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1 I. Introduction Une pompe à chaleur est un dispositif thermodynamique permett

1 I. Introduction Une pompe à chaleur est un dispositif thermodynamique permettant de transférer la chaleur du milieu le plus froid (et donc le refroidir encore) vers le milieu le plus chaud (et donc de le chauffer), alors que spontanément la chaleur se diffuse du plus chaud vers le plus froid jusqu'à l'égalité des températures. Le réfrigérateur est le système de pompe à chaleur le plus connu. Le climatiseur est un autre système de pompe à chaleur courant. Les deux servent à produire du « froid » plus que de la chaleur : la chaleur qu'ils génèrent est perdue. Mais le terme de « pompe à chaleur » (PAC) s'est surtout diffusé pour désigner la pompe à chaleur géothermique ou la pompe à chaleur air-eau, système de chauffage domestique popularisé en France suite au premier choc pétrolier en 1973. Dans certains pays dont la France, des incitations fiscales soutiennent la diffusion de certains modèles de pompe à chaleur air-eau. Ces systèmes regagnent en popularité depuis l'an 2000, notamment en raison de la construction de nombreuses piscines. 2 II. Historique Le principe de la pompe à chaleur n'est pas tout récent c'est la naissance de la thermodynamique qui jettera les bases à partir de 1832 des diverses règles qui définiront les lois de la pompe à chaleur, de grands chercheurs comme Sadi Carnot, James Prescott Joule, Lord Kelvin, Rudolf Clausius en seront les précurseurs. Jacob Perkins en 1834 réalise les premières machines de réfrigération avec de l’éther comme réfrigérant, ce sont les Américains qui dès 1920 s'intéressent à la climatisation, Willis Haviland Carrier invente la première machine centrifuge de réfrigération, le conditionneur d’air s’installe dans la vie quotidienne, les magasins, les cinémas… et l'on commence à réfléchir à la récupération de l'énergie perdue par les installations de froid commerciales (condenseur). Mais c'est dans les années 1950 aux États-Unis que le développement de cette technique a été spectaculaire tant dans l'industriel que pour le particulier, fin des années 50 l’industrie automobile américaine introduit la climatisation dans ces véhicules, En Europe le développement a été bien moins rapide, car c'est à partir des années 1970 et le premier choc pétrolier que tout démarre... enfin par des installations ponctuelles, les incidents de fonctionnement étaient nombreux, la fiabilité du matériel n'étant pas au rendez-vous, il fallait que les constructeurs fassent leurs armes. L'expérience américaine a quand même profité à l'Europe car un grand nombre de pièces détachées provenaient des USA et c'est vers la fin des années 1970 que les fabricants offriront a leurs clients des pompes à chaleur enfin fiable avec des coefficients de performances intéressants. Le début des années 80 furent le début d'une expansion importante avec l'apparition sur le marché Européen des constructeurs Japonais, l'esthétique, le niveau sonore, les performances deviennent des arguments forts auprès des particuliers qui investissent dans ce système de chauffage avec moins de réticence qu'auparavant. De nos jours bien, la fiscalité, l’écologie, le prix sont des critères de choix importants, mais ne perdons pas de vue que ce sont les performances, la fiabilité qui garantiront la pérennité de nos installations. III. L’objectif de TP L’objectif principal de cette manipulation est d’identifier tous les composants de la machine et de déterminer la puissance consommée, chaleur produite et le coefficient de performance de la pompe à chaleur (L’eau est utilisée comme source de chaleur). 3 IV. Définition pompe à chaleur eau/eau Les pompes à chaleur eau-eau peuvent être classées dans la famille des pompes à chaleur géothermiques. Mais elles sont plus exactement du type hydrothermique puisqu'elles puisent de la chaleur dans une nappe phréatique, dans un lac (comme c'est le cas pour une partie de la ville de Zurich) ou dans un cours d'eau. V. Principe de fonctionnement Dans la pompe à chaleur circule ce qu’on appelle un fluide caloporteur (aussi : frigorigène, voir ci-dessous), qui transporte la chaleur. 1. Compresseur : la vapeur produite dans l’évaporateur est aspirés dans le compresseur qui la comprime à haute pression et donc à température plus élevée et la presse dans le condenseur. 2. Condenseur : c’est au niveau du condenseur que la vapeur surchauffée transmet sa chaleur au circuit a eau du chauffage. La vapeur condense au niveau de son tube, réchauffant ainsi l’eau de chauffage. Le fluide caloporteur, toujours comprimé, redevient liquide. L’évaporateur et le condenseur sont des échangeurs de chaleur. 