J'AI - PEUT-ÊTRE - COMPRIS !

William Thomson Kelvin
William Thomson Kelvin

 

 

Une "clim' réversible"

(ou inversible),

tout le monde sait que c'est

un dispositif permettant de

climatiser un volume donné,

une habitation ou quelques pièces par exemple,

pendant les mois chauds

mais aussi de servir de système de chauffage en hiver.

Jusque là, ça va. Mais on nous dit que c'est économique,

s'il faut en croire les défenseurs (et les vendeurs !). 

 

 

 

 

Dans ma cave de vinification, je dispose d'un groupe de froid qui me permet de garder dans des limites de température raisonnables les vins en fermentation. Il fonctionne par le biais d'un système de refroidissement "classique": il augmente la pression d'un gaz adapté dans un compresseur, jusqu'à le liquéfier. Ce gaz est transmis à un système qui le détend (décompresse) et à ce moment-là, les "frigories" sont libérées dans une espèce de "résistance de bouilloire" à l'envers, un serpentin thermoductile qui refroidit l'eau d'une cuve dite tampon, laquelle eau circule au moyen d'une pompe vers la paroi des cuves à refroidir. Simple et logique. 

 

Mais, si je dois réchauffer une cuve, et non la refroidir, mon système me donne un coup de main aussi. Il fait circuler de l'eau plus chaude. Seulement, il la chauffe à l'aide d'une vraie résistance électrique cette fois et agit comme une grande bouilloire, en fait, ou comme un "boiler" - on dit "cumulus" en France - de salle de bains.

 

La "clim' réversible", ce n'est pas cela. On ne voit pas du tout comment ce système pourrait permettre des économies d'énergie, d'autant que je suppose que les caractéristiques techniques optimales d'un radiateur électrique et d'un climatiseur d'airco classique ne sont pas totalement superposables.

 

Je me suis donc renseigné pour vous ... et pour moi.

 

Une "clim' réversible " fonctionne grâce à une pompe à chaleur (PAC). Les dispositifs de ce type transfèrent une quantité de chaleur d'un milieu à un autre. Le milieu émetteur est appelé fournisseur ou source froide, quelle que soit sa température d'ailleurs. Le milieu de destination est appelé récepteur ou source chaude. Déjà, cela me choque: dans une maison que l'on souhaite réchauffer, la source froide est l'air extérieur ou ambiant qui fournit la chaleur (!) et la source chaude est la maison, dont on souhaite voir monter la température. Dans la configuration "chauffage", la source chaude voit sa température augmenter. Dans la configuration"climatiseur", on s'efforce d'abaisser la température de la source froide. Mais bon, passons. En comptabilité, les véhicules de la flotte d'une entreprise sont considérés comme des .... actifs immobilisés, même s'ils ne sont pas en panne. Vous savez par contre que le stock est un actif ... circulant, même s'il s'agit de balles d'acier. 

 

Stade suivant: notre source froide fournit de la chaleur, tandis que notre source chaude la recevra. La PAC sera plus ou moins performante pour réaliser cela, et on définit son coefficient de performance, comme étant le rapport entre l'énergie utile sur le travail fourni au dispositif  (- Qchaud/W).

 

Une simple résistance électrique traditionnelle à un coef. égal à 1, bien évidemment: elle transforme toute l'électricité fournie en calories, joule pour joule. Pour les pompes à chaleur, on décrit leur efficacité comme étant le rapport entre leur puissance thermique et leur consommation électrique et on appelle ce coefficient de performance le "COP" en jargon de métier. Le chiffre que le constructeur vous donne représente le nombre de kilowatts/heure fournis (en chaleur ou en froid) par kWh électrique consommé. Dans le cas d'une piscine chauffée en été avec de l'air assez chaud, le COP est de l'ordre de grandeur de 5 à 7, tandis qu'il tombe à 3 en période d'hiver. Il augmente bien entendu quand l'air est chaud (source froide) et diminue au fur et à mesure que l'eau se réchauffe (source chaude). Dans une utilisation comme chauffage domestique, le COP est souvent de 3 à 5. On doit bien entendu incorporer le consommation électrique de tous les éléments du système: les ventilateurs, les pompes de circulation, les compresseurs ... Vous aurez compris que le COP varie en fonction de la saison d'utilisation et des conditions climatiques de la région.

 

Maintenant que nous sommes si malins, intéressons-nous aux différentes formes de source froide: la chaleur du sol (pompe géothermique), la chaleur de la mer, d'un cours d'eau ou d'un lac (pompe marine), l'air extérieur (pompe air-air).

 

Pour les "clim' réversibles" que nous connaissons, accrochées au mur d'une pièce, il s'agit d'un système air-air. Ils utilisent un ventilo-convecteur qui peut soit "injecter" de l'air chaud vers la pièce à chauffer, soit au contraire contribuer à refroidir.

 

Le mécanisme physique fait appel au principe de conservation de l'énergie. Les flux thermiques entrants et sortants devront s'équilibrer au cours d'un cycle, obligatoirement. Le liquide caloporteur comptabilisera comme négatif le flux thermique qui naît lors de la réaction exothermique au niveau du condenseur (source chaude) et par contre comme positif celui qui apparaît lors de la réaction endothermique au niveau de l'évaporateur (source froide), augmenté bien sûr de l'énergie (payante) qu'on lui apporte, le plus souvent sous forme d'électricité. 

