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Les pompes à chaleur gaz

Il existe plusieurs variétés de pompe à chaleur gaz dans lesquelles le gaz est soit utilisé comme combustible soit utilisé comme acteur dans le cycle de combustion.
Certaines pompes à chaleur combinent donc des gaz différents tels que le gaz naturel pour la combustion et du gaz ammoniaque ou encore de l’eau à l’état vapeur comme acteur dans le cycle utile à la restitution de la chaleur naturelle.




La pompe à chaleur  avec moteur à combustion


 
Ce type de pompe à chaleur est fort proche de la PAC électrique classique. Sa principale différence concerne son compresseur qui est entrainé non pas électriquement mais par un moteur à combustion par l’intermédiaire d’un arbre de transmission.

 
 

Schéma de fonctionnement d’une PAC à moteur gaz


Ce type de cycle comprend deux mécanismes pour l’apport de la chaleur :

  • Un moteur gaz actionne un compresseur afin d’augmenter le niveau énergétique du fluide frigorigène.
  • On récupère l’énergie thermique dégagée par le moteur à gaz vers le circuit de chauffage.
Le rendement mécanique du moteur à gaz est relativement mauvais car il ne dépasse pas 50% par contre on récupère en grande partie la chaleur dégagée par le travail du moteur. Ce recyclage confère un rendement thermique très satisfaisant malgré un rendement mécanique limité.
Au final, on parle de rendement saisonnier de l’ordre de 110% à 120%.
Il existe des pompes à chaleur gaz de différentes puissances dont la gamme s’étend de 20 à 1000 KW.

 


La pompe à chaleur gaz à absorption


 
Ce type de PAC a la particularité de ne pas utiliser de compresseur. Elle comporte en revanche un circuit secondaire remplaçant la partie « compresseur » : Ce second circuit utilise un deuxième fluide, appelé absorbant, qui comme son nom l’indique, absorbe le fluide frigorigène.
Les couples fluide frigorigène/absorbant les plus courants sont :
  • Ammoniac/eau
  • Eau/bromure de lithium
 
Voici un schéma de ce type de cycle :
 
 
 
Dans ce schéma, on constate que le cycle frigorifique utilisé est relativement similaire à celui rencontré dans une PAC « classique » si ce n’est que le compresseur mécanique est remplacé par un processus chimique.

Le cycle se compose donc bien des phases de condensation, de détente, d’évaporation et de compression comme pour une PAC électrique.
 
Dans le cas de la  compression chimique, le processus se réalise en 2 cycles :
 
L’absorption :
L’absorbant liquide capte le fluide réfrigérant au niveau de l’absorbeur au cours d’une réaction chimique exothermique. De cette réaction chimique résulte un dégagement de chaleur. Celle-ci est récupérée via un échangeur.
 Cette réaction augmente le niveau de pression et la solution composée des 2 fluides est amenée via un circulateur au générateur (aussi appelé bouilleur).
 
La désorption :
C’est dans le bouilleur que les deux fluides vont à nouveau être séparés suite à une réaction endothermique, c'est-à-dire grâce à un apport externe de chaleur. La source de cette chaleur est un brûleur au gaz. Cet apport permet de séparer les 2 fluides. L’absorbant liquide est ensuite renvoyé à l’absorbeur via un détendeur afin de le ramener à basse pression tandis que le fluide frigorifique, de nouveau en phase gazeuse, continue son parcours vers le condenseur.
 
L’énergie thermique récupérable peut aller jusqu’à 160% de l’énergie consommée par le brûleur.

Les principaux inconvénients de ce système sont:
  • Son encombrement
  • Son coût d’investissement
  • Sa complexité
 
Ce système est relativement sûr et solide ce qui implique une maintenance limitée. Son absence de moteur lui confère une durabilité élevée, c’est-à-dire plus de 20 ans.

Les performances sont bonnes étant donné que l’on peut espérer un COP saisonnier de 130% alors même que le régime de température de l’eau de chauffage est élevé (60°C).

 


La pompe à chaleur gaz à adsorption


 
Ce type de pompe à chaleur utilise, comme son nom l’indique, un cycle à adsorption. N’étant pas à confondre avec le cycle à absorption, ce type de cycle consiste à utiliser les propriétés d’une pierre appelée zéolithe. Ce matériau a la propriété particulière d’absorber sur sa surface les molécules d’eau ce qui provoque un dégagement de chaleur grâce à une réaction exothermique (adsorption). La zéolithe peut relâcher ces molécules d’eau grâce à une réaction endothermique (désorption).

On utilise l’eau comme fluide caloporteur.

Il s’agit donc de distinguer deux phases de fonctionnement : l’adsorption et la désorption.

