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1 Auteurs : Me Béatrice JOURDON Professeur de Génie Electrique M Abdoulaye NDIA

1 Auteurs : Me Béatrice JOURDON Professeur de Génie Electrique M Abdoulaye NDIAYE Professeur de Physique Appliquée au Lycée Paul LANGEVIN de MARTIGUES (Bouches du Rhône) 2 SOMMAIRE : 1 THEORIE DE FONCTIONNEMENT ...................................................... 6 1.1 Rappels de thermodynamique .......................................................... 6 1.1.1 Notions fondamentales ................................................................................................................ 6 1.1.1.1 Système thermodynamique .................................................................................................... 6 1.1.1.2 Variables et équations d’états .............................................................................................. 7 1.1.1.3 Evolution d’un système ............................................................................................................ 8 1.1.1.4 Gaz parfaits / Gaz réels ......................................................................................................... 8 1.1.2 Énergie, travail et chaleur .......................................................................................................... 9 1.1.2.1 Énergie ......................................................................................................................................... 9 1.1.2.2 Travail .......................................................................................................................................... 9 1.1.2.3 Chaleur ....................................................................................................................................... 10 1.1.3 Le premier principe ..................................................................................................................... 10 1.1.4 L’enthalpie....................................................................................................................................... 11 1.1.5 Le second principe ........................................................................................................................ 11 1.1.6 Thermodynamique des systèmes ouverts ............................................................................ 13 1.1.6.1 Premier et second principes pour un système ouvert ................................................. 13 1.1.6.2 Application à la détente de JOULE-KELVIN ................................................................. 14 1.1.6.3 Application au compresseur à piston ................................................................................ 15 1.1.7 Quelques propriétés des corps purs ..................................................................................... 16 1.1.7.1 Les différents états d’un corps pur ................................................................................. 16 1.1.7.2 Diagramme d’équilibre d’un corps pur ............................................................................... 17 1.1.7.3 Chaleur latente ou enthalpie de transition de phase ................................................... 18 1.1.7.4 Formule de Clapeyron ............................................................................................................ 19 1.1.7.5 Application à l’équilibre liquide - gaz d’un gaz réel ...................................................... 20 1.1.7.6 Les diagrammes thermodynamiques ................................................................................. 22 1.1.7.6.1 Généralités ........................................................................................................................ 22 1.1.7.6.2 Le diagramme entropique ............................................................................................. 22 1.1.7.6.3 Le diagramme enthalpique ............................................................................................ 23 1.2 Principe de fonctionnement de la Pompe À Chaleur (PAC) .......................... 24 1.2.1 Les machines thermiques ......................................................................................................... 24 1.2.1.1 Généralités et classification .............................................................................................. 24 1.2.1.2 Les machines génératrices d’énergie thermique .......................................................... 24 1.2.1.2.1 Généralités ........................................................................................................................ 24 1.2.1.2.2 Machine ditherme, tritherme ..................................................................................... 25 1.2.2 Les Coefficients de Performance d’une pompe à chaleur .............................................. 25 1.2.2.1 Définition ................................................................................................................................. 25 1.2.2.2 COP d’une PAC ditherme idéale ......................................................................................... 25 1.2.2.3 COP d’une PAC tritherme idéale ....................................................................................... 27 1.2.3 Les Technologies des pompes à chaleur .............................................................................. 29 1.2.3.1 Les phénomènes de transfert thermique ....................................................................... 29 1.2.3.2 Les différents types de PAC.............................................................................................. 30 1.2.4 Cycles de fonctionnement d’une PAC ..................................................................................... 31 3 1.2.4.1 Généralités ............................................................................................................................... 31 1.2.4.2 Cycles à compression mécanique de vapeur .................................................................... 31 1.2.4.2.1 Le cycle idéal ..................................................................................................................... 31 1.2.4.2.2 Quelques grandeurs caractéristiques du cycle idéal ........................................... 33 1.2.4.2.2.1 Bilan des échanges de chaleur et de travail ................................................... 34 1.2.4.2.2.2 Le Coefficient de performance théorique ...................................................... 