3. Soupape de détente (détendeur) : le fluide caloporteur à l’état liquide retourne à l’évaporateur par la soupape de détente. La soupape de détente réduit la pression créée dans le compresseur, ce qui refroidit le fluide caloporteur et permet la poursuite du cycle. 4. Evaporateur : la source de chaleur (de l’air, de l’eau, de la terre, etc.) est conduite à l’évaporateur, p.ex. au moyen d’une saumure (eau/antigel) depuis une sonde terrestre ou directement à partir de l’air. La chaleur est transmise au fluide actif <<refroidi>> (sous-pression après la soupape de détente), provoquant ainsi son évaporation. 4 Comment fonctionnement correct d’une pompe à chaleur eau-eau ?? Pour le fonctionnement correct d’une pompe à chaleur eau-eau, deux puits doivent être forés près de l’habitation, un puits de pompe et un puits de retour (également appelé puits d’évacuation). Ces puits se trouvent à une profondeur de 25 à 150 mètres. La profondeur dépend de la composition du sol. Du puits de pompe, la nappe phréatique est pompée et menée vers l’évaporateur de la pompe à chaleur. Ici, la nappe phréatique donne sa chaleur au système. Puis, l’eau refroidie est menée vers la nappe phréatique via le puits de retour. Pendant ce processus, l’eau ne peut pas entrer en contact avec le plein air, parce qu’il y aurait autrement de l’oxydation et du dépôt calcaire. Les puits sont, pour cette raison, étanchés professionnellement. La pompe à chaleur eau-eau constitue le cœur du système. A l’aide d’une petite quantité d’électricité, il peut retirer la chaleur de la nappe phréatique et, puis, l’utiliser afin de générer encore plus de chaleur. De cette façon, l’habitation et l’eau sanitaire sont réchauffées.  Avantages pompe à chaleur eau-eau : 1. Le rendement de ce système est le plus élevé, en comparaison avec les autres systèmes de pompes à chaleur. Ceci se fait parce que la température de la nappe phréatique est presque constante. Dans la plupart des cas, la température en est de 10 à 14°C. A une profondeur de 50 mètres ou plus, la température de la nappe phréatique n’est plus influencée par les conditions atmosphériques. Eté ou hiver, la température est toujours presque constante. 2. Le système n’est pas extrêmement grand et ne prend donc pas beaucoup d’espace. De cette façon, il y a besoin de peu de superficie de sol. 3. L’eau qui est pompée peut, si voulu, être utilisée partiellement afin d’actionner la chasse d’eau ou afin d’arroser le jardin. 4. Pendant l’été, le système peut refroidir l’habitation d’une manière naturelle. La température de la nappe phréatique est beaucoup plus basse que la température à l’intérieur. Nous parlons ici de ‘natural cooling’. 5  Désavantages d’une pompe à chaleur eau-eau : 1. Les forages qui sont nécessités afin de faire les puits coûtent beaucoup. Deux forages coûtent au moins 8000 euros. Le prix de forages est, cependant, regagné au long terme par le bénéfice d’énergie. 2. Le plus profondément que se trouve la nappe phréatique, le plus profond que l’on doit creuser. Ceci implique plus de frais. Ça coûte également plus d’électricité afin de pomper la nappe phréatique qui se trouve très profondément. 3. Vous avez besoin d’une autorisation afin de pouvoir pomper la nappe phréatique. Vous devez également payer une taxe de nappe phréatique. Heureusement, vous pouvez demander une exemption pour l’eau pompée que vous faites couler de nouveau. VI. Description pompe à chaleur eau/eau 1. Compresseur. 2. Support pivotant du réservoir rouge d'eau de la source chaude. 3. Condenseur. 4. Épurateur : Filtre le fréon liquide des bulles de gaz qu'il contient. 5. Détendeur. 6. Capteur de température du détendeur avec isolation thermique. 7. Évaporateur. 8. Support pivotant du réservoir bleu d'eau de la source froide. 9. Serpentin qui empêche la transmission des vibrations du compresseur à l'ensemble du montage. 10. Pressostat : Arrête le compresseur quand la pression côté condenseur dépasse 16 bar. 11. Capteurs de température au niveau des tuyaux en cuivre du circuit. 12. Manomètre côté basse pression 13. Manomètre côté haute pression. 6 VII. LE DIAGRAMME ENTHALPIQUE- LE CYCLE THERMODYNAMIQUE Rôle Le diagramme enthalpique nous permettra de tracer le cycle frigorifique de notre machine et d'en déterminer différentes grandeurs. Nous pourrons, désormais, calculer une puissance frigorifique et calorifique et connaître l'état du fluide en différents endroits. Diagramme (R134-a) Figure : Cycle Frigorifique de Rankine réel 7 VIII. Coefficient de performance La performance d'une pompe à chaleur réversible est exprimée par son coefficient de performance (COP) en mode "chauffage". Par contre, en mode "rafraîchissement" elle est exprimée par son coefficient d'efficacité frigorifique (EER). Ce coefficient est égal au rapport entre l'énergie thermique prélevée au niveau l'évaporateur et l'énergie utilisée pour faire fonctionner la pompe à chaleur. IX. Partie expérimentale uploads/Geographie/ pompe-a-chaleur 1 .pdf