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Technologie des pompes à chaleur

La chaleur circule naturellement d'une température élevée à une température plus basse. Les pompes à chaleur sont toutefois capables de forcer le flux de chaleur dans l'autre sens, en utilisant une quantité relativement faible d'énergie d'entraînement de haute qualité (électricité, carburant ou chaleur résiduelle à haute température). Les pompes à chaleur peuvent donc transférer à un bâtiment ou à une application industrielle la chaleur provenant de sources de chaleur naturelles dans l'environnement, telles que l'air, le sol ou l'eau, ou de sources de chaleur artificielles, telles que les déchets industriels ou domestiques. Les pompes à chaleur peuvent également être utilisées pour le refroidissement. La chaleur est alors transférée dans la direction opposée, de l'application refroidie vers un environnement à une température plus élevée. Parfois, l'excédent de chaleur provenant du refroidissement est utilisé pour répondre à une demande de chaleur simultanée.

Pour transporter la chaleur d'une source de chaleur à un puits de chaleur, une énergie externe est nécessaire pour faire fonctionner la pompe à chaleur. En théorie, la chaleur totale fournie par la pompe à chaleur est égale à la chaleur extraite de la source de chaleur, plus la quantité d'énergie d'entraînement fournie. Les pompes à chaleur électriques pour le chauffage des bâtiments fournissent généralement 100 kWh de chaleur avec seulement 20 à 40 kWh d'électricité. De nombreuses pompes à chaleur industrielles peuvent atteindre des performances encore plus élevées et fournir la même quantité de chaleur avec seulement 3 à 10 kWh d'électricité.

Comme les pompes à chaleur consomment moins d'énergie primaire que les systèmes de chauffage classiques, elles constituent une technologie importante pour la réduction des émissions de gaz nuisibles à l'environnement, tels que le dioxyde de carbone (CO2), le dioxyde de soufre (SO2) et les oxydes d'azote (NOx). Toutefois, l'impact global des pompes à chaleur électriques sur l'environnement dépend fortement de la manière dont l'électricité est produite. Les pompes à chaleur alimentées par de l'électricité provenant, par exemple, de l'énergie hydraulique ou des énergies renouvelables réduisent les émissions de manière plus significative que si l'électricité est produite par des centrales électriques au charbon, au pétrole ou au gaz.

Les deux principaux types de pompes à chaleur
Presque toutes les pompes à chaleur actuellement en service sont basées soit sur la compression de vapeur, soit sur un cycle d'absorption. Ces deux principes seront brièvement examinés dans les deux sections suivantes.

Théoriquement, le pompage de chaleur peut être réalisé par de nombreux autres cycles et processus thermodynamiques. Il s'agit notamment des cycles de Stirling et de Vuilleumier, des cycles monophasés (par exemple avec de l'air, du CO2 ou des gaz nobles), des systèmes de sorption solide-vapeur, des systèmes hybrides (combinant notamment le cycle de compression et d'absorption de vapeur) et des procédés électromagnétiques et acoustiques. Certains de ces systèmes arrivent sur le marché ou ont atteint une maturité technique et pourraient devenir importants à l'avenir.

Compression de vapeur
La grande majorité des pompes à chaleur fonctionnent selon le principe du cycle de compression de vapeur. Les principaux composants d'un tel système de pompe à chaleur sont le compresseur, le détendeur et deux échangeurs de chaleur appelés évaporateur et condenseur. Les composants sont reliés entre eux pour former un circuit fermé, comme le montre la figure 1. Un liquide volatil, appelé fluide de travail ou réfrigérant, circule dans les quatre composants.

Dans l'évaporateur, la température du fluide de travail liquide est maintenue à un niveau inférieur à la température de la source de chaleur, ce qui provoque un flux de chaleur de la source de chaleur vers le liquide, et le fluide de travail s'évapore. La vapeur provenant de l'évaporateur est comprimée pour atteindre une pression et une température plus élevées. La vapeur chaude pénètre ensuite dans le condenseur, où elle se condense et dégage de la chaleur utile. Enfin, le fluide de travail à haute pression est détendu à la pression et à la température de l'évaporateur dans le détendeur. Le fluide de travail est ramené à son état initial et entre à nouveau dans l'évaporateur. Le compresseur est généralement entraîné par un moteur électrique et parfois par un moteur à combustion.

Un moteur électrique entraîne le compresseur (voir figure 1) avec de très faibles pertes d'énergie. L'efficacité énergétique globale de la pompe à chaleur dépend fortement de l'efficacité de la production d'électricité. Ce point est abordé dans la section sur les performances de la pompe à chaleur. ›››
Lorsque le compresseur est entraîné par un moteur à gaz ou diesel (voir figure 2), la chaleur de l'eau de refroidissement et des gaz d'échappement est utilisée en plus de la chaleur du condenseur.
Les pompes à chaleur industrielles à compression de vapeur utilisent souvent le fluide de traitement lui-même comme fluide de travail dans un cycle ouvert. Ces pompes à chaleur sont généralement appelées recompresseurs mécaniques de vapeur, ou MVR ; voir la section sur les pompes à chaleur dans l'industrie. ›››

Figure 1 : Pompe à chaleur à compression de vapeur à cycle fermé, entraînée par un moteur électrique

Figure 1: Closed cycle, electric-motor-driven vapour compression heat pump

Figure 2 : Pompe à chaleur à compression de vapeur à cycle fermé, entraînée par un moteur.

Figure 2: Closed cycle, engine-driven compression heat pump

Figure 3 : Pompe à chaleur à absorption

Figure 3: Absorption heat pump

Absorption
Les pompes à chaleur à absorption sont à entraînement thermique, ce qui signifie que c'est la chaleur et non l'énergie mécanique qui alimente le cycle. Les pompes à chaleur à absorption destinées à la climatisation des locaux sont souvent alimentées au gaz, tandis que les installations industrielles sont généralement alimentées par de la vapeur à haute pression ou de la chaleur résiduelle.

Les systèmes d'absorption utilisent la capacité des liquides ou des sels à absorber la vapeur du fluide de travail. Les fluides de travail les plus courants pour les systèmes d'absorption sont les suivants :

de l'eau (fluide de travail) et du bromure de lithium (absorbant) ; et
ammoniac (fluide de travail) et eau (absorbant).

Dans les systèmes d'absorption, la compression du fluide de travail est réalisée thermiquement dans un circuit de solution qui se compose d'un absorbeur, d'une pompe de solution, d'un générateur et d'un détendeur, comme le montre la figure 3. La vapeur à basse pression provenant de l'évaporateur est absorbée par l'absorbant. Ce processus génère de la chaleur. La solution est pompée à haute pression et entre ensuite dans le générateur, où le fluide de travail est porté à ébullition à l'aide d'une source de chaleur externe à haute température. Le fluide de travail (vapeur) est condensé dans le condenseur tandis que l'absorbant est renvoyé dans l'absorbeur via le détendeur.

La chaleur est extraite de la source de chaleur dans l'évaporateur. La chaleur utile est dégagée à température moyenne dans le condenseur et dans l'absorbeur. Dans le générateur, la chaleur à haute température est fournie pour faire fonctionner le processus. Une petite quantité d'électricité peut être nécessaire pour faire fonctionner la pompe à solution.

Pour les transformateurs de chaleur, qui, grâce aux mêmes processus d'absorption, peuvent valoriser la chaleur perdue sans nécessiter de source de chaleur externe, voir la section sur les pompes à chaleur dans l'industrie.