POMPE à CHALEUR 1
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PAC principe général 5
Circuit de captage Q f T f < évaporateur le fluide frigorigène se réchauffe Liquide haute pression T 4 <T f T T T 2 >T c < < < Vapeur basse pression Détendeur Liquide basse pression Compresseur Vapeur haute pression source froide -extérieursource chaude -maison- condenseur T c le fluide frigorigène se refroidit Q c Circuit de chauffage PAC 6
Flux de chaleur source froide : la chaleur est prise à PAC - l air extérieur - l eau - la terre PAC réversible Clim - l air intérieur Dans la PAC/Clim, la chaleur est transférée à un circuit contenant un fluide : -air - eau (glycollée) Ce fluide est un système thermodynamique qui subit des transformations nécessaires pour produire le flux artificiel de chaleur. Ces transformations consomment une énergie (travail W) qui est fournie à la PAC/Clim. source chaude : la chaleur est communiquée à PAC - de l air intérieur - de l eau - le sol Clim - de l air extérieur - de l eau - le sol Flux de chaleur Q 7
HIVER Flux de chaleur ETE extérieur mur intérieur extérieur mur intérieur 5 C 20 C gradient de T 35 C 20 C flux naturel de chaleur flux naturel de chaleur extérieur 5 C mur intérieur 5 C extérieur 35 C mur intérieur 35 C flux de chaleur : bilan nul flux de chaleur : bilan nul Objectif : transférer de la chaleur d une zone froide à une zone chaude en fournissant au système (PAC/clim) de l énergie. extérieur zone froide 5 C mur intérieur 20 C zone chaude extérieur 35 C zone chaude mur intérieur zone froide 20 C PAC flux artificiel de chaleur Clim flux artificiel de chaleur énergie (travail W) énergie (travail W) 8
Thermodynamique Système thermodynamique C est le milieu matériel étudié 1) eau liquide dans la casserole 2) eau liquide dans la casserole et la vapeur d eau qui s en échappe 3) eau liquide dans la casserole, la vapeur d eau qui s en échappe et la résistance qui chauffe échange de travail W Extérieur système échange de chaleur Q frontière échange de matière (m) Dans une PAC C est le fluide frigorigène (ou caloporteur) Extérieur système échange de travail W échange de chaleur Q frontière 9
Thermodynamique Extérieur système échange de travail W échange de matière (m) Frontière adiabatique : aucun échange de chaleur (opp. diatherme). Extérieur système échange de chaleur Q échange de matière (m) Frontière rigide, non déformable : aucun échange de travail (opp. déformable). Extérieur système échange de travail W échange de chaleur Q Frontière imperméable : aucun échange de matière (opp. perméable). PAC 10
Thermodynamique Transformations : Compression d un gaz La compression du gaz nécessite un apport d énergie : le travail W. La pression P du gaz et sa température T augmentent, le volume V diminue. Travail W gaz isolation Détente d un gaz La détente du gaz ne nécessite pas d apport en énergie. La pression P du gaz et sa température T diminue, le volume V occupé par le gaz augmente. P 1 P 2 < P 1 11
Thermodynamique Transformations changements d état : Flux de chaleur Q<0 Vaporisation Liquide vapeur Condensation Vapeur liquide Flux de chaleur Q>0 Eau pure : à P=1 bar T = 100 C Eau glycolée 30% : à 0,3 bar T=110 C Eau glycolée 40% : à 0,2 bar T=110 C http://www.celsius-process.com/outils.php 12
Transfert de Chaleur (ou énergie thermique) Thermodynamique 18 C=cste Flux de chaleur Q T 2 C=cste Gradient température 13
Transfert de Chaleur (ou énergie thermique) Thermodynamique Différence entre chaleur & température chaleur (Q) énergie joules, kwh transfert (flux) température (T) caractéristique kelvin, degrés Celsius variable Exemple : l ébullition de l eau à 100 C SysT = eau T = 100 C Q Pour produire ce phénomène on doit chauffer l eau : transfert d énergie thermique Q L eau, dans les conditions normales de pression et température extérieure, bout à 100 C 14
Thermodynamique Echauffement/refroidissement : transfert de chaleur Q avec gradient de T Q mcdt Q 10 C 20 C mur mur Le mur reçoit de la chaleur en permanence T Le mur cède de la chaleur en permanence C(T) Intérieur T c =20 C mur Extérieur T f =10 C Q 20 - Q Cours Robert Georges 10 - Heat capacity measurement of protein denaturation x 15
Thermodynamique Changement d état d un corps pur : transfert de chaleur Q à T constante Q ml On distingue les chaleurs latentes de fusion L fusion, de vaporisation L vapo, de sublimation L subl etc. 16
