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BUREAU DE RECHERCHES GÉOLOGIQUES ET MINIÈRES SERVICE GÉOLOGIQUE NATIONAL B.P. 6

BUREAU DE RECHERCHES GÉOLOGIQUES ET MINIÈRES SERVICE GÉOLOGIQUE NATIONAL B.P. 6009 - 45060 Orléans Cedex - Tél.: (38) 63.80.01 LES POMPES A CHALEUR par D. TOURNAYE Département géothermie B.P. 6009 - 45060 Orléans Cedex - Tél.: (38) 63.80.01 79 SGN 405 GTH Juin 1979 Réalisation : Département des Arts Graphiques R E S U M E Ce rapport (réalisé pour partie sur fonds propres B.R.G.M.) a pour but de décrire différents types de pompes à.chaleur, essentiellement celles pouvant s'insérer dans un projet de géothermie (pompes à chaleur indirectes à moteur électrique, et compresseur à pistons, à vis ou centrifuge ; pompes à chaleur à absorption ; pompes à chaleur à moteur thermique). Après avoir décrit ces différents types de pompes a chaleur, le rapport s'intéresse aux montages possibles de celles-ci dans un projet type géothermie profonde (CREIL par exemple). L'utilisation des pompes à chaleur sur nappe phréatique a été décrite ensuite compte tenu de l'intérêt que ce type de chauffage suscite à l'heure actuelle (problèmes d'énergie bien sûr, mais aussi publicité très active,,..). Le coût des pompes â chaleur est étudié pour une très large gamme de puissance : entre 13 000 et 5 000 000 kcal/h au condenseur. Ces coûts sont des coûts constructeurs recueillis en 1979. La comparaison entre les coefficients de performance des pompes à chaleur indirectes, semi-directes ou directes feront l'objet d'une rapide description, ainsi que le niveau de performances actuelles des pompes à chaleur industrielles (températures supérieures possibles, puissances, coefficients de performances). Enfin, le rapport donne une liste des principaux fabricants de pompes à chaleur. Le nombre de ces fabricants, notamment pour les petites puissances, est significatif de l'intérêt porté à l'heure actuelle à ce procédé. Chauffage à l'eau froide ? Oui mais sans oublier que les kWh élec- triques consommés au moteur de la pompe à chaleur pèsent lourds dans l'étude de rentabilité. Ceci devrait amener assez rapidement les constructeurs à développer les pompes à chaleur à compression à moteur thermique. TABLE DES MATIERES INTRODUCTION GENERALE } LES POMPES A CHALEUR EN GEOTHERMIE 5 a) Principe — b) Aspect théorique c) Diagramme réel de fonctionnement 10 LES DIFFERENTS TYPES DE COMPRESSEURS 12 a) Les compresseurs à pistons . . — b) Les compresseur à vis 14 o) Les compresseurs centrifuges — POMPE A CHALEUR A ABSORPTION 16 POMPES A CHALEUR A MOTEUR A GAZ 18 THERMOFRIGOPOMPE 19 SCHEMAS GENERAUX DE RACCORDEMENT DES PAC EN GEOTHERMIE 20 a) Raccordement direct de l'eau de forage sur l'êvaporateur de ta PAC sans échangeur statique 21 b) Raccordement de l'eau gêothermale sur l'êvaporateur de la PAC 22 c) Mise en ¿eu d'un circuit auxiliaire 23 d) Evaporateur situé sur le retour du secondaire 24 e) Choix du schéma de raccordement de la pompe à chaleur . . . 25 f) Raccordement des pompes à chaleur entre elles — OPTIMISATION DE LA POMPE A CHALEUR 26 EXEMPLE DE GAMME DE PUISSANCE 27 a) Compresseurs à pistons — b) Compresseurs à vis 28 UTILISATION DES PAC EN GEOTHERMIE 29 EXEMPLES D1INSTALLATIONS AVEC PAC a) L'exemple de CREIL - b) Chauffage par pompe à chaleur sur nappe phréatique . . . . 32 COUT DES POMPES A CHALEUR A MOTEUR ELECTRIQUE ET PUISSANCE ELECTRIQUE CONSOMMEE AU MOTEUR 36 a) Pompes à chaleur Série PISTONS 38 b) Pompes à chaleur Série compresseur a VIS 40 COMPARAISON DES COP ENTRE LES POMPES A CHALEUR (ANNEXE 1) 46 PERFORMANCES ACTUELLES DES POMPES A CHALEUR INDUSTRIELLES (ANNEXE 2) - 48 LES CONSTRUCTEURS DE POMPES A CHALEUR (ANNEXE 3) 51 - î INTRODUCTION GENERALE Le principe de la pompe à chaleur a été énoncé en 1852 par Lord Kelvin, qui proposait d'utiliser un compresseur comme "machine chauffante", au lieu des appareils à combustion. La première installation résidentielle à pompe à chaleur a été réalisée en Ecosse en 1927» L'idée directrice conduisant à la pompe à chaleur est la suivante : Plutôt que de brûler des combustibles ou d'utiliser directement de l'énergie électrique pour le chauffage des habitations, ne pourrait-on pas transférer la chaleur extérieure, notamment celle de l'air ou celle de l'eau à l'intérieur des locaux. On aurait ainsi des sources de chaleur "gratuites", et on ne craindrait pas de perturber l'équilibre naturel puisque ces transferts seraient compensés par les déperditions naturelles des locaux vers l'extérieur. La difficulté étant de faire passer la chaleur d'une source froide vers une source