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RÉSUMÉ
Les pompes à chaleur (PAC), longtemps limitées dans leurs applications à une utilisation en construction neuve, affichent maintenant, grâce à des développements récents, des niveaux de température de fonctionnement plus qu’acceptables. Cet article rappelle les principes théoriques du fonctionnement des PAC avant d’aborder plus spécifiquement la technologie de leurs différents composants. Il recense ensuite les différentes sources thermiques côté source froide (air, eau, sol), et évoque le couplage possible de la PAC avec les capteurs solaires.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Éric AUZENET : Diplômé de l’Institut Français du Froid Industriel et du Génie Climatique - Ingénieur au Centre de recherche et développement de la Compagnie Industrielle d’Applications Thermiques (CIAT)
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Michel CLERC-RENAUD : Ingénieur de l’Institut National des Sciences Appliquées à Lyon - Conseiller technique à la Compagnie Industrielle d’Applications Thermiques (CIAT)
INTRODUCTION
A l’heure où nous parlons économie d’énergie et réduction des émissions de gaz à effet de serre, la pompe à chaleur (PAC) apparaît comme une technologie à même d’apporter une contribution significative pour répondre aux grands défis de demain.
Parmi les domaines qui peuvent être concernés, le secteur du bâtiment représente en France presque la moitié de la consommation d’énergie finale et un cinquième des émissions de gaz à effet de serre ; les énergies utilisées sont très majoritairement fossiles (gaz et fuel). Mais les applications industrielles peuvent également trouver un intérêt à employer de telles technologies.
Dérivées des applications frigorifiques, les PAC ont longtemps été limitées dans leurs applications à des niveaux de température de chauffage assez bas. Ceci rendait difficile voire impossible leur emploi pour des opérations de remplacement des chaudières à combustible fossile. Le secteur privilégié était donc celui des constructions neuves. De plus, les conditions économiques relatives aux prix des énergies traditionnelles de même que l’immaturité du marché n’ont pas favorisé leur essor au cours des décennies passées.
Les développements récents de nouvelles technologies, notamment poussés par les réglementations visant les fluides frigorigènes, devraient permettre de voir apparaître sur le marché de nouveaux produits dans les prochaines années. Fabriqués en grande série, ils seront capables de chauffer de l’eau à des niveaux de température adaptés à des actions de réhabilitation mais également pour la production d’eau chaude sanitaire.
Nous pouvons espérer que les potentiels énergétiques et environnementaux des PAC qui ont été sous-exploités jusqu’à ces dernières années seront reconnus à leur juste valeur. Les PAC, qui sont à même de valoriser l’énergie basse température et renouvelable contenue dans les éléments tels que l’air, l’eau et le sol, devraient donc devenir un des éléments majeurs dans notre paysage énergétique.
Leur couplage avec d’autres systèmes valorisant des énergies renouvelables comme l’énergie solaire thermique doit également constituer un des axes de recherche de demain afin de favoriser les synergies et les complémentarités.
Après avoir rappelé, dans cette première partie [BE 9 620], les principes théoriques de fonctionnement ainsi que les différentes conceptions et technologies possibles pour les PAC, nous aborderons ensuite dans la seconde partie Pompes à chaleur- Applications et systèmes particuliers les différentes applications envisageables avec les PAC. Un paragraphe sera consacré au marché et aux performances des produits.
Enfin, les machines à compression avec moteur thermique, les systèmes à absorption et ceux à évolution ouverte apparentés aux PAC seront traités.
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3. Sources de chaleur
Après avoir détaillé le cycle frigorifique et analysé ses limitations techniques, nous allons recenser les sources thermiques côté source froide.
Selon le type, les contraintes et les limitations sont différentes. L’énergie est puisée dans des sources dites renouvelables. Certaines le sont naturellement, d’autres nécessitent une régénération.
3.1 Source froide sur l’air
L’air est la seule source froide utilisable en tous lieux (sauf contraintes de température et d’acoustique). Elle est naturellement renouvelable donc elle ne demande pas de précaution d’utilisation et ne nécessite pas de cycle de régénération. Cela réduit les coûts d’installation. C’est pour ces raisons que jusqu’à présent les PAC à compression qui utilisent l’air extérieur comme source froide étaient les plus répandues. La tendance s’inverse et actuellement d’autres sources froides sont de plus en plus utilisées. Nous les verrons dans les paragraphes suivants.
Nous utilisons aussi l’air extrait des bâtiments. Ce principe, répandu dans les secteurs tertiaires et industriels, se développe dans le résidentiel 3.1.2.
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Lorsque l’air est utilisé comme source froide, il échange sa chaleur avec l’évaporateur. Celui‐ci est alors composé d’un ensemble de tubes ailetés appelé batterie évaporateur ou batterie à détente directe.
Le fluide frigorigène passe à l’intérieur des tubes et l’air à l’extérieur. Comme le coefficient de convection air/paroi est de l’ordre de 50 à 100 W · m–2 · K–1, valeurs très faibles (côté intérieur, les valeurs vont de 3 000 à 6 000 W · m–2 · K–1), il est nécessaire d’augmenter la surface d’échange en disposant des ailettes.
De plus, pour refroidir d’un kelvin un mètre cube d’air, il faut une énergie...
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