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Pompe à chaleur
Fonctionnement d’une pompe à chaleur

La pompe à chaleur marche sur le principe de la thermodynamique aussi appelée le cycle de Carnot, Carnot étant le physicien français du 19ème siècle qui a inventé le principe.

La thermodynamique s’applique sur deux lois physiques :
- La loi des gaz parfaits.

P.V= n.R.T soit le produit du volume et du volume d’un gaz dit parfait est égal au produit de sa quantité de matière et de sa température multiplié par le coefficient R égal à 8,31.
Avec :
P est la pression du gaz (en pascal)
V V {\displaystyle V} est le volume occupé par le gaz (en mètre cube)
n n {\displaystyle n} est la quantité de matière (en mole), elle correspondant au nombre d’atomes contenus dans 12g de carbone pur (Carbone 12) soit 6,02214040×1023 atomes.
R R {\displaystyle R} est la constante universelle des gaz parfaits R {\displaystyle R} = 8,31J K -1.mol-1
T est la température absolue (en kelvin)

Dans une pompe à chaleur, le gaz est emprisonné dans une tuyauterie formant une boucle donc:
le Volume contenant le gaz ne varie pas, (les tuyaux ne changent ni de forme ni de volume)
la quantité de matière ne varie pas non plus, (on ne rajoute ou ne retire pas de gaz)
R est une constante.
De ce fait, en faisant varier la Pression du fluide nous pouvons faire varier sa Température.

- La chaleur latente :
La chaleur latente est (pour faire simple) la quantité de chaleur, exprimé en Joules, pour changer d’état.
Compliqué mais très simple. Prenons un exemple :
Le glaçon dans votre Soda
Nous sommes d’accord pour dire qu’il est plus froid que l’eau contenu dans votre verre et que par logique il va, une fois mis à l’intérieur, refroidir l’eau en augmentant sa température. Autrement dit l’eau va donner de la chaleur au glaçon et le glaçon de la fraîcheur au soda.
Mais comment fait il, vu sa taille, pour refroidir autant de boisson ?
Si on compare la taille du glaçon au verre, la boisson devrait baisser si peu de température que vous n’en sentirez même pas son effet.
C’est quand il fond qu’il a besoin d’énergie. Tout corps ou matière qui change d’état a besoin d’énergie ou en cède. C’est dans la chaleur de votre boisson que le glaçon va trouver l’énergie pour changer d’état. Et donc votre boisson refroidie...

Ainsi il suffit de faire changer le fluide entre l’état gazeux et l’état liquide pour perdre ou obtenir de la chaleur et ce augmentant et diminuant la pression. (Sur le même principe que quand vous ouvrez votre bouteille de soda, le gaz qui s’en dégage est conservé sous forme liquide quand la bouteille est fermée et lorsqu’elle est fermée la bouteille augmente en pression).
Le cycle de Carnot appliqué à la pompe à chaleur

La première étape consiste à capter la chaleur par l’intermédiaire d’un échangeur thermique. A cette étape le fluide (aussi appelé gaz ou liquide frigorifique) passe de  l’état gazeux à l’état liquide. Il prend donc de l’énergie pour se réchauffer et pour changer d’état. L’échangeur agit comme une bouteille d’eau. Si l’eau n’est pas à la même température que dans le réfrigérateur si elle s’y trouve, elle perdra ses calories à travers la bouteille. C’est le même phénomène dans un échangeur sauf qu’il est conçu pour optimiser ce phénomène.
La deuxième étape consiste à comprimer le fluide ainsi il monte en température, prêt à la restituer.
Une fois comprimé le fluide passe dans un échangeur  thermique et va transmettre toute l’énergie emmagasinée. Il va perdre son énergie à la fois en baissant en température mais aussi pour qu'il change d’état. Il redevient à l’état liquide.
Un détenteur permet  de réduire la pression du fluide. Comme le compresseur augmente la température du gaz en le comprimant on pourrait croire que le détenteur fait baisser sa température en le détendant mais n’oublions pas qu’il est à l’état liquide il ne répond plus à la loi des gaz parfaits.
Une fois la pression du fluide réduit, il repart faire un cycle.

Ainsi on comprend que le cycle de Carnot permet de créer du chaud et du froid. Pour une pompe à chaleur il suffit de faire circuler le fluide dans le sens voulu pour obtenir un rafraîchissement ou un réchauffement de l’échangeur placé dans l’habitation. Seule la phase de compression ayant besoin d’énergie, le compresseur sera l’appareil de maîtrise du dispositif.
Les éléments qui  constitue une pompe à chaleur

La pompe à chaleur  comprend 4 éléments indispensables à l’obtention du phénomène :
1 : L’Evaporateur : Il est nécessaire pour capter les calories dans le milieu où il se trouve. Dans cette phase le fluide s’évapore.
2 : Le Compresseur : Il permet de comprimer le gaz pour augmenter sa chaleur mais permet aussi de déplacer le fluide dans tout le circuit.
3. Le Condenseur : Il permet de transmettre la chaleur au milieu où il se trouve. Dans cet appareil le gaz se liquéfie.
4  Le Détendeur : Son rôle est de diminuer la pression  du fluide à l’état liquide.