chaude, donc dans le sens du potentiel croissant; il faut donc distinguer les "pompes à chaleur" qui assurent ce type de transfert des systèmes récupéra- teurs de chaleur qui assurent le transfert dans le sens "naturel", c'est-à-dire d'une source chaude vers une source froide. DIFFERENTS SYSTEMES DE POMPE A CHALEUR - 2 - : AIR -AIR Ex h Inh EAU-AIR tër^a: SOL-AIR - 3 - LES DIFFERENTS SYSTEMES DE POMPE A CHALEUR AIR - AIR : C'est le cas général de tous les climatiseurs de type domestique ou commercial, où pendant le cycle de chauffage, les calories sont empruntées à 1'air extérieur. La source de chaleur est gratuite et disponible en tous temps. Le handicap de ce système est que la source "froide" (1'air extérieur) est à la température la plus basse au moment où les besoins de calories à l'inté- rieur sont les plus importants, ce qui conduit souvent à un complément d'apport calorifique par temps très froid, au moyen le plus souvent de résistance électri- que d'appoint, ou alors à surdimensionner l'installation. Un autre problème peut aussi se poser : Le. gújiage. de. V EAU - AIR : La source froide peut alors être : L'eau - d'an Lac d'an POAXA de. ¿CL men. EAU - EAU : Le fluide frigorigène transmet alors les calories récupérées sur le fluide "froid" à l'eau du réseau secondaire (réseau de chauffage intérieur). L'intérêt est de disposer de sources de chaleur plus stables que dans le système aJji - OJJI. C'est le système utilisé pour les installations de grosses puissances. - 4 - SOL - AIR : Peut être utilisé, mais les possibilités sont médiocres pour diffé- rentes raisons : Giotog-iz locale. Conditions cJUma£À.quz& du Lieu et kmXxüX.1 du &ol de. QfULndoj, ¿uA^acej» d'ichange. au Yiiveau. du bol (a 7,5 à 2 m de. pfiofiondeuA. ; um pux¿> glande, pio^ondeun. d' en^ouÁJ>¿emznt behalt pio.iVux.btz, nn¿¿ guzve/iouut lourdement le. coût d'une. ¿n&taLLcuLLon). AIR - EAU : Aménagement des procédés précédents. - 5 - LES POMPES A CHALEUR : Utilisation en Géothermie I - LES POMPES A CHALEUR EN GEOTHERMIE ; POMPES A CHALEUR A COMPRESSION Nous n'aborderons dans un premier temps que les pompes à chaleur à compression, c'est-à-dire un matériel disponible sur le marché et d'une technique éprouvée. a) VhÀyiçJupo. : Grâce à 1 'énergie mécanique ou "pompe" des calories à une source à température modérée, pour les restituer à une température plus élevée au moyen d'un fluide de transfert. Un réfrigérateur est une pompe à chaleur (l'arrière d'un réfrigérateur dégage de la chaleur). Dans la pompe à chaleur, le fluide frigorigène suit un cycle en 4 phases essentielles : - t'evaporation - la compn.e¿>¿lon - la condensation - la dítente.. On évapore dans un premier temps un liquide à basse température dans un échangeur E : 1'évaporateur, en lui fournissant une quan- tité de chaleur Ql. Les liquides utilisés sont : - ¿oit Vammonlic poaK IZA QKOÍ&U ¿nÁtaluvUxm¿ corme. L de. La. UaM>on de. ta. Radio, da meX.ha.ne.), - ou. bien encono, da batane., - oa de. l'l&obatane.. - 6 - Condenseur K W Compresseur C Source chaude Détendeur Moteur Source froide Evaporation E toi liquide gaz - 7 - Le compresseur C aspire le gaz et le comprime en effectuant ainsi un travail VI. Le gaz va s'échauffer et la température prise par ce gaz est celle à laquelle il aurait fallu le porter pour obtenir la pression sous laquelle il se trouve à volume constant, il sera d'autant plus chaud que le taux de compression sera élevé. Le compresseur refoule ensuite ces vapeurs dans le condenseur K où elles se condensent. Cette condensation est faite en abandonnant la chaleur latente de vaporisation (^ Le liquide provenant de la condensation des vapeurs est renvoyé à 1'évaporateur en passant par un organe de réglage (détendeur). Le liquide s'évapore à nouveau dans 1'évaporateur E et le cycle recommence. b) A&pexit Les états successifs d'un fluide frigorigène utilisé dans un système de réfrigération simple ou à inversion de cycle peuvent être représentés graphiquement sur différents diagrammes. Diagramme Pression-Volume (dit de Clapeyron), C T2 D 4 - B Tl A La loi de Mariotte donne : ?V = RT R = Constante. avia.c£ésU¿£¿que. du gaz T = TmpVuvtusiQ. absolue.. Toutefois, ce diagramme ne permet pas de se rendre compte des diverses transformations subies par le fluide. - 8 - - Diagramme "Entropique" (ou diagramme t.s.) L'entropie "S", c'est la quantité de chaleur reçue ou enlevée d'un fluide» sans modification de la température. S = T 2 T l 0 SI S2 Sur ce diagramme, si la pompe à chaleur était parfaite et le fluide un gaz parfait, le cycl'e serait uploads/Industriel/ 79-sgn-405-gth-pdf.pdf