 

Comment une PAC air-air fonctionne-t-elle?

L'air capté est directement prélevé dans l'environnement et l'air rejetté également. Il n'y a généralement pas de circuit de captage. Cet air sert à réguler la température du fluide frigorigène.

Il y a quatre stades, parcourus alternativement, mais le point de départ "initial" variera suivant qu'on désire "chauffer" ou "refroidir". Un système à trois voies permettra soit de diriger le liquide froid vers l'appareil accroché à l'intérieur (clim), soit au contraire de diriger le liquide chaud vers le ventilo-convecteur (chauffage). 

1. Partons du compresseur: le fluide frigorigène gazeux y est comprimé et sa pression augmente. La source d'énergie est bien entendu l'électricité qui actionne le compresseur. 

2. Il arrive ensuite dans le condenseur (situé en source chaude) où il passe de l'état gazeux à l'état liquide. C'est là qu'il rencontre le "fluide secondaire" (qui sera de l'air ambiant quand il n'y a pas de  circuit secondaire d'ailleurs), qui reçoit cette chaleur.

3. Le réducteur de pression ("détendeur" ) permet ensuite de diminuer la pression du fluide frigorigène encore en phase liquide.

4. Ce dernier pénètre alors dans l'évaporateur (la source froide) qui prélève dans le fluide secondaire (ou dans l'air) la chaleur nécessaire à se revaporiser.

 

Le circuit dit "haute pression" va du compresseur au détendeur et cette partie du cycle permet de dégager de la chaleur. Le circuit dit "basse pression", va de la sortie du détendeur à l'entrée du compresseur, et "libère" par contre du froid, ou, de manière plus appropriée, prélève de la chaleur sur la zone adjacente.

 

Comme mentionné, les appareils domestiques fonctionnent souvent sans captage parrticulier ni sans système fermé de fluide secondaire: on parle de "détente directe". C'est le "captage" de l'air qui joue le rôle d'évaporateur. L'appareil chauffant, le ventilo-convecteur, est prévu pour des températures de chauffage dites basses (pour des raisons de rendement, comme on l'a vu). Un radiateur classique ne suffirait pas.

 

Petite révision: à la sortie du compresseur, le fluide frigorigène gazeux est sous haute pression et à température élevée. Il traverse le condenseur, redevient liquide et cède de l'énergie (chaleur). C'est à ce stade qu'il sert de chauffage. A la sortie du détendeur la pression est plus basse mais l'énergie du fluide est la même (loi d'enthalpie). Dès qu'il entre dans l'évaporateur, le fluide va redevenir gazeux sans que sa pression ne change mais ce n'est possible qu'en "récupérant" de l'énergie, sous forme de chaleur qu'il enlève à l'air environnant. C'est ici que la PAC sert de climatiseur. Au sortir de l'évaporateur, le fluide est donc retourné à une température tempérée et à basse pression. Il pénètre à nouveau dans le compresseur, où intervient l'apport d'énergie extérieure. Conformément à la loi de Boyle et Mariotte (qui ne s'applique sensu stricto qu'à des gaz parfaits si j'ai bonne mémoire), la compression entraîne une augmentation de la température et ... on est reparti pour un tour.

 

On parle parfois de "split-system" : une liaison frigorifique sert à transporter les calories de l'unité extérieure vers l'intérieur (ou inversément). Le compresseur est placé à l'extérieur (bruit, chaleur de l'air de refroidissement si le système sert de climatiseur), et le ou les ventilo-convecteurs sont disséminés dans les pièces. L'évaporateur se situe également à l'extérieur et c'est l'élément intérieur qui assure le chauffage (et non le rafraÎchissement à ce moment-là) en inversant le cycle thermodynamique. 

 

Bon, il y a encore un ou deux "petits trucs" que je n'ai pas compris. Mais en gros: l'énergie électrique apportée sert à faire tourner la machine, pas à chauffer une résistance. Suivant que le ventilo-convecteur recoive du fluide frigorifique plutôt chaud ou carrément froid, il servira de chauffage ou de clim. et c'est un robinet à trois voies qui en décide. L'air extérieur apportera des calories au moment où le fluide sort de l'évaporateur et l'air extérieur enlèvera des calories au niveau du compresseur. Dans les deux cas, c'est cette intervention "extérieure" qui permettra d'obtenir un rendement énergétique (thermique) supérieur à la quantité d'énergie électrique fournie. C'est l'air atmosphérique qui "perd" une partie des calories en cas de chauffage, et c'est encore lui qui "gagne" des calories en cas de climatisation froide. 

 

Tous les commentaires des spécialistes seront les bienvenus !

 

 

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Commentaires : 1
  • #1

    Luc Charlier (samedi, 12 juillet 2014 16:40)

    En me relisant, je me dis que si une clim' inversible mondiale pouvait réchauffer tous ceux qui ont froid, et rafraïchir tous les malades qui ne supportent pas la chaleur, en même temps sur la planète, cela ne serait pas plus mal !
    Toutes les bourses du monde (Stock exchange, je veux dire) font exactement l'inverse : elles spolient les moins nantis et rendent encore plus riches les possédants, de manière planétaire. Comme quoi, il suffit d'un volonté concertée.