Changement d état de l eau : transfert de chaleur Q à T constante Thermodynamique 22.10 3 kpa Point critique 0,611 273 647 K B L courbe d ébullition M palier G isothermes d Andrews A courbe de rosée v L v M v G 17
GAZ PARFAIT gaz dilué (gaz à pression réduite) constitué de particules (atomes ou molécules) assimilées à des masses ponctuelles, sans interaction entre elles, soumises à une agitation moléculaire perpétuelle aléatoire. L équation d état d un gaz parfait avec P = pression (Pa) ; V=volume (m3); n=nombre de moles ; R = constante des gaz parfaits = 8,314 Jmol -1 K -1 ; T=température (K) La variation de son énergie interne est toujours (quelque soit la transformation) : PV nrt du nc v, mol dt 18
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PAC Bilan énergétique Q f + Q c + W = 0 U sys 0 extérieur source froide T f Q f >0 Q c <0 PAC flux artificiel de chaleur W >0 maison source chaude T c > T f cycle thermodynamique au cours duquel le fluide frigorigènbe subit des transformations Pour inverser le flux naturel de chaleur on doit fournir au SysT de l énergie sous forme de travail 20
PAC Bilan entropique S sc S sf S sf Qf T extérieur source froide f Q f >0 Q c <0 PAC flux artificiel de chaleur S sc Qc T maison source chaude c T f S sys 0 T c > T f cycle thermodynamique au cours duquel le fluide frigorigènbe subit des transformations S 0 Univers 21
Cycle réversible ditherme moteur : cycle de Carnot C'est le moteur idéal car il possède le meilleur rendement faisable pour un travail donné. Il est réversible. Il est composé de 2 isothermes et de 2 adiabatiques qui permettent de passer de l'isotherme chaude T2 à l'isotherme froide T1. Q 1 et Q 2 sont forcément échangées sur les isothermes puisque les autres transformations n'échangent pas de chaleur. Les sources chaudes et froides sont des thermostats, donc leur température ne varie pas. Phase : on replace le système dans son état initial P A < < D Q 2 B < < C Phase : phase moteur : détente isotherme, le gaz est en contact avec la source chaude T 1 dans laquelle il puise de l énergie (combustion) Q 1 : compression adiabatique, on supprime le contact avec la source froide T 2, la compression adiabatique élève la température : détente adiabatique, le gaz est isolé de la source chaude mais continu à se détendre T 1 T 2 V T 1 2 T : compression isotherme, un piston comprime le gaz, mais pour minimiser le travail à fournir on met le gaz en contact avec la source froide T 2 pour diminuer sa pression 1 22
Circuit de captage Q f T f < évaporateur le fluide frigorigène se réchauffe Liquide haute pression T 4 <T f T T T 2 >T c < < < Vapeur basse pression Détendeur Liquide basse pression Compresseur Vapeur haute pression source froide -extérieursource chaude -maison- condenseur T c le fluide frigorigène se refroidit Q c Circuit de chauffage PAC 23
Etapes et : plusieurs phénomènes physiques sont exploitables PAC Détendeur Compresseur T du fluide T du fluide vaporisation d un liquide désorption (dégagement) d un gaz ou d une vapeur d un liquide ou d un solide détente d un gaz refroidissement d une jonction thermoélectrique (effet Peltier) condensation d un liquide sorption d un gaz dans - un liquide (absorption) - un solide (adsorption) compression d un gaz échauffement d une jonction thermoélectrique 24
PAC à compression PAC vaporisation d un liquide condensation d un liquide basse pression haute pression T P f P c P c T f Q f évaporateur < 4 3 détendeur compresseur < condenseur T c Q c T c T f liq. 3 4 liq.+vap. 2 P f 1 vap. < < 1 2 S condenseur (2 3) : la vapeur se refroidit, se condense puis le liquide se refroidit détendeur (3 4) : le liquide se détend de P c àp f en se vaporisant partiellement (irrév.) évaporateur (4 1) : le liquide se vaporise entièrement puis la vapeur se réchauffe compresseur (1 2) : la vapeur est portée à haute pression (adiab.+rév. : isentropique) La vapeur s échauffe au-delà de T c 25
TECHNIQUES 26
1. Qualification des PAC en fonction de la zone de captage Techniques 27
2. Les fluides frigorigènes Techniques Les fluides utilisés aujourd hui dans nos pompes à chaleurs sont les R407C, R410A et R134A gaz étudiés pour la protection de la couche d ozone. source INRS 28