L’adsorption :
De l’eau, placée sous vide dans un réservoir, est chauffée par l’intermédiaire d’un échangeur. La chaleur fournie par ce dernier vient soit de panneaux solaires thermiques soit d’autres sources de chaleur telles que l’air, le sol, l’eau ou encore la récupération de chaleur fatale. S’en suit une évaporation de l’eau. Les molécules de l’eau, désormais à l’état vapeur, vont se fixer sur la zéolithe, située dans la partie haute du réservoir.
Ce captage d’eau évaporée par la zéolithe provoque une réaction exothermique. La chaleur résultante est récupérée via un échangeur passant dans la zéolithe vers le circuit de chauffage.


Schéma de principe de l'adsorption

 

La désorption :
Durant cette phase, on inverse le cycle de manière à chauffer la zéolithe grâce à un brûleur gaz. Ainsi, l’eau précédemment captée est relâchée et retombe dans le bas du réservoir à l’état liquide. Le cycle peut alors recommencer. La chaleur de l’eau est récupérée afin d’être envoyée dans le circuit de chauffage.


Schéma de principe de la désorption
 

Au cours de la phase de désorption, la chaudière a une double utilité. En plus de chauffer la zéolithe pour en extraire l’eau absorbée, elle participe au système de chauffage via un deuxième échangeur. De plus, on intègre un système de récupération d’énergie latente de condensation des fumées, comme pour une chaudière à condensation, ce qui optimise les performances de cette partie « chaudière ». On continue donc de chauffer les locaux pendant la phase de désorption.

Au cours de la désorption, on récupère donc la chaleur de 2 manières, en refroidissant l’eau récupérée et via le brûleur au gaz.


Ce type de pompe à chaleur peut offrir un bon rendement saisonnier sur énergie primaire (environ 130%) si le système est bien dimensionné. Il est initialement prévu pour des grandes installations (plus de 100KW) mais commence à s’immiscer dans le secteur résidentiel pour de puissances modulables allant de 1,5KW jusqu’à 10-15 KW. Il est par ailleurs silencieux et très solide ce qui lui permet d’être un investissement à long terme, à l’instar de la pompe à absorption.

Il prend néanmoins beaucoup de place et est encore fort cher à l’achat.
Comme pour le système de pompe à chaleur à absorption, ce type de cycle peut également être utilisé pour créer du froid.



Coefficient de performance (COP)


Par définition le coefficient de performance représente le rapport entre l’énergie délivrée et la consommation énergétique.
  • COP gaz = Energie délivrée / Consommation de gaz (sur PCI)
  • COP élec = Energie délivrée / Consommation d’électricité

Pour pouvoir comparer ces 2 coefficients, il faut prendre en compte un facteur d’énergie primaire (Fép) pour déterminer le rendement sur énergie primaire :

  • REP = Énergie délivrée / (Énergie consommée x Fép) = COPgaz /1,1 = COPélec /2,5
  • Fép = facteur d’énergie primaire (élec. = 2,5 & gaz= 1,1; suivant la législation européenne)


Caractéristiques


Etant donné la présence d’un générateur de chaleur dans les procédés des PAC gaz tel que le moteur à gaz ou le brûleur à gaz, la part d’énergie provenant de la source naturelle est beaucoup moins importante. Cette source de puisage thermique, fortement influencée par son environnement est donc beaucoup moins influente sur les performances d’une PAC à gaz.

Effectivement, on remarque que la capacité thermique  de la PAC à gaz ainsi que ses performances thermiques restent relativement stables malgré une disponibilité énergétique très variable provenant de la source naturelle.

Etant donné que le puisage énergétique naturelle est moins conséquent, les ventilateurs  et les évaporateurs seront moins imposants et donc plus économiques notamment en termes de consommation et de composition.

La température de la source chaude est également un facteur moins influent sur les performances du système au gaz par rapport au système électrique.

Du coup, on retient la réduction financière importante dont on pourrait bénéficier dans le secteur de la géothermie, étant donné que l’on peut diminuer de moitié le nombre de sondes à implanter dans le sol par rapport à la PAC électrique.

De plus, les résistances électriques sont bannies et les cycles d’inversion pour le dégivrage inutiles.

Un autre avantage de taille est de ne jamais être limité par la capacité des installations électriques alors que dans le cas de PAC électriques, c’est un facteur d’exclusion récurent.

Finalement, mis à part les PAC à moteurs thermiques, on parle d’une durée de vie conséquente, supérieure à 20 ans et de systèmes relativement peu bruyants.

Cependant, il est important d’indiquer que les systèmes sont relativement complexes, que ce soit au niveau du circuit hydraulique ou des entretiens techniques, que les coûts sont encore relativement élevés et que peu de produits sont actuellement adaptés au secteur du petit résidentiel.





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