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Fonctionnement thermodynamique d'une pompe à chaleur

Pour comprendre le principe thermodynamique permettant de transférer de l'énergie du froid vers le chaud, nous allons étudier le trajet d'un kilogramme de fluide frigorigène tout au long d'un cycle dans l'ensemble compresseur, condenseur, détendeur et évaporateur.

Nous allons pour cela prendre l'exemple d'une pompe à chaleur équipée de R410A, avec un condenseur à 40 °C et un évaporateur à 0 °C. Voici tout d'abord, à titre de rappel, le schéma général d'une pompe à chaleur.

a ) Passage dans le condenseur : Energie fournie au système de chauffage : 257 kJ

Nous prenons donc notre kilogramme de R410A à la sortie du compresseur, il est alors à l'état gazeux, à 40 °C, à une pression de 24 bars. Il arrive alors dans le condenseur où il passe à l'état liquide, et ressort, à 40 °C. En se liquéfiant, il a libéré une énergie de 257 kJ dans le circuit de chauffage.

b ) Passage dans la vanne d'expasion : Energie perdue dans la nature : 1,7 kJ

Il arrive alors à la vanne d'expansion, et y passe d'une pression de 24 bars à une pression de 7 bars. Notre kilogramme ayant un volume d'environ 1 litres, il libère une énergie de 1,7kJ. Cette énergie est perdue. Mais on constate qu'elle est très petite devant celle fournie au système, en effet, le R410A est liquide lors de sont passage dans la vanne, donc c'est un petit volume qui se décomprime, comparer au volume qu'il représente lorsqu'il est à l'état gazeux.

c ) Passage dans l'évaporateur : Energie prise à l'extérieur : 190 kJ

Puis le R410A arrive alors dans l'évaporateur, à 40°C et une pression de 7 bars (voir note 1), il y passe alors à l'état de gaz, avec une température de 0°C. On peut décomposer ceci en deux étapes, tout d'abord, le liquide se refroidit en passant de 40°C à 0°C, il donne alors une énergie d'environ 67 kJ à l'évaporateur, puis il consomme ensuite une énergie de 257 kJ pour passer à l'état de vapeur. Donc au final, le gaz à pris 190 kJ d'énergie dans l'évaporateur, c'est-à-dire à l'extérieur. Notre kilogramme de R410A sort donc de l'évaporateur à l'état gazeux avec une pression de 7 bars et une température de 0 °C.

d ) Passage dans le compresseur : Energie électrique consommée : 76 kJ

Le R410A arrive alors au compresseur, il y rentre avec une pression de 7 bars et une température de 0 °C, et en sort avec une pression de 24 bars et une température de 40 °C. Hé oui, lorsque l'on comprime du gaz, il chauffe ! Le compresseur ne prend ni ne donne d'énergie thermique, la transformation est dite "abatique". Pour réaliser cette transformation, le compresseur doit fournir un travail de 65,3 kJ. Cependant un compresseur ne transforme pas toute l'énergie électrique qu'il reçoit en compression pour le gaz, mais seulement au mieux 85 % (le reste fait chauffer le moteur). Il consomme donc 76 kJ (65.3 / 0.85). Et voilà donc notre kilogramme revenu au point de départ.

Conclusion : Rendement de 3,4

On constate qu'au final, il a fourni 257 kJ au système de chauffage, mais n'a consommé que 76 kJ d'énergie électrique. Il y a donc un rendement de 257 / 76 = 3,4. Voici donc comment une pompe à chaleur peut fournir plus d'énergie qu'elle n'en consomme.

note 1 : En réalité, Du R410A ne peut pas être à 40°C, liquide et à 7 bars, une partie s'évapore instantanément, mais au final, la thermodynamique nous apprend que cela ne change rien au calcul de l'énergie consommée.

pompe à chaleur