Techniques Détente indirecte ou fluide intermédiaire De l'eau additionnée d'antigel circule dans les capteurs et de l'eau circule dans les émetteurs de chauffage. Le fluide frigorigène reste confiné dans la PAC. On parle de PAC de type eau glycolée / eau. Le procédé est utilisable en capteurs horizontaux ou verticaux. fluide frigorigène confiné dans la PAC circuit eau glycolée circuit eau de chauffage 29
Techniques Détente directe Le fluide frigorigène circule dans les capteurs (qui est également l'évaporateur de la pompe à chaleur) et le plancher chauffant (qui joue le rôle de condenseur). Les constructeurs parlent alors de PAC sol / sol. Ce procédé n'est utilisable qu'avec des capteurs horizontaux. Consommation de beaucoup de fluide frigorigène Section tube cuivre plus petite que pour les autres techniques : impossibilité de passer d une technologie à l autre (aerothermie à géothermie) 30
Procédé mixte Techniques Le fluide frigorigène de la PAC circule dans les capteurs et de l'eau circule dans les émetteurs de chauffage. Les PAC sont de type sol / eau. Ce procédé n'est utilisable qu'avec des capteurs horizontaux. Le capteur enterré, dans lequel circule le fluide frigorigène, est également l'évaporateur de la pompe. Le chauffage de la maison est assuré par un circuit hydraulique alimentant soit un plancher chauffant, soit des radiateurs ou des ventilo-convecteurs. 31
Techniques 32
Plancher chauffant basse température <28 C Tubes noyés dans une dalle de béton où circule : - l eau du circuit de chauffage (PAC à fluides intermédiaires ou mixtes) - du fluide frigorigène (PAC à détente directe) Sa surface diffuse une chaleur douce et régulière : confort. Radiateurs basse température Applications Rafraîchissement et condensation Si la PAC alimente un plancher chauffant / rafraîchissant, la température de celui-ci ne doit pas descendre trop bas par rapport à celle de l air ambiant. Sinon, il y aura condensation de l humidité de l air sur le plancher. Ils fonctionnent avec une eau entre 45 et 50 C. Ils procurent une chaleur douce très agréable. Les radiateurs d une précédente installation de chauffage central peuvent convenir, à condition de vérifier leur dimensionnement. Rénovation Dépend du mode d utilisation du système de chauffage ancien. Par exemple, le fonctionnement 75/60/20 d une ancienne chaudière fioul ne pourra pas être efficacement remplacé par une PAC même haute température Le remplacement des chauffage est souvent nécessaire pour augmenter la surface d échange. 33
Applications Ventilo-convecteurs Ce système peut comporter une unité par pièce ou une unité centrale (dans un faux plafond, des combles ou un placard et reliée à un réseau de gaines de distribution d air chaud). Chaque unité pulse dans le logement l air réchauffé par passage sur une batterie d échange où circule le fluide frigorigène de la PAC à détente directe. Eau chaude sanitaire avec la PAC qui assure le chauffage de la maison. L eau du ballon est chauffée en récupérant une partie de la chaleur du fluide frigorigène. Quand la PAC ne fonctionne pas, une résistance électrique chauffe l eau sanitaire ; avec un chauffe-eau thermodynamique. C est un système indépendant muni d une pompe à chaleur autonome (en général air-eau). Il peut donc fonctionner toute l année. Climatisation En inversant le cycle du fluide frigorigène, la PAC, dite réversible, puise des calories dans le logement et les rejette à l extérieur. Ces PAC assurent une baisse modérée de la température, de l ordre de 3 à 4 C de moins qu à l extérieur : rafraîchissement plutôt que climatisation. 34
MISES EN OEUVRE 35
Géothermie horizontale générateur thermodynamique radiateur chauffe-eau bi-énergie plancher chauffant capteurs enterrés Quelques précautions, il faut se trouver à : - plus de 2m des arbres - au moins 1,50m des réseaux enterrés non hydrauliques - au moins 3m des fondations, des puits, des fosses septiques, des réseaux d évacuation Pelouse, massifs de fleurs et buissons peuvent cohabiter avec le capteur horizontal enterré. La surface au-dessus du capteur doit être perméable (pas de terrasse ou de construction) et ne pas être traversée par des réseaux d'eau (risque de gel). Le terrain ne doit pas être trop pentu, pour ne pas avoir à faire de remblai. Un sol rocheux est 36 moins favorable qu'un sol meuble.
