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heat pump
On dépeint parfois les pompes à chaleur comme des dispositifs ayant un rendement supérieur à 1, ou « sur-unitaire ».
Ceci est bien évidemment faux car un rendement, en physique, ne peut pas être supérieur à l’unité. Aucun système ne produit plus qu’il ne consomme, et ceci est particulièrement vrai quand on parle d’énergie.

Alors d’où vient cette idée à propos des pompes à chaleur ?

Ce dont on parle avec les pompes à chaleur n’est pas un rendement énergétique, mais un coefficient de performance (COP). Ce nombre peut, lui, très bien être supérieur à l’unité, et il n’est pas synonyme de rendement, comme on va le voir.

Le cas du rendement ordinaire

Quand on veut se chauffer, une forme d’énergie est transformée en chaleur. Dans le cas du chauffage électrique, c’est de l’énergie électrique qui est convertie. Si l’on consomme 1 000 Wh d’électricité, alors on produira 1 000 Wh de chaleur. Le rendement maximal sera unitaire, et l’on récupère sous la forme de chaleur ce que l’on injecté en électricité.

Pour le chauffage au gaz ou au bois, le calcul est le même, sauf que l’énergie initiale est sous forme chimique : on brûle le gaz et le bois qui sont transformé en $CO_2$ et d’autres produits en libérant de la chaleur, mais la quantité de chaleur récupérée ne sera jamais supérieure à la quantité d’énergie chimique présente initialement dans le produit.

C’est aussi simple que cela.

Le cas d’une pompe à chaleur

Pour une pompe à chaleur, dans des conditions propices, on peut récupérer 1 000 Wh de chaleur quand on ne dépense que 100 Wh d’électricité. Le COP de l’installation est alors de 10.

Ce que le COP indique, c’est simplement que la pompe à chaleur est 10 fois plus viable économiquement pour chauffer votre maison que ne le serait un chauffage électrique. Pour qu’une pompe à chaleur soit rentable à l’usage, il suffit que son COP soit supérieur à 1, et bien-sûr, plus le COP est grand, plus il est rentable par rapport à une installation ordinaire de chauffage électrique.

La question qui vient maintenant, c’est de savoir comment on peut récupérer 1 000 Wh de chaleur avec seulement 100 Wh d’électricité ?

La réponse réside dans le rôle d’une pompe à chaleur : une pompe à chaleur ne transforme pas l’électricité en chaleur, contrairement à un chauffage électrique. Elle déplace de la chaleur, qu’elle prend dehors et dépose à l’intérieur de la maison.
Et c’est ça qui permet d’être aussi rentable : déplacer de la chaleur ne consomme pas beaucoup d’énergie, en l’occurrence avec notre exemple, déplacer 1 000 Wh de chaleur déjà existante ne consomme que 100 Wh d’électricité.

Une pompe à chaleur ne produit pas de chaleur et ne convertit par l’électricité en chauffage. Une pompe à chaleur est là pour déplacer de la chaleur déjà existante.

Quant à l’origine de cette chaleur, qu’il fasse chaud ou froid, il y a de la chaleur (des calories thermiques) dans le sol et dans l’air. La pompe à chaleur est un appareil destiné à la capter et à la transporter. Le sol dehors est refroidit et votre maison est réchauffée. Comme le sol est virtuellement une ressource illimitée de chaleur gratuite, on peut très bien s’en servir pour chauffer tout en polluant moins et en réduisant les factures d’électricité.

Et pour information, votre réfrigérateur fonctionne comme une pompe à chaleur (en fait, d’un point de vue thermodynamique, les deux sont le même appareil). Un circuit de fluides capte la chaleur à l’intérieur du frigo pour l’évacuer sur la grille au dos du frigo : l’intérieur alors appauvri en chaleur, refroidit (et l’extérieur est réchauffé).

Image de Gary Cziko

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Jaune d'oeuf a dit :

Un COP de 10, c'est vraiment dans des conditions très optimales. En pratique, le COP d'une pompe à chaleur est compris entre 3 et 4, et encore s'il fait 10°C dehors.

En supposant un COP de 3.5, de l'électricité produite dans une centrale thermique à cycle combiné (rendement 40%) et 2% de pertes en ligne, le COP "gris" de la pompe à chaleur est alors de 3.5*0.4*0.98 = 1.4 (ratio chaleur produite / gaz brulé donc).

Par contre, si l'électricité est produite dans une centrale nucléaire (rendement thermique 30%), le COP est égale à 3.5*0.3*0.98 = 1.0.

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Le Hollandais Volant a dit :

@Jaune d'oeuf : en effet, mais je voulais également prendre un nombre relativement rond.

En supposant un COP de 3.5, de l'électricité produite dans une centrale thermique à cycle combiné (rendement 40%) et 2% de pertes en ligne, le COP "gris" de la pompe à chaleur est alors de 3.5*0.4*0.98 = 1.4 (ratio chaleur produite / gaz brulé donc).
Par contre, si l'électricité est produite dans une centrale nucléaire (rendement thermique 30%), le COP est égale à 3.5*0.3*0.98 = 1.0.

Ceci est un autre problème, car ça prend en compte la performance de l’ensemble de la chaîne de production et de distribution de l’électricité, jusqu’à sa consommation dans ta maison. Dans ce cas là, le COP d’un radiateur électrique est lui aussi réduit, ce qui laisse toujours le COP d’une pompe à chaleur supérieur à celui de tout autre chauffage.

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Sonny a dit :

Je suis tes articules sur ce sujet (et bien d'autres en fait) et je suis toujours un peu perdu (pour bien d'autres également :p).

