plus favorable au givrage de la batterie se situe entre 7 C et 0 C) et pouvant provoquer des pannes. Il est donc impératif de dégivrer la batterie dés que nécessaire ; la méthode la plus courante est l inversion de cycle : on produit alors du froid dans les locaux tout en consommant de l énergie primaire! En raison de leur coût d installation moins élevé, les PAC sur air extérieur sont souvent utilisées, notamment dans le résidentiel individuel et en rénovation. Cependant, pour les constructions neuves, elles sont peu à peu supplantées par les PAC sur eau et sur sol, présentant de meilleurs COP saisonniers. Le choix de la température d évaporation résulte d un compromis : - en considérant le cycle frigorifique, le COP sera meilleur si on travaille avec des températures d évaporation élevées. Pour cela, il faut un pincement faible entre l air et le fluide frigorigène, et une variation faible de la température d air à travers l évaporateur : le débit d air doit donc être élevé, avec des ventilateurs plus puissants et consommant plus d électricité, et la surface d échange à installer est plus grande ; - pour diminuer la consommation des ventilateurs et la surface d échange de l évaporateur, on a intérêt à choisir des écarts de températures plus élevés, mais alors le COP du cycle se dégrade. En pratique, pour de l air à 10 C, on choisit un refroidissement de l air compris entre 3,5 C et 6,5 C, et une pincement compris entre 7 et 11 C. L avantage principal d une PAC sur air extérieur est la facilité et le coût d installation. Les inconvénients sont éventuellement la gêne sonore pour le voisinage (dans ce cas, il convient de choisir judicieusement l emplacement, voire d apporter des actions correctives), la dégradation des performances lorsque la température extérieure diminue, mais aussi celle liée à la diminution du coefficient global d échanges thermiques de l évaporateur (encrassement ; givrage de la surface ailetée). Cnam