14-2 - Chauffage par un système thermodynamique
20/04/2017 -
Les principes des systèmes thermodynamiques
L'objectif de cet article n'est pas d'expliquer le fonctionnement d'un système thermodynamique, mais simplement les principes découlant de la mise en œuvre d'un appareil fonctionnant sur le même principe.
Une pompe à chaleur ne produit quasiment pas d'énergie. Grâce à un compresseur, elle ne fait que la transporter de l'extérieur vers l'intérieur lorsqu'elle est utilisée pour chauffer et de l'intérieur vers l'extérieur lorsque sa fonction est de climatiser. Elle peut être réversible et fonctionner tour à tour, de manière manuelle ou automatique, soit en mode chauffage, soit en mode climatisation. Pour transporter la chaleur, l'appareil est doté de deux groupes qui fonctionnent en opposition. L'un relâche la chaleur captée par l'autre. Lorsque celui qui produit la chaleur est situé à l'intérieur, les locaux sont chauffés grâce à la chaleur prélevée par le groupe extérieur. Inversement, lorsque la chaleur est rejetée à l'extérieur, c'est qu'elle a été prélevée à l'intérieur et que les locaux sont refroidis d'autant. La diffusion ou le prélèvement de la chaleur intérieure peut être réalisé par l'air, grâce à des ventilateurs, ou l'eau, grâce, par exemple, à des canalisations noyées dans le sol. Ces deux vecteurs de chaleur sont également utilisables à l'extérieur.
En dehors du chauffage et de la climatisation, les pompes à chaleur sont, entre autres, mises en œuvre dans les réfrigérateurs, les sèche-linge, des chauffe-eau et parfois dans des VMC double flux thermodynamique.
Les performances des systèmes thermodynamiques
Quel que soit l'usage du matériel, la quantité de chaleur transportée, celle qui va servir à chauffer ou rafraîchir, est totalement indépendante de la quantité d'énergie nécessaire à son transport. Un système thermodynamique transporte, la plupart du temps et fort heureusement, beaucoup plus d'énergie que n'en nécessite son transport. Sans cette performance, il n'aurait d'ailleurs aucun intérêt et il serait bien plus simple de produire de l'énergie plutôt que de chercher à la transporter. Le rapport entre l'énergie calorique qu'il fournit à un moment donné et l'énergie électrique nécessaire au transport de celle-ci n'est autre que le COefficient de Performance, le COP de l'appareil.
Il paraît évident que le COP ainsi défini n'est pas très fiable puisque la performance des appareils varie forcément en fonction de la température extérieure. Les systèmes thermodynamiques souffrent en effet d'un problème de taille : leur efficacité dépend du climat local instantané. Ce problème se comprend très facilement. Plus il fait froid et plus il est en effet difficile de récupérer de la chaleur à l'extérieur. Inversement, plus il fait chaud et plus il est difficile de rejeter la chaleur vers l'extérieur. Les performances chutent donc, parfois de manière importante, au moment où les besoins sont indispensables et maximums, en période de gel en hiver et de canicule en été. La température extérieure variant en permanence, le COP en fait donc tout autant. Pour pallier à ce problème, afin de fournir un niveau de performances plus réaliste et plus conforme à la réalité, qui permette des comparaisons moins fantaisistes entre matériels différents, la fourniture du SCOP qui n'est autre qu'un COP moyen sur une saison de chauffage standardisée est devenue obligatoire. C'est le seul moyen de se faire une idée plus précise des performances réelles des matériels.
Systèmes thermodynamiques et maisons passives
Dans les maisons passives, les climatiseurs réversibles de plus faible puissance, de l'ordre de 2,5kW, parfois encore moins, sont généralement suffisants pour chauffer des maisons entières, même de grande surface. Ils peuvent aussi les rafraîchir, notamment en période de canicule, quand le climat l'impose, notamment dans les constructions à faible inertie thermique ou dotées de grandes fenêtres passives.
Les monosplits qui ne comportent qu'un groupe intérieur et un groupe extérieur fonctionnant généralement tous les deux sur l'air sont des appareils de ce type. Ils ont, pour les meilleurs, un SCOP qui peut dépasser 5 en mode chauffage. Un tel coefficient de performance global signifie que la puissance calorique fournie est en moyenne annuelle 5 fois supérieure à la puissance électrique consommée par l'appareil. Dit autrement, une maison passive optimisée à 15kWh/m2Shab/an d'énergie utile verrait son besoin de chauffage en énergie finale, celle qui est payée au fournisseur d'électricité, divisée par 5 et donc réduite à 3kWh/m2Shab/an. Dans le cas d'une utilisation correcte d'une telle maison et d'un climat proche des moyennes prise en compte dans les calculs, quand la consommation réelle s'approche donc du besoin calculé, le coût annuel du chauffage peut alors être réduit à moins de 50cts€/m2Shab/an soit 50€TTC par an pour une maison de 100m2 habitables et donc moins de 5€TTC par mois.
En ce qui concerne la climatisation, le EER pour Energy Efficiency Ratio, est le pendant du COP. Le SEER, coefficient d'efficacité énergétique saisonnier en mode climatisation, équivalent au SCOP pour le chauffage, peut dépasser 9. Le coût annuel de la climatisation d'une maison passive dont le besoin de chauffage est optimisé à 15kWh/m2Shab/an d'énergie utile, hors entretien des appareils, peut alors être réduit à 25cts€/m2Shab/an. Le coût de l'énergie nécessaire à sa climatisation est alors la moitié de celui nécessaire à son chauffage pourtant déjà très faible!
En résumé :
- Un système thermodynamique ne produit pas de chaleur. Il ne fait que la transporter.
- Un système thermodynamique réversible peut transporter la chaleur vers l'intérieur ou l'extérieur. Il peut donc chauffer ou rafraîchir des locaux.
- Le COP d'un système thermodynamique indique la proportion de l'énergie calorique fournie par rapport à l'énergie électrique nécessaire à son fonctionnement.
- Le SCOP est similaire au COP, mais s'applique de manière bien plus réaliste à une saison de chauffe.
- Les meilleurs appareils thermodynamiques de type monosplit ont des SCOP supérieurs à 5.
- Le EER et le SEER sont les équivalents du COP et du SCOP, mais s'appliquent au fonctionnement en mode climatisation.
- Les meilleurs appareils thermodynamiques de type monosplit ont des SEER supérieurs à 9.
Thème 14 - Le chauffage et le rafraîchissement