34 1.2.4.2.2.3 Bilan global ................................................................................................................ 34 1.2.4.2.3 Cycle réel à compression mécanique de vapeur liquéfiable ................................ 34 1.2.4.2.3.1 Ecarts par rapport au cycle théorique ............................................................. 34 1.2.4.2.3.2 Le cycle réel ............................................................................................................. 36 1.2.4.3 Cycle à compression thermique de vapeur ..................................................................... 37 1.2.4.3.1 Introduction ..................................................................................................................... 37 1.2.4.3.2 Le cycle à absorption ..................................................................................................... 38 1.2.4.4 Cycle thermodynamique à air ............................................................................................. 38 1.2.5 Caractéristiques réelles de la PAC à compression mécanique ...................................... 40 1.2.5.1 Chaleur et puissance calorifiques produites au condenseur ..................................... 40 1.2.5.2 Chaleur et puissance calorifiques extraites à l’évaporateur .................................... 40 1.2.5.3 Travail et puissance absorbées par le compresseur .................................................... 41 1.2.6 COP d’une PAC réelle à compression mécanique de vapeur ............................................. 41 1.2.6.1 Le coefficient de performance réel ................................................................................. 41 1.2.6.2 Les facteurs influents du COP............................................................................................ 41 1.2.6.3 Le COP global .......................................................................................................................... 42 1.2.6.4 Le coefficient d’exploitation .............................................................................................. 42 1.2.6.5 Le rendement de cycle ......................................................................................................... 42 1.3 Les fluides frigorigènes ............................................................... 43 1.3.1 Terminologie et nomenclature ................................................................................................ 43 1.3.1.1 Les composés inorganiques ................................................................................................. 43 1.3.1.2 Les composés organiques ..................................................................................................... 43 1.3.1.2.1 Les corps purs .................................................................................................................. 43 1.3.1.2.2 Les mélanges ..................................................................................................................... 44 1.3.1.2.3 Protection de l’environnement .................................................................................... 44 1.3.2 Critères de choix........................................................................................................................ 45 1.3.3 Les fluides thermodynamiques utilisés dans les cycles de PAC ................................... 46 2 TECHNOLOGIE ET CLASSIFICATION DES PAC ..................................... 48 2.1 Technologie des PAC .................................................................. 48 2.1.1 Le système à compression ....................................................................................................... 48 2.1.1.1 L’ évaporateur et le condenseur : l’échangeur de chaleur ......................................... 49 2.1.1.2 Le compresseur ...................................................................................................................... 50 2.1.1.3 Le détendeur ............................................................................................................................ 51 2.1.2 Le système à absorption .......................................................................................................... 53 2.1.3 Critères de choix. ...................................................................................................................... 54 2.2 Classification des PAC ................................................................. 55 2.2.1 Les PAC air / air ......................................................................................................................... 57 2.2.1.1 Procédé air extrait / air : ................................................................................................... 57 4 2.2.1.2 Procédé air extérieur / air : .............................................................................................. 57 2.2.2 Les PAC air / eau ........................................................................................................................ 57 2.2.2.1 Procédé air extrait / eau & plancher (hiver / été) : ................................................... 57 2.2.2.2 Procédé air extérieur / eau & ventilo-convecteurs .................................................... 57 2.2.2.3 Procédé air extérieur / eau & plancher (hiver / été) : .............................................. 58 2.2.3 Les PAC eau / eau ....................................................................................................................... 58 2.2.3.1 Procédé eau / eau & plancher (hiver / été) : ................................................................. 58 2.2.3.2 Procédé eau / eau & ventilo-convecteurs (hiver / été) : ........................................... 58 2.2.4 Les PAC eau /air ......................................................................................................................... 59 2.2.5 Les PAC géothermiques ............................................................................................................ 59 2.2.5.1 Procédé à détente directe ou « sol-sol » ....................................................................... 59 2.2.5.2 Procédé avec fluide intermédiaire ou « eau glycolée-eau » ..................................... 60 2.2.5.3 Procédé mixte ou « sol-eau » ............................................................................................. 