Géothermie horizontale composition tubes de polyéthylène ou de cuivre gainés de polyéthylène. Ils sont installés en boucles enterrées horizontalement à faible profondeur (de 0,60 m à 1,20 m). Dans ces boucles circule en circuit fermé de l'eau additionnée d'antigel ou le fluide frigorigène de la pompe à chaleur (selon la technologie employée). dimension La longueur totale des tubes d'un capteur horizontal dépasse plusieurs centaines de mètres. Ils sont repliés en boucles distantes d'au moins 40 cm, pour éviter un prélèvement trop important de la chaleur du sol. Dans le cas contraire, il y aurait risque de gel permanent du sol. On estime la surface de capteur nécessaire de 1,5 à 2 fois la surface habitable à chauffer. Pour une maison de 150 m2,le capteur occupera entre 225 et 300 m2 de votre jardin. 37
Géothermie verticale sonde géothermique radiateur Les sondes géothermiques sont plus délicates à poser. Il est nécessaire de faire appel à une entreprise de forage qualifiée (le bureau de recherches géologiques et minières - BRGM- gère une liste de foreurs engagés dans une démarche de qualité) et de respecter les procédures administratives concernant la protection des sous-sols. générateur thermodynamique plancher chauffant 38
Géothermie verticale composition Les capteurs verticaux sont constitués de deux tubes de polyéthylène formant un U installés dans un forage (jusqu'à 80 m de profondeur) et scellés dans celui-ci par du ciment. On y fait circuler en circuit fermé de l'eau additionnée de liquide antigel. dimension Pour les capteurs verticaux, deux sondes géothermiques de 50 m de profondeur conviennent pour chauffer une maison de 120 m2 habitables. L'emprise au sol est minime par rapport à des capteurs horizontaux. 39
Aerothermie AIR AIR : les calories sont récupérées sous forme d air chaud EAU : les calories sont cédées à un circuit d eau (plancher chauffant, chaudière) Conditions de fonctionnement Détentes directe ou mixte Ces pompes à chaleur sont réversibles et peuvent rafraîchir la maison en été. Fluctuation T extérieure influence sur l efficacité de la PAC Froid extérieur risque de gel de l évaporateur baisse de l efficacité de la PAC (système d une régulation inverse temporaire nécessaire pour dégivrer) Froid extérieur trop grand système thermique d appoint nécessaire 40
Aquathermie Elles aussi font partie des PAC géothermiques. La chaleur du sous-sol est celle contenue dans l'eau de nappes aquifères peu profondes (moins de 100 m) captée par forage. Dans les systèmes à un seul forage, l'eau de nappe prélevée est rejetée dans une rivière, un plan d'eau ou un réseau d'eaux pluviales après qu'on y ait prélevé les calories nécessaires. Le système à deux forages est plus coûteux mais davantage utilisé car il évite le rejet en surface de l'eau prélevée dans la nappe. Le deuxième forage sert à réinjecter l'eau dans la nappe. En règle générale, ces PAC sont plutôt destinées aux immeubles importants. 41
Techniques Split-system 42
Techniques Split-system 43