Etude d'un système géothermique: la Pompe A Chaleur (PAC)
Représentation schématique de la pompe à chaleur
La pompe à chaleur peut se représenter schématiquement comme ci-dessous. Elle décrit un cycle thermodynamique. Elle est constituée de deux échangeurs thermiques, un à l’extérieur et un autre à l’intérieur de l’habitation. Elle comprend également un compresseur et un détendeur.
Les deux schémas suivants sont à mettre en parallèle (les numéros coïncident) et nous permettent d’apprécier la variation d’enthalpie du fluide lors de son parcours dans la pompe à chaleur
Schéma simplifié de la pompe à chaleur.
Diagramme représentant l’évolution de l’enthalpie du fluide en fonction de la pression.
Le compresseur
Le compresseur est le seul composant de la pompe à chaleur à être alimenté en électricité et donc à consommer de l’énergie.
Il permet de comprimer le fluide à la sortie de l’évaporateur. Le fluide auparavant sous basse pression et haute température sort du compresseur à haute pression et très haute température.Le condenseur
Le condenseur est situé à la sortie du compresseur et est ensuite relié au détendeur. Il est l’un des deux échangeurs thermiques de la pompe à chaleur. Il circule dans la maison à travers des tuyaux ou peut être tout simplement relié à un réseau de radiateurs selon les options du système.
Le fluide est situé en sortie du compresseur, il est alors sous haute pression. Cette augmentation de pression a pour effet d’élever sa température. Le fluide est à haute pression et à haute température. En circulant dans le réseau d'échangeurs thermiques dont est constitué le condenseur le fluide se refroidit et se condense. En entrant dans l'évaporateur, il est alors sous forme liquide à haute pression.
Le détendeur
Le détendeur comme son nom l’indique détend le fluide caloporteur. Il abaisse la pression de ce dernier ainsi que sa température. Le bon réglage de celui-ci permet d’optimiser le taux d’évaporation du fluide frigorigène et assure une stabilité de la pression et de la température en entrée de l’évaporateur.
Son fonctionnement est autonome, et ne consomme pas d’énergie.
L'évaporateur
L'évaporateur est situé à la sortie du détendeur et fait la jonction jusqu'au compresseur. Le fluide est sous forme liquide en sortie du détendeur. La température du fluide étant de -15°C lorsque celui-ci arrive dans le détendeur, il se réchauffe alors au contact de la terre.
La détente provoquée par le détendeur s'accompagne d'une évaporation du fluide et du refroidissement de celui-ci. Lors du passage dans le tuyau, qui joue le rôle d'échangeur thermique, le fluide se réchauffe en captant ainsi la chaleur du sol. Le sol ayant par ailleurs une très grande capacité thermique, la température de celui-ci reste à peu près constante. A la sortie de cet évaporateur, le fluide est alors sous forme de vapeur à basse pression.
La différence d'énergie entre l'entrée et la sortie est modélisée par le Qf.On remarque que le réchauffement du fluide ne peut être assuré que si la différence de température entre la terre et le fluide est assez importante. Le fonctionnement de la pompe à chaleur est assuré si la stabilité de la température dans le sol sous une profondeur d'environ 1m l'est aussi, c'est à dire si le gradient thermique à l'extérieur n'est pas trop important. En effet, si la température du sol est trop faible, le fluide ne se réchauffe alors plus assez lors de son passage dans l'évaporateur. Cela se traduit alors par un Qf plus faible et cela induit alors un rendement moins important. Nous expliciterons ce phénomène plus en détail dans le paragraphe alloué au rendement.
Cela explique que l'implantation de pompe à chaleur doive satisfaire des conditions de climat.Ceux ci peuvent être disposés soit verticalement soit horizontalement. Ces deux dispositions sont fonctionne plus souvent de la nature du terrain, un terrain accidenté ne permettant par exemple pas une disposition horizontale.
Le fluide caloporteur
Ce fluide permet les échanges thermiques entre les différents systèmes.
Il existe différents systèmes de pompe à chaleur que nous détaillerons dans la partie suivante.
Les fluides utilisés le plus couramment possèdent une température d’évaporation et qui avoisine les -26°C à température ambiante. A pression atmosphérique, sa chaleur latente est de 216kJ/kg. A titre de comparaison, l’eau possède une chaleur latente de vaporisation à température ambiante de 2257kJ/kg.
