La pompe à chaleur Air Eau : comment ça marche ?

Cet appareil de chauffage en vogue, et plébiscité pour son utilisation de l’énergie renouvelable qu’est l’air, reste souvent un mystère quant à son principe de fonctionnement. En parcourant cet article vous comprendrez le principe qui se cache derrière les pompes à chaleur Air Eau.

Une pompe à chaleur air eau absorbe les calories de l’air extérieur grâce au caractère endothermique de la réaction d’évaporation d’un fluide frigorigène. Elle distribue les calories à l’eau du réseau domestique grâce à la propriété exothermique de la condensation du même fluide frigorifique.

La définition ci-dessus c’est la manière « compliquée » d’expliquer mais on peut tout à fait vulgariser, et lorsque c’est compris on peut entrer dans le détail

Le principe de fonctionnement de la PAC Air Eau vulgarisé.

Analogie du frigo

On a tous un frigo à la maison. Si on veut que ça marche, c’est plutôt conseillé de laisser la porte fermée. La raison est simple et on en a tous conscience de manière intuitive. C’est parce qu’il faut limiter la taille du volume a refroidir. On veut uniquement refroidir les aliments qui sont dans le frigo.

Mais que se passe t’il si on ouvre la porte du frigo ? On se doute bien que les aliments vont se réchauffer au contact de l’air ambiant. Le frigo fonctionne toujours car il ne sait pas que la porte est ouverte. Par conséquent sans le savoir, il tente de refroidir un volume beaucoup trop grand pour son petit compresseur, il essaie de refroidir la pièce entière.

Le résultat c’est que son petit compresseur travaille sans cesse. Il regarde la consigne qu’il faut atteindre, et tant qu’il n’est pas arrivé au but, il continue. Et le condenseur qui se trouve dans le dos de votre frigo fonctionne à plein. Ca condense, ça condense, donc ça chauffe car la condensation est une réaction qui dégage de la chaleur (exothermique).

Votre frigo est devenu un chauffage : il a devant lui le volume de la pièce à refroidir vue que sa porte est ouverte. Pour lui c’est quasiment infini et impossible à refroidir. Donc il tourne en boucle et chauffe par condensation.

C’est le même principe qui s’applique pour chauffer votre maison avec une pompe à chaleur. Sauf qu’on « ouvre pas la porte » sur le volume de la pièce, mais carrément sur tout l’environnement extérieur, le jardin..la planète quoi. Donc on a une source « infinie » à refroidir. Du coup il est possible de chauffer la maison par condensation au niveau du condenseur sur l’eau du réseau domestique : le fluide frigorifique y redistribue les calories prélevées dans l’air extérieur.

Contre-intuitif de prendre les calories d’un air froid

Cela peut paraître contre-intuitif de chauffer une pièce en utilisant l’énergie de l’air extérieur, alors que dehors il fait super froid en hiver (-10 / -15°C). Et que c’est justement en hiver que ça doit chauffer le plus.

Mais il faut savoir que quelque soit la température de l’air, il contient toujours des calories que l’on peut pomper. Bien sûr, plus il est froid et sec, moins il contient de calories, et c’est pourquoi les pompes à chaleur fonctionnent un peu moins bien en hiver. C’est à dire qu’elles consomment plus d’électricité pour fournir la même quantité de chauffage.

Ce fait nous apparait naturellement contre-intuitif car nous savons instinctivement que la chaleur passe toujours du milieu le plus chaud vers le milieu le plus froid. Vous savez que si vous ouvrez la fenêtre en hiver en pleine nuit, vous allez très vite greloter car toute la chaleur de la maison sera partie par la fenêtre.

La magie de la pompe à chaleur c’est de réussir le passage inverse ! C’est à dire le passage de la chaleur du milieu le plus froid vers le milieu le plus chaud. C’est de là que vient le terme de « pompe à chaleur » car on pompe la chaleur dans le milieu naturel. Elle lutte contre ce passage naturel du chaud vers le froid, tout comme la pompe d’un puits parvient à vaincre la gravité en faisant passer l’eau de son point d’énergie potentielle le plus bas vers un point d’énergie potentielle plus haut.

