Monde de la Physique : Comment fonctionne une pompe à chaleur ?

Par rapport aux systèmes de chauffage au fioul et au gaz, les pompes à chaleur peuvent chauffer de manière nettement plus économe en énergie – et elles peuvent même fonctionner de manière neutre pour le climat. Ceci est rendu possible par un principe également utilisé dans les réfrigérateurs.

D’un point de vue physique, la chaleur est une forme d’énergie. Il peut être généré de différentes manières : dans les systèmes de chauffage conventionnels, par exemple, le fioul, le gaz ou le bois sont brûlés et l’énergie chimique qui y est stockée est convertie en énergie thermique. Or, ce type de chauffage produit des gaz nocifs pour le climat. Afin d’atteindre les objectifs de protection du climat souhaités en Allemagne, il faudra à l’avenir de plus en plus chauffer les bâtiments à l’aide de technologies plus respectueuses de l’environnement, par exemple à l’aide de pompes à chaleur. Ces systèmes peuvent non seulement fonctionner de manière neutre sur le plan climatique, mais ils sont également considérés comme particulièrement économes en énergie.

Les pompes à chaleur profitent du fait que l’énergie thermique peut être trouvée pratiquement partout, même dans des environnements généralement qualifiés de froids : par exemple dans les eaux souterraines, qui ont normalement une température d’environ 10 à 12 degrés Celsius, ou dans l’air extérieur. en hiver. Sans aucune action, l’énergie thermique circule toujours de l’endroit le plus chaud vers l’endroit le plus froid, ce qui égalise les différences de température. Le rôle d’une pompe à chaleur consiste désormais à inverser la situation. L’objectif est d’extraire activement une partie de l’énergie thermique d’un endroit relativement frais, c’est-à-dire les eaux souterraines, le sol ou l’air, et de la transmettre à un endroit plus chaud, à savoir le bâtiment à chauffer.

Parfois liquide, parfois gazeux

Ce projet peut être techniquement mis en œuvre à l’aide d’une substance chimique spéciale qui circule dans un circuit fermé de canalisations et se présente tantôt sous forme liquide, tantôt gazeuse. Les fluorocarbures sont un exemple typique d’un tel fluide de travail. Ce qui est désormais crucial, c’est la transition entre les deux états d’agrégation : lorsque le fluide de travail s’évapore, il absorbe de l’énergie thermique et lorsqu’il se liquéfie, il libère de l’énergie thermique. Le moment où un certain fluide de travail est à l’état liquide et lorsqu’il est à l’état gazeux dépend non seulement de la température mais également de la pression dans le système.

Ces relations physiques permettent d’influencer spécifiquement l’état physique du fluide de travail : là où il est censé absorber l’énergie thermique de l’environnement, la pression est réduite à l’aide d’un papillon des gaz jusqu’à ce que la substance s’évapore à la température ambiante donnée. . Un compresseur comprime ensuite le fluide de travail désormais gazeux jusqu’à ce qu’il se liquéfie enfin. La chaleur générée lors de ce processus est transférée dans un échangeur de chaleur à l’eau qui circule à travers les radiateurs ou le chauffage par le sol. Le fluide de travail, refroidi par le dégagement de chaleur, se dilate à nouveau derrière le papillon des gaz et le cycle recommence.

Avec cette fonctionnalité, la pompe à chaleur est le pendant du moteur thermique, qui convertit la chaleur en travail mécanique. Les moteurs à combustion des voitures en sont un parfait exemple. Avec la pompe à chaleur, en revanche, un travail mécanique sous forme de compression et de dilatation est utilisé pour générer de l’énergie thermique. Ce principe est également mis en œuvre dans un réfrigérateur ou un système de climatisation, mais ici pour le refroidissement.

Incroyablement efficace

Les composants qui effectuent le travail mécanique – c’est-à-dire le compresseur, les pompes pour le transport des équipements de travail et, si nécessaire, les ventilateurs de l’échangeur thermique – fonctionnent avec des moteurs électriques. Une pompe à chaleur nécessite donc de l’énergie électrique. À partir d’une partie de l’énergie électrique, elle génère ensuite un multiple d’énergie thermique utilisable – grâce à l’énergie thermique des eaux souterraines, du sol ou de l’air. Par exemple, deux tiers de l’énergie de chauffage peuvent provenir de la chaleur ambiante et seulement un tiers de l’énergie électrique. Certaines pompes à chaleur sont encore plus efficaces. Cela signifie qu’ils surpassent tous les fours à combustion et même les simples radiateurs électriques, qui convertissent l’énergie électrique fournie une à une en chaleur du bâtiment.

En général, plus la différence de température entre la source de chaleur et la température de chauffage souhaitée est faible, plus une pompe à chaleur fonctionne efficacement. Si la différence de température est faible, cela signifie moins de travail pour le compresseur. Au final, le gaz présent dans le circuit n’a pas besoin d’être autant comprimé, ce qui permet d’économiser de l’énergie électrique. Les systèmes équipés de grands radiateurs – comme le chauffage par le sol – fonctionnant avec une faible température de départ sont donc avantageux, mais pas indispensables. Si l’électricité nécessaire à son fonctionnement provient d’énergies renouvelables, la pompe à chaleur fonctionne même de manière neutre sur le plan climatique.