Le fluide caloporteur possède également une masse volumique faible ce qui explique que l’installation ne nécessite qu’une installation de puissance assez faible.
Par ailleurs, le fait que ce fluide possède un pouvoir de réchauffement (il s’agit d’un gaz à effet de serre) plus de 1200 fois supérieur à celui du gaz carbonique exige une bonne étanchéité du système.
Les différents types de systèmes de Pompes A Chaleur
Les différents systèmes de chauffages géothermiques pour «particulier»:
En fonction des besoins et des attentes des consommateurs, 3 types de systèmes sont proposés :Le système Sol/Sol : (dit à détente directe)
On retrouve ici le système classique du chauffage géothermique.
Dans les systèmes à détente directe, le transfert de chaleur est assuré par un fluide frigorigène fonctionnant en circuit fermé, dans le réseau de capteurs et dans le plancher chauffant. Il s’agit donc d’un circuit frigorifique simple, dans lequel le capteur extérieur constitue l’évaporateur, et le plancher chauffant le condenseur : évaporation et condensation s’effectuent progressivement, ce qui permet d’optimiser l’efficacité.
Une armoire technique, installée dans un garage, une cave ou un local technique, regroupe le compresseur et le détendeur. Plusieurs compresseurs peuvent être utilisés pour chauffer plusieurs zones de la maison à des températures adaptées. Ce système offre le rendement optimum pour une surface de captage minimale.
Cependant la surface extérieure nécessaire à l’implantation d’un tel système doit être comprise, selon les conditions géographiques et géologiques, entre 100 et 150% de la surface à chauffer
Les systèmes à détente directe peuvent tous se représenter schématiquement par le schéma suivant. Le fluide caloporteur décrit alors la boucle :
Les deux systèmes suivants sont dits à « fluide intermédiaire ».
Le système eau glycolée / eau :
Dans la technologie « eau glycolée/eau », la chaleur utile est transmise par l’intermédiaire d’un circuit de distribution hydraulique (eau glycolée dans les capteurs extérieurs horizontaux ou verticaux, eau dans le plancher chauffant).
Le générateur comporte, outre le compresseur et le détendeur, deux échangeurs où s’effectuent l’évaporation et la condensation, permettant de libérer l’énergie pour chauffer l’eau.
Cette technologie rend également possible l’utilisation d’un réseau de radiateurs existants (température maximale 45°C). La surface de captage exigée est supérieure à celle qui est nécessaire dans les systèmes à détente directe. Pour réduire cette surface de captage, il est possible, dans certains cas, quand la configuration du terrain le permet, d’implanter des capteurs verticaux, qui pénètrent plus profondément dans le sol (sonde géothermique).La technologie par puisage d’eau :
Dans la technologie par puisage d’eau, le transfert de la chaleur est assuré par l’eau prélevée dans les nappes phréatiques et par un circuit hydraulique pour le plancher chauffant ou les radiateurs.
Le générateur comporte un compresseur, un échangeur à plaques et un échangeur à plaques spiralées qui permettent à la pompe à chaleur de valoriser l’énergie récupérée dans le puits, par l’intermédiaire de l’eau prélevée et de la transférer dans le circuit de distribution hydraulique pour chauffer la maison.
Le captage d’eau sur nappe connaît une demande forte auprès des clients qui possèdent des terrains exigus ou accidentés. L’eau prélevée provient des nappes présentes dans le sol, souvent à une profondeur de 10 ou 20 mètres et dont la température est constante tout au long de l’année, assurant ainsi un rendement élevé de la pompe à chaleur.Le système « mixte » sol/eau :
Ce système utilise à la fois les caractéristiques de la PAC à détente directe et celle de la PAC à fluides intermédiaires.
Comme dans le système à détente directe, l’évaporation est réalisée directement dans le capteur extérieur. Le générateur comporte un condenseur permettant de libérer l’énergie pour chauffer l’eau qui circule dans le plancher chauffant ou les radiateurs. Cette technologie offre, comme la technologie eau glycolée/eau, la possibilité d’utiliser un réseau de radiateurs existants
Cette technologie est une combinaison des deux premières, puisqu’elle associe l’utilisation d’un fluide frigorigène dans les capteurs et d’un circuit hydraulique pour le plancher chauffant ou les radiateurs.