Plus de détails sur le fonctionnement de la pompe à chaleur air eau

Vous devriez avoir saisi de manière intuitive le principe de la pompe à chaleur air eau en lisant les deux premiers paragraphes. Maintenant, entrons dans le détail. Par quel mystère la pompe à chaleur parvient-elle à renverser le principe naturel du transfert thermique ?

Le fluide frigorifique : chef d’orchestre de la pompe à chaleur

La magie de la pompe à chaleur est due en grande partie à la propriété des fluides frigorifiques de s’évaporer à des températures très basses et donc de capter l’énergie du milieu naturel même en hiver.

On sait tous que l’eau, qui est le fluide naturel le plus répandu, s’évapore vers les 100°C. Mais ça c’est valable seulement dans des conditions standards, c’est à dire à pression atmosphérique 1013 HPa. Elle passe alors de l’état liquide à l’état vapeur, on dit qu’elle s’évapore. Cette réaction d’évaporation est dite endothermique, c’est à dire qu’elle absorbe une quantité d’énergie (des calories) à l’environnement dans lequel elle se déroule.

Cependant si on est en haut du mont Everest, la pression atmosphérique n’est pas du tout la même : elle diminue de quasi 3 fois (environ 350HPa). L’eau s’évapore beaucoup plus vite, en l’occurrence dès environ 70°C. Cela illustre le fait qu’on puisse jouer sur la pression d’un fluide et ainsi moduler sa température d’évaporation.

On peut vite faire le rapprochement avec la pompe à chaleur. Si on parvient à moduler la pression du gaz frigorigène selon nos souhaits, alors nous pourrons le faire évaporer à la température que nous voudrons, et en l’occurence nous voulons qu’il s’évapore à la température de l’air extérieur, dans le but de capter ses calories.

Prenons l’exemple du gaz frigorifique R32 qui sera bientôt dans toutes les PAC résidentielles, puisque le R410A va doucement vers une interdiction programmée (2025) et que tous les constructeurs s’y sont mis. Sa température d’ébullition (évaporation) est de -51.7°C à la pression atmosphérique. Si on est en Sibérie c’est bien, mais on est quand même pas en Sibérie, donc il va falloir qu’on module la pression pour que ça s’évapore quand il fait -6°C par exemple. Il va falloir qu’il monte vers les 6500HPa pour cela.

C’est pour cette raison que dans les systèmes de pompes à chaleur, en plus des échangeurs thermiques (évaporateur sur l’air + condenseur sur l’eau), on a deux organes qui permettent de moduler la pression du fluide. Il s’agit du compresseur, et du détendeur. Ceux-ci sont placés respectivement après et avant l’évaporateur et ils permettent de créer une régulation adaptative de la pression du gaz pour que quelque soit la température dehors, le gaz puisse s’évaporer comme il se doit et capter le max. de calories (selon le besoin en chauffage)

Cas particulier de la pompe à chaleur air eau

Pour une PAC aérothermique, les calories sont captées sur l’air extérieur, au niveau de l’évaporateur. Elles sont rendues sur le réseau d’eau domestique par l’intermédiaire d’un condenseur à eau, Dans ce dernier, il y a d’un côté le fluide frigorigène qui passe, et de l’autre côté l’eau. L’échange thermique à lieu au travers des parois de l’échangeur, et il n’y a bien sûr aucun contact entre l’eau et le fluide frigorigène.

Certaines marques utilisent un échangeur à plaques pour fabriquer le condenseur, tandis que d’autres utilisent un condenseur coaxial, généralement plus fiable et durable, et entraînant moins de maintenance.

Dans le cas d’une pompe à chaleur split (groupe intérieur et groupe extérieur séparés), le condenseur est dans le module intérieur. Le fluide frigorigène circule entre le module intérieur et le module extérieur.

Dans le cas d’une pompe à chaleur monobloc (tout est dans le groupe extérieur) le condenseur est dehors dans le groupe et il circule de l’eau entre le groupe et l’intérieur de la maison. L’eau récupère la chaleur du condenseur et l’échange au niveau du ballon tampon dans le local technique, par le biais d’un échangeur.

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