60 2.2.5.4 Procédé sur capteurs enterrés & plancher (hiver / été) ........................................... 61 2.2.5.5 Procédé sur capteurs enterrés & ventilo-convecteurs (hiver / été) ...................... 61 2.2.5.6 Procédé sol / air ...................................................................................................................... 61 2.3 Critères Economiques .................................................................. 62 2.3.1 Les primes et la subvention de l'ANAH .............................................................................. 62 2.3.2 Des aides d'EDF ......................................................................................................................... 62 2.3.3 Des incitations fiscales ............................................................................................................ 62 2.3.4 Coûts à titre indicatif ............................................................................................................... 63 2.3.4.1 Prix en € TTC ........................................................................................................................ 63 3 LIMITES DE FONCTIONNEMENT DES PAC .......................................... 64 3.1 Limites liées aux fluides frigorigènes ................................................ 64 3.2 Limites liées à la source et au milieu ................................................ 65 3.3 Limites liées aux températures minimales et maximales de fonctionnement ....... 66 4 APPLICATIONS DE LA PAC ............................................................. 67 4.1 Impacts sur l’environnement .......................................................... 67 4.1.1 La couche d’ozone ....................................................................................................................... 67 4.1.2 L’effet de serre .......................................................................................................................... 67 4.2 Applications pédagogiques ............................................................. 68 4.2.1 Dimensionnement et choix ....................................................................................................... 68 4.2.2 Régulation de puissance ............................................................................................................ 69 4.2.2.1 Régulation tout ou rien TOR ............................................................................................... 70 4.2.2.2 Variation de vitesse .............................................................................................................. 70 5 BIBLIOGRAPHIE ET LIENS INTERNET ............................................... 72 5.1 Bibliographie ........................................................................... 72 5 5.2 Liens hypertexte ...................................................................... 73 6 ANNEXES ................................................................................ 74 6 Introduction Une pompe à chaleur (PAC) est une machine thermodynamique destinée à assurer le chauffage d’un local ou d’un système à partir d’une source de chaleur externe dont la température est inférieure à celle du local ou du système à chauffer. C’est donc un système de chauffage qui transfère des calories d’un milieu à bas niveau de température vers un milieu où la température doit être supérieure. L’écoulement naturel de la chaleur s’effectuant toujours d’un corps chaud vers un corps froid, on peut définir également la pompe à chaleur comme un matériel permettant de réaliser l’écoulement de chaleur inverse du sens naturel, c’est–à–dire d’un milieu froid vers un milieu chaud. Une dépense d’énergie sera bien entendu inévitable pour réaliser ce transfert inverse. L’énergie nécessaire pour assurer le transfert doit être inférieure à l’énergie calorifique utile pour que le système ait un quelconque intérêt. 1 THEORIE DE FONCTIONNEMENT La thermodynamique technique applique les premier et second principes aux machines thermiques. Les moteurs à combustion, la liquéfaction de gaz, l’industrie frigorifique, le fonctionnement des pompes à chaleur, la climatisation… sont autant de domaines concernés par ces lois, et les diagrammes et cycles qu’on peut en déduire. 1.1 Rappels de thermodynamique 1.1.1 Notions fondamentales 1.1.1.1 Système thermodynamique En thermodynamique, on s’intéresse aux processus au cours desquels l’énergie se transmet sous forme de chaleur ou de travail. L’analyse porte sur le système qui est la portion de l’espace (et son contenu) limitée par une surface réelle ou fictive, où se situe la matière étudiée. Le reste de l’univers est alors considéré comme accessoire, dont l’utilité n’apparaît que dans les échanges qu’il peut avoir avec le système : on l’appelle milieu extérieur. Le système est dit :  isolé s’il n’échange ni matière ni énergie avec le milieu extérieur Corps froid Corps chaud Pompe à chaleur énergie Système isolé 7  fermé s’il n’échange pas de matière avec le milieu extérieur  ouvert s’il peut échanger de la matière et/ou de l’énergie avec l’extérieur :  adiabatique si aucun échange de chaleur n’est possible avec l’extérieur. Par convention de signes tout ce qui est reçu par le système (travail, chaleur etc.) est compté positivement et tout ce qui est cédé est compté négativement. 1.1.1.2 Variables et équations d’états La thermodynamique distingue deux types de variables d’état : les variables intensives et les variables extensives. Les variables intensives (comme la température T ou la pression P) prennent des valeurs qui ne dépendent pas de la quantité de matière formant le système. Elles expriment une propriété locale de ce dernier. Les valeurs extensives (comme le volume V, la masse m, le nombre de moles n…) prennent des valeurs proportionnelles à la quantité de matière contenue dans le système (qui dépendent de sa masse volume,…). L’état d’un système thermodynamique est caractérisé par les valeurs des variables extensives et intensives qui la constituent. Lorsqu’un système thermodynamique est à l’équilibre (lorsque toutes ses variables d’état demeurent constantes au cours du temps) on peut introduire des équations d’état reliant une propriété du système (l’élasticité, la compressibilité …) à un ensemble de variables indépendantes du système. Energie Système Energie Système Matière travail Système 8 Exemple d’équations uploads/Ingenierie_Lourd/ pompe-a-chaleur.pdf