Clarifions le fonctionnement d'une pompe à chaleur air-eau
Si vous envisagez d’installer ou de moderniser votre système de chauffage, les pompes à chaleur se présentent comme une alternative écologique du chauffage au fioul ou au gaz. Une pompe à chaleur air-eau utilise l’air ambiant comme source d’énergie gratuite et inépuisable. En hiver, elle capte les calories de l’air extérieur afin de réchauffer l’air intérieur. En été, elle inverse son processus pour rafraîchir l’air intérieur. Comprendre comment cela est possible n’est pas simple. Nous vous l’expliquons en détail ici.
HARGASSNER conçoit des pompes à chaleur air-eau monobloc très efficaces. La AirPro alimente aussi bien votre réseau de chauffage que votre ballon d’eau chaude sanitaire toute l’année. Lors des jours chauds, la AirPro peut rafraîchir la température intérieure.
Les principes à connaître pour comprendre le fonctionnement d’une pompe à chaleur.
Une des règles fondamentales de la physique veut que la chaleur se déplace toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid afin d’atteindre une température d’équilibre. Voilà pourquoi en hiver le fluide frigorigène absorbe la chaleur de l’air extérieur et la transmet au circuit de chauffage.
En changeant la pression appliquée sur un fluide, on modifie sa température d’ébullition. Plus la pression augmente plus la température d’ébullition augmente et inversement. Par exemple, l’eau bout à 100°C au niveau de la mer, à 120°C dans une cocotte-minute et à 71°C au sommet l’Everest.
Lorsque l’on chauffe de l’eau, la chaleur stockée dans l’eau est appelée chaleur sensible.
Pour changer de d’état ou de phase, l’eau liquide, solide ou gazeuse, doit extraire ou stocker de la chaleur. Cette chaleur s’appelle la chaleur latente ou enthalpie.
- L’augmentation de la chaleur latente n’implique pas d’augmentation de la chaleur sensible.
- La quantité de chaleur sensible qu’un fluide ou un gaz peut transférer est infime comparée à la chaleur latente que ce même fluide ou gaz peut libérer en changeant d’état.
Exemple : Combien d’énergie est nécessaire pour transformer un kilogramme d’eau contenu dans une casserole en vapeur avec une pression de 1 bar (pression normale où l’eau bout à 100°C) ?
L’énergie nécessaire pour chauffer un kilogramme d’eau d’un degré est de 4,18 kJ. En partant d’une eau froide à 15°C, cela revient à consommer environ 355 kJ pour atteindre les 100°C de chaleur sensible.
Une fois cette température d’ébullition atteinte, la chaleur sensible n’augmente plus et l’eau accumule de la chaleur latente qui lui permet de s’évaporer. Il faudra alors 2257 kJ pour évaporer le kilogramme d’eau.
Pour conclure, il faut donc 355+2257 = 2612 kJ pour évaporer un kilogramme d’eau.
Dans cet exemple précis, on comprend que la quantité de chaleur latente est 6,36 fois plus importante que chaleur sensible. Lorsque la vapeur d’eau condense, toute sa chaleur latente se libère.
Le même procédé s’applique au fluide frigorigène dans une pompe à chaleur.
La chaleur c’est l’agitation (l’énergie cinétique) des molécules.
La température mesure l’énergie cinétique moyenne (le mouvement) des molécules contenues dans un objet : fluide, gaz, solide.
En compressant un gaz dans un espace clos, un compresseur par exemple, la vitesse des molécules augmente significativement. Elles s’agitent de manière chaotique ce qui augmente la température sensible du gaz très rapidement.
Qu’est-ce qu’un fluide frigorigène ?
Un fluide frigorigène ou gaz réfrigérant sert au fonctionnement de nombreux appareils électroménager : climatisation, réfrigérateur, pompe à chaleur, etc.
Contrairement à l’eau, un fluide frigorigène bout à une température très basse. Le propane (R290) par exemple bout à environ -42°C à pression normale. Il est donc en mesure d’accumuler de la chaleur latente même lorsqu’il fait -15 °C à l’extérieur. Cette caractéristique explique en partie la capacité d’une pompe à chaleur à générer de la chaleur au coeur de l’hiver.
Il existe plusieurs types de fluides frigorigènes possédant chacun leurs spécificités :
- Les CFC (Chlorofluorocarbures) : Comme le R12, ils sont aujourd’hui interdits car ils détruisaient la couche d’ozone.
- Les HCFC (Hydrochlorofluorocarbures) : Comme le R22, ils sont également en voie de disparition pour les mêmes raisons.
- Les HFC (Hydrofluorocarbures) : Comme le R134a ou le R410A, ils ne détruisent pas à la couche d’ozone, mais sont de puissants gaz à effet de serre. Ils sont progressivement remplacés.
- Les fluides naturels : Le futur de l’industrie. On utilise désormais du Propane (R290), de l’Ammoniac (NH3) ou même du CO2 (R744), car leur impact sur le réchauffement climatique est réduit.
La pompe à chaleur AirPro fonctionne au R290.
La pompe à chaleur fonctionne en quatre étapes qui se répètent en continu.
Le cycle frigorifique d’une pompe à chaleur
01 – Détente : le détendeur de la pompe à chaleur fait chuter la pression du fluide et par incidence sa température.
02 – Vaporisation : Le fluide frigorigène circule à très basse température. Pour le propane (R290), la température à cette étape est d’environ -20 à -25°C. Il est donc plus froid que l’air extérieur, même en hiver dans la majorité des cas. En passant dans l’évaporateur, une sorte de radiateur exposé à la température extérieure, le fluide se réchauffe puis s’évapore : il passe de l’état liquide à l’état gazeux et stocke de la chaleur latente.
03 – Compression : le compresseur augmente la pression exercée sur le gaz qui voit sa température augmenter de manière fulgurante. Le gaz qui est entré à -15°C peut ressortir du compresseur à plus de 80°C de chaleur sensible.
04 – Condensation : le gaz réfrigérant passe par un échangeur. Il y transmet sa chaleur au réseau de chauffage où circule une eau plus froide. Dans un premier temps, le gaz transmet la chaleur issue de la compression, puis une fois revenu à sa température de condensation, il passe de l’état gazeux à l’état liquide. En plus de la chaleur sensible résiduelle, la chaleur latente contenue dans le gaz se transmet alors, elle aussi, au réseau de chauffage.
01 – Détente : le détendeur ramène le fluide à sa température et à sa pression initiale. Le cycle peut ainsi recommencer.
En mode rafraîchissement, ce processus est inversé. L’évaporateur prend le rôle du condenseur et inversement. La pompe absorbe alors la chaleur intérieure via le réseau de chauffage, les radiateurs et le plancher chauffant et l’évacue ensuite vers l’extérieur.
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