D’autres éléments tout aussi nécessaires à la régulation ou à la sécurité du dispositif doivent équiper le dispositif afin de le rendre concrètement fonctionnel
Le pressostat :élément de mesure de pression qui coupe l’alimentation électrique du compresseur si la pression du circuit est trop haute. Ce phénomène peut arriver en cas de sur chauffe. En effet si le gaz surchauffe il va se dilater et augmenter la pression.
Bouteilles anti coup de bélier : placé juste avant le compresseur il permet de s’assurer que ce dernier n’aspire pas le fluide à l ‘état liquide. Un liquide étant par définition incompressible, il détériorait le compresseur instantanément.
Vanne d’inversion de cycle : Pour les systèmes réversibles (qui peuvent aussi bien faire du froid que du chaud) ce bloque de vanne permet d’inverser le sens du cycle sans pour autant avoir besoin de démonter le compresseur pour l’inverser.
Filtre déshydrateur : il filtre les fines particules.et élimine l’humidité contenue dans le gaz frigorifique car elle favorise la formation d’acide.

Consommation électrique d’une pompe à chaleur / climatiseur

Bien que la chaleur pompée provient d’une source naturelle (air, terre ou eau), le compresseur consomme de l’électricité pour faire déplacer le fluide et le comprimer.
Pour permettre de connaître la consommation d’énergie en électricité par rapport à celle restituée au logement sous forme de chaleur, il existe une mesure appelée CoP, le coefficient de performance, qui permet de connaître le rendement de votre pompe à chaleur ou climatiseur. En moyenne, une pompe à chaleur fournie 3kWh quand elle en consomme 1, soit un CoP de 3. Si on compare cette valeur au chauffage électrique, soit l’effet joules, on obtiendrait 1 dans les meilleures conditions . On comprend donc l’intérêt financier de chauffer son logement avec une pompe à chaleur.

Mais attention !
Le CoP est mesuré avec une température extérieure de 10°C ce qui est très doux pour un hiver. Ceci fausse partiellement la performance réelle de la pompe à chaleur aréothermie. En réalité, lors des saisons avoisinant les 0°C le Cop peut être en dessous de 2 et c’est à ce moment que la pompe à chaleur devra produire le plus de chaleur. La pompe à chaleur aréothermique devient donc bien moins intéressante financièrement que la pompe à chaleur géoithermique. Pour être au plus proche de la réalité il vaut mieux se référer  au ‘’CoP saisonnier'’ ou ‘’ Cop annuel’’, le SPF.
Si votre pompe à chaleur est réversible, c’est à dire un climatiseur, il faut en plus prendre en considération la consommation lors de son utilisation pour rafraîchir votre logement.

La Technologie Inverter

Sur pompe à chaleur ‘’normale’’ le compresseur à une vitesse de fonctionnement. La quantité de chaleur fournie à l’intérieur de votre maison ne varie donc pas. Des arrêts sont nécessaires pour limiter l’apport en calories. En mi-saison, la pompe à chaleur va devoir fonctionner en intermittence comme si elle était surdimensionnée. Les arrêts répétitifs pour une pompe à chaleur sont très mauvais. En effet, les variations de température en fonctionnement et à l’arrêt vieillissent les matériaux prématurément. De plus le fait de redémarrer l’installation demande de redynamiser l’inertie du système ce qui est génère une consommation d’électricité supplémentaire.

La technologie Inverter permet de modifier le vitesse de la pompe et donc de modifier la pression et le débit fourni au gaz (voir cycle de Carnot) et ainsi modifier la puissance échangée entre l’extérieur et l’intérieur de votre maison. Cette technologie permet de faire fonctionner la pompe à chaleur en permanence et de varier la puissance fournie au logement en fonctions de vos besoins et des températures extérieures tout en ajustant sa consommation.

Pour  une pompe /air ou un climatiseur, l’intéret de faire varie la quantité de chaleur apportée ,est de varie la température de l’air propulsé par le ventilo-convecteur sur une plage de température plus importante afin de diminuer son débit d’air et l’effet courant d’air.

Prix et économie de la technologie Inverter

Son prix est supérieur de 10 à 20% par rapport à une pompe à chaleur simple.
La technologie Inverter permet d’économise entre 25 et 15% de votre facture d’électricité dédié au chauffage.
Tableau des Avantages et Inconvénients
Avantages
Inconvénients
Pompe à chaleur
Énergie inépuisable
Beaucoup de possibilité pour climatiser
Possibilités d’aides de l’État
Consommation électrique économique
Rendement aléatoire en fonction des technologie
Demande un entretien par un professionnel
Reste dépendant du secteur
Principe

Les éléments qui nous entourent, l’air, l’eau et la terre contiennent des calories soit provenant du soleil soit du centre de la terre. Ces sources d’énergie sont inépuisables. Le principe du pompe à chaleur qu’elle soit Géothermique, Aéorthermique, Aquathermique, ou mixte et de prélever ces calories pour les concentrer dans votre logement afin de rehausser sa température. Lorsque la pompe à chaleur est  dite ‘’ réversible ‘’ cela signifie qu’elle est aussi capable de dissiper les calories dans le milieu naturel pour diminuer la température de votre habitation. C’est la climatisation.

Sources de chaleur

Les pompes à chaleur peuvent puiser la chaleur à l ‘extérieur de votre maison et ce dans :
- le sol. Il s’agit de la géothermie.
Un circuit primaire équipé d’un échangeur thermique, sous forme d’un tuyau enterré en sous sol soit horizontalement sur un grande surface soit verticalement en profondeur, apporte la chaleur à l’évaporateur de la pompe  C’est la solution la plus performante car la température du sol ne varie pas en fonction des saisons.

- l’air. Il s’agit de l’aérothermie.
L’air extérieur passe directement sur l’évaporateur par l’intermédiaire d’un ventilateur.

- l’eau. Il s ‘agit de l’aquathermie. Cette méthode nécessite une nappe phréatique dans le sous sol. Comme la géothermie, il est nécessaire d’apporter les calories collectées dans la nappe par un circuit primaire. Cette solution bien qu’aussi efficace que la géothermie et bien moins répandue.
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