Ici, ce que je ne comprends pas, c'est comment est-ce qu'on peut parler de rendement avec une pompe à chaleur ? On déplace de la chaleur OK. Mais l'énergie dépensée pour augmenter la température de d'une pièce avec une pompe à chaleur fait qu'on a un rendement...
...

Je sais pas comment terminer ma phrase tellement je sais que je vais dire une énorme connerie.

PLS TIMO HELP

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Le Hollandais Volant a dit :

@Sonny : il n’y a pas de rendement en fait, car on ne transforme rien.

On parle généralement d’un rendement quand on transforme quelque A en quelque de B.
Par exemple, quand je transforme 10 joules sous la forme d’énergie chimique en 3 joules d’énergie cinétique plus 7 joules en énergie thermique perdue (on a donc environ 30% de rendement, et ces chiffres sont le maximum qu’on peut obtenir avec un moteur à explosion).

On parlera d’un rendement quand on plante 10 plants de tomates à 1 €, qu’on arrose avec 1 000 litres d’eau (1 €), pour récupérer en fin de saison 20 kg de tomates à 2 € le kilo. Dans ce cas on dépense 11 € et on récupère 40 €. Le rendement est donc très bon !
Ce n’est pas un rendement énergétique, donc on peut très bien avoir un rendement supérieur à 1.
On ne parle pas d’un rendement énergétique car on ne transforme pas d’énergie (mais de l’argent).

Pour un chauffage avec une PàC, on ne parle pas d’un rendement énergétique non plus car il n’y a pas de transformation d’énergie.
On parle plutôt d’un COP, pour désigner la quantité d’énergie récupérée par rapport à l’énergie injectée (ou dépensée). Dans le ce cas, le COP peut être supérieur à un. Si on veut parler de rendement, on devrait alors parler d’un rendement financier et pas énergétique.

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Sonny a dit :

@Le Hollandais Volant : Merci pour ta réponse. C'est beaucoup plus clair pour moi. :)

Je me demande ce tu allais donné comme dernier exemple ? "Si tu loue une"

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Ced a dit :

Salut et encore merci pour tes articles.

Possèdes-tu une source vers un article compréhensible qui explique un peu plus le principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur ?

edit : Y'a un début de réponse ici https://couleur-science.eu/?d=2014/09/14/22/48/50-comment-produit-on-du-froid

De ce que j'ai compris on joue sur le changement d'état d'un fluide qui a une particularité de se condenser/évaporer à des températures "chelou". Si le fluide s'évapore dans le frigo en "aspirant" la chaleur, comment peut-il se liquifier (ou condenser?) à l'extérieur du frigo, vu qu'il y fait plus chaud ? tout doit-être histoire de pressuriser/dépréssuriser le fluide lors qu'il entre et sort du bloc a réchauffer/refroidir alors ?

:thinking:

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Le Hollandais Volant a dit :

@Ced : je n’ai pas de lien tout fait, mais il suffit de chercher~

On joue effectivement sur le changement d’état : changer l’état d’un corps constitue en lui-même un transfert de chaleur.
Ainsi, si on a 1 kg de glace à 0 °C, que le fasse fondre (c’est à dire qu’on lui apporte de la chaleur) pour avior 1 kg d’eau à 0 °C, qu’on le transporte et qu’on le fasse solidifier de nouveau pour avoir 1 kg de glace à 0 °C, alors on aura récupéré la chaleur apportée lors de la fonte. Ce qu’on a transporté n’aura pas changé de température, seulement d’état, mais de la chaleur aura été transportée.

C’est ce qui se passe dans une pompe à chaleur (et dans un frigo aussi). Le changement d’état est forcé en jouant sur la pression du fluide (le changement d’état ici sont la vaporisation et la liquéfaction).
Le fluide fonctionne dans un cycle fermé, mais voici une description de ce qui se passe.

1). En sortie du compresseur, le fluide est comprimé, liquide et chaud.
Il passe à l’intérieur de la maison et sa chaleur est transmise à l’air de la pièce. La pièce se réchauffe et le fluide (toujours liquide et à haute pression) refroidit.

2) Le liquide (froid et comprimé) est transporté dehors, dans un circuit enterré dans le sol (ou au contact de l’air).
Là il passe dans un détendeur : sa pression baisse et sa température diminue encore. Sa pression baisse suffisament pour passer sous la « pression de vapeur saturante » et le liquide se met à bouillir et se transforme en gaz.
Cette transformation consomme de la chaleur : au lieu d’avoir un liquide froid, on a maintenant un gaz très froid.
Le gaz étant maintenant plus froid que le sol (ou l’air), la chaleur du sol (ou de l’air) est transmise au gaz : il se réchauffe (du moins il prend la température de dehors).

3) Le gaz est transporté vers le compresseur, qui le comprime au point de le liquéfier.
Cette transformation libère de la chaleur : d’un gaz frais on passe à un liquide chaud.

4). retour au 1).

@Sonny : ah non, c’est juste un bout de texte tapé au mauvais endroit~

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Ced a dit :

Merci pour les explications. Je remarque que ces changements d'états à des températures pareilles, ça reste très contre intuitif / difficile à imager... Une fois qu'on a réussi à prendre du recul sur ça, ça se comprend :)

Je suppose que c'est surtout du au fait qu'on n'expérimente jamais ces transitions liquide/gaz si ce n'est qu'avec de l'eau à pression atmosphérique terrestre...

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Le Hollandais Volant a dit :

@Ced : une façon de l'expérimenter c'est avec de l'alcool ou de l'acétone sur la main.
Ça donne une sensation de froid très perceptible.

Pour passer à l'état de gaz, l'alcool a besoin d'énergie, de chaleur, qu'il va puiser dans la main. La main perd donc cette chaleur et refroidit (d'où la sensation).

La transpiration a le même effet : forcer de la sueur à s'évaporer pour refroidir le corps.


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