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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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Sources de chaleur
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2. Technologie
Les composants rencontrés dans les PAC diffèrent selon le type d’application et de la gamme de puissance des appareils. Nous retrouvons généralement les mêmes composants que sur les machines de production frigorifique à compression mécanique de vapeur (voir article [1]).
Nous allons présenter, dans les paragraphes qui suivent, les principaux composants destinés aux PAC en fonction de la gamme de puissance sur laquelle nous les rencontrons et du type d’application. Nous spécifierons également les contraintes et les limites de mise en œuvre. Les informations reprises ci‐après font état de la disponibilité des composants à la date de rédaction du document, étant entendu que le secteur des PAC est en constante évolution et que de nouvelles technologies actuellement émergentes devraient s’affirmer dans l’avenir, notamment en ce qui concerne les fluides naturels et en particulier le CO2.
2.1 Compresseurs
Ils ont parfois nécessité quelques adaptations (huile de lubrification adaptée aux températures « élevées » par exemple) leur permettant d’atteindre des niveaux de température au condenseur supérieurs à ceux rencontrés dans les applications de production de froid.
La figure 7 présente les domaines de puissance calorifique unitaire des compresseurs en fonction de la technologie. Pour plus de détail sur la conception des compresseurs, le lecteur se reportera à l’article concernant la production de froid.
Les compresseurs peuvent dans certains cas (compresseurs à spirale, à piston) être montés en parallèle sur un même circuit frigorifique ; nous rencontrons également plusieurs circuits frigorifiques sur une même PAC. Cela permet d’atteindre des puissances calorifiques unitaires de PAC très largement supérieures aux puissances unitaires des compresseurs.
• Sur les PAC équipées de compresseurs de type rotatif, piston ou scroll, l’adaptation de la puissance calorifique aux besoins se fait généralement par des cycles de marche/arrêt en fonction de l’écart entre la consigne et la température réelle du fluide à réchauffer ou à refroidir.
• Pour les PAC utilisant des compresseurs à vis, la variation de puissance peut être obtenue grâce à un tiroir de régulation permettant de faire varier le débit de réfrigérant circulant dans l’installation.
• Les...
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