Les pompes à chaleur

Les pompes à chaleur

Marché des PAC

Selon les chiffres de l’association européenne des pompes à chaleur (EHPA) [EHPA2008] présentés figure 2, les statistiques de vente de pompes à chaleur montrent que les systèmes ayant comme source froide l’air extérieur dominent le marché des ventes de PAC en 2007. En France, les maisons individuelles sont principalement équipées de chauffage central à eau avec radiateurs et plancher chauffant. Le fioul et le gaz représentent 60% de l’énergie utilisée pour alimenter ces systèmes. Le chauffage électrique représente 28% de la consommation énergétique dédiée au chauffage tout type d’énergie confondu. Les systèmes utilisés dans le cas du chauffage électrique sont principalement les convecteurs et les panneaux rayonnants. Dans les constructions neuves chauffées à l’électricité, la répartition des types systèmes est la suivante: (a) 33% de convecteurs ; (b) 27% de panneaux rayonnants ; (c) 24% de planchers chauffants ; (d) 5% de pompes à chaleur [BOSW2004] Une alternative au chauffage électrique dans le neuf comme dans l’existant sont les PAC air-air et air-eau à haute température en remplacement de chaudière [RAHH2006] [IDDR2007]. Ce travail de thèse se focalise sur le couplage de PAC air-air avec des sources tempérées. Mais les résultats pourraient sans trop de difficulté être étendus au système de PAC air-eau. 

Principes de base des systèmes thermodynamiques 

Par définition, une pompe à chaleur est une machine qui transfère la chaleur d’une région à basse température vers une région à une température supérieure. Ce processus, contraire à l’évolution thermique spontanée allant d’un milieu chaud vers un milieu froid, s’obtient par un dispositif thermodynamique qui consomme inévitablement de l’énergie plus « noble » [DEHA1989]. Il s’agit d’énergie mécanique dans une pompe à chaleur à compression et d’énergie thermique (à température élevée) dans une pompe à chaleur à absorption. Les pompes à chaleur à compression de vapeur entrainées par moteur électrique sont composées de quatre composants de base : un compresseur, un détendeur, un évaporateur (Ev) et un condenseur (Cd). L’implantation de ces composants dans le système est donnée à la figure 3.Le transfert de chaleur de la source froide vers la source chaude se fait par l’intermédiaire d’un fluide frigorigène qui subit deux types de changement d’état au cours du cycle thermodynamique. Un phénomène endothermique de vaporisation du fluide frigorigène est utilisé au niveau de l’évaporateur afin d’extraire la chaleur à la source froide, et un phénomène exothermique de condensation de la vapeur est utilisé du coté du condenseur pour restituer la chaleur stockée dans le fluide frigorigène à la source chaude. Les conditions (pression, température) d’évaporation et de condensation du fluide frigorigène étant totalement différentes, le compresseur et le détendeur permettent d’adapter les conditions de pression dans le circuit pour que les phénomènes de condensation et d’évaporation puissent se dérouler par échange de chaleur avec la source chaude et la source froide.

Principe de fonctionnement théorique d’une PAC 

Ces trente dernières années de nombreux travaux ont concerné l’étude de la performance des PAC air-air. Ils concernent l’amélioration de la conception des composants internes, la régulation et la variation de puissance, les procédés de dégivrage. Leur objectif commun est l’amélioration de la performance globale des PAC. Les mêmes constats reviennent : (a) diminution des performances avec la température extérieure nécessitant l’utilisation d’appoint lors des périodes les plus froides ; (b) fonctionnement à charge partielle une très grande partie du temps ; (c) givrage de l’échangeur extérieur nécessitant la mise en place d’un procédé de dégivrage venant dégrader la performance globale du système. Considérons à titre d’exemple une PAC air-air d’une puissance calorifique nominale de 6 kW, placée dans une maison ancienne d’une centaine de mètre carré dans le climat de Trappes, ayant subi des travaux de rénovation sur l’enveloppe, la consommation annuelle de chauffage étant de l’ordre de 100 kWh.an -1. On admet que cette PAC a été dimensionnée selon les règles empiriques communément utilisées chez les professionnels [COST2004], à savoir que le système doit être capable de fournir une puissance calorifique à pleine charge a minima supérieure à 60% des déperditions de l’espace à chauffer pour la température extérieure de base Tbase, soit -7°C à Trappes (repère de la figure 4). La tendance des évolutions de la puissance calorifique à pleine charge et des déperditions de chaleur en fonction de la température extérieure est présentée figure 4. Les deux droites se coupent en un point E appelé point d’équilibre. En ce point, la PAC fonctionne sans arrêt et compense exactement les déperditions du logement: c’est le mode de fonctionnement le plus efficace. A gauche de ce point, la PAC fonctionne à pleine charge avec le recours éventuel à un appoint électrique pour couvrir l’ensemble des déperditions. Certaines technologies offrent la possibilité de fonctionner au delà de la puissance à pleine charge, autorisant jusqu’à 20% de puissance calorifique supplémentaire durant de courtes périodes, afin d’éviter le recours à l’appoint [ROTH1991]. A droite du point d’équilibre, la PAC adapte sa puissance calorifique aux besoins de chauffage du bâtiment et fonctionne alors à charge partielle [PARK1977]. En outre, la formation de givre sur l’échangeur extérieur (fonction de la température et de -25- 1 CHAPITRE 1 – Cadre de la thèse l’humidité relative de l’air extérieur) contraint la mise en route d’un dispositif de dégivrage venant perturber et dégrader le fonctionnement de la PAC à partir de températures extérieures inférieures à 7°C [KAYG1994] [ARGA2001].L’observation combinée sur la figure 4 de l’occurrence des températures extérieures sur la période hivernale (1er octobre au 20 mai au climat de Trappes) montre que la PAC, telle qu’elle est dimensionnée, devrait fonctionner plus de 90% du temps à charge partielle. Le raisonnement précédent se base sur la couverture des déperditions de chaleur par la PAC, et non des besoins de chauffage, qui intègrent les apports énergétiques internes et solaires. En considérant une évolution linéaire des besoins de chauffage (ce qui constitue une approximation), la tendance présentée figure 4 montre un décalage du point d’équilibre E vers un nouveau point E’. La courbe d’occurrence se situant en quasi-intégralité à droite de E’, la PAC devrait fonctionner près de 100% du temps à charge partielle. Les performances nominales normalisées [NF14511] annoncées par les constructeurs sont données pour un fonctionnement à pleine charge stabilisé dans les conditions aux sources de 7°C (coté extérieur) et 20°C (coté intérieur). On observe que pour cette température extérieure les déperditions et les besoins de chauffage, ne représentent respectivement que 50% et 30% de la puissance calorifique nominale à pleine charge (respectivement les repères et de la figure 4). Les performances nominales, bien que potentiellement utiles dans la comparaison des pompes à chaleur entre elles, ne -26- 2 3 CHAPITRE 1 – Cadre de la thèse reflètent aucunement le comportement réel de la PAC une fois mise en place. Ce constat ouvre le débat sur la question de l’utilité et des possibilités d’utilisation des données constructeurs comme données d’entrée pour le paramétrage des modèles de pompe à chaleur.