Pompe à chaleur

Figure 1 : Les composants extérieurs d'une pompe à chaleur résidentielle.

Une pompe à chaleur est un dispositif qui extrait l'énergie de l'air dans le but de chauffer ou de refroidir un endroit. Ce processus est connu sous le nom de conditionnement de l'espace. Les pompes à chaleur fonctionnent comme un moteur thermique à l'envers, puisqu'elles fournissent un travail à partir d'un apport d'électricité pour pousser la chaleur d'un endroit froid vers un endroit chaud. Cela semblerait enfreindre la deuxième loi de la thermodynamique, mais ce n'est pas le cas, car ce transfert de chaleur n'est pas spontané ; il nécessite un apport d'énergie. Pour le chauffage domestique, une pompe à chaleur extrait la chaleur de l'air extérieur, réchauffe encore plus l'air chaud et le transfère à l'intérieur. Pour rafraîchir la maison, la pompe à chaleur inverse le processus : la chaleur est extraite de l'air intérieur et expulsée vers l'extérieur, tout comme un réfrigérateur ou un climatiseur, ce qui refroidit l'air intérieur.

Opération

Cycle de chauffage

Le cycle de chauffage d'une pompe à chaleur fonctionne en absorbant la chaleur de l'air extérieur, en le réchauffant davantage et en utilisant cet air chaud pour chauffer l'air intérieur. Pour ce faire, elle suit le processus suivant :

1. Le réfrigérant liquide absorbe la chaleur de l'air extérieur dans l'« évaporateur » et se transforme en gaz.
2. Le réfrigérant passe dans un « compresseur », qui augmente la pression du gaz et sa température.
3. Le gaz chaud traverse des « serpentins de condensation » à l'intérieur de l'espace à chauffer, et comme il est à une température plus élevée que cet espace, il transfère la chaleur à la pièce et se condense à nouveau en liquide.
4. Le liquide repasse enfin par une valve qui réduit sa pression afin de le refroidir pour qu'il puisse répéter le cycle.

Ceci peut être visualisé dans l'image ci-dessous.

Figure 2 : Le processus et les composants d'un cycle de chauffage.

Cycle de refroidissement

Le cycle de refroidissement d'une pompe à chaleur est utilisé pour refroidir un espace en enlevant la chaleur de celui-ci et en l'expulsant vers une autre zone, généralement vers l'extérieur pour la climatisation ou vers la pièce pour un réfrigérateur. Pour ce faire, les « serpentins de condensation » et l'« évaporateur » changent de rôle et le flux de réfrigérant est inversé :

1. Le réfrigérant froid absorbe la chaleur de la pièce plus chaude dans l'évaporateur, de sorte que la pièce se refroidit.
2. Il passe ensuite dans le compresseur pour augmenter sa température.
3. Il passe par les serpentins de condensation et transfère cette chaleur à l'air extérieur.
4. Il se dilate ensuite afin de diminuer sa pression et se refroidit à une température inférieure à celle de la pièce pour répéter le cycle.

Ce processus peut être visualisé dans la figure 3.

Figure 3 : Un cycle de refroidissement pour une pompe à chaleur.

Coefficient de performance

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La performance d'une pompe à chaleur est exprimée par le rapport entre la chaleur produite et le travail nécessaire pour la produire. Essentiellement, cette valeur représente la quantité de refroidissement ou de chauffage effectuée pour chaque dollar dépensé (l'électricité n'est pas gratuite après tout). Ce rapport est connu sous le nom de coefficient de performance (K), représenté par l'équation suivante :

[math]\displaystyle{ K=\frac{chaleur}{electricite} }[/math]

Donc, pour le chauffage, ce coefficient est :

[math]\displaystyle{ K=\frac{Q_H}{W_{in}} }[/math]

et pour le refroidissement, ça l'est :

[math]\displaystyle{ K=\frac{Q_C}{W_{in}} }[/math]

où :

• [math]\displaystyle{ Q_H }[/math] est l'apport de chaleur dans une pièce pour la chauffer
• [math]\displaystyle{ Q_C }[/math] est la chaleur expulsée d'une pièce afin de la refroidir
• [math]\displaystyle{ W_{in} }[/math] est le travail fourni sous forme d'électricité

Plus la valeur de ce coefficient est élevée, mieux une pompe à chaleur transfère la chaleur, car elle nécessite moins de travail pour effectuer une certaine quantité de transfert de chaleur. Toutefois, il existe une limite fixée par les lois de l'entropie et la deuxième loi de la thermodynamique.

Climatisation

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La climatisation (la clim) est un système qui fonctionne sur les mêmes principes de base que les pompes à chaleur, bien qu'ils nécessitent quelques composants différents. Les climatiseurs ne sont pas aussi polyvalents que les pompes à chaleur, car ils ne remplissent que la fonction de refroidissement. Ils sont toutefois plus pratiques dans de nombreux cas, car certains endroits sur Terre ne nécessitent pas de chauffage. Ils fonctionnent en effectuant essentiellement le même cycle de refroidissement que les pompes à chaleur.