L’atmosphère terrestre comme réservoir de chaleur
Pour que le fonctionnement d’une pompe à chaleur soit efficace, il ne faut pas que l’énergie thermique qu’elle capte diminue la température de la source froide, sinon le rendement diminue. Idéalement, il faut donc que la source froide soit un reservoir quasiment illimité, et que la chaleur s’y répartisse très vite. Si le reservoir est très grand mais que la chaleur y voyage lentement, on aura tout de même localement une diminution de la température. Cela peut notamment être le cas dans certaines applications de pompe à chaleur géothermique.
Dans le cas de la pompe à chaleur air-air, la source froide est l’atmosphère terrestre et remplit bien les conditions requises. Bien sûr, l’atmosphère perd en permanence une partie de sa chaleur dans l’espace, mais ceci est compensé par le rayonnement solaire, et par restitution de la chaleur accumulée par le sol.
Si on refroidit l’air localement autour d’un échangeur de pompe à chaleur, la chaleur se déplace naturellement d’un volume plus chaud à un volume plus froid, et dans l’air ce processus est très rapide. Le brassage permettra donc un retour à l’équilibre en quelques secondes.
Si sa température était constante, l’air serait donc un reservoir de chaleur parfait pour le fonctionnement d’une pompe à chaleur en système de chauffage.
Variation de température et impact sur la pompe à chaleur air-air
La température de l’air extérieur varie en fonction de la saison, du climat, du moment de la journée, et cela va avoir un impact sur le rendement d’une pompe à chaleur qui l’utilise comme source froide. Sans se préoccuper encore du problème de l’humidité et de sa condensation, nous savons que même si les rendements théoriques ne sont jamais atteints par les pompes à chaleur réelles, le COP maximal diminue lorsque l’écart augmente entre la température des deux sources. Il en sera de même pour le COP effectif d’un appareil, mais avec des disparités. Les rendements sont ainsi mesurés pour chaque appareil aérothermique certifié à deux températures de source froide, 7°C et -7°C. Il y a toujours une différence, mais elle sera moindre pour une pompe à chaleur air-air de bonne qualité. On peut ainsi trouver des modèles qui ont un COP de 4,4 à 7°C, et conserve un COP de 3,2 à -7°C. Mais c’est rare. Une pompe à chaleur moins bien conçue peut voir son COP descendre à 2,1 à -7°C. C’est la limite pour obtenir la certification NFPac.
Pompe à chaleur aérothermique et humidité de l’air
Si l’air extérieur était parfaitement sec, la pompe à chaleur air-air pourrait être une solution intéressante même dans les régions froides. A priori, s’il n’y a pas de dysfonctionnement ou de fuite dans le circuit de frigorigène, au pire le COP descendrait à 1. Mais l’atmosphère contient toujours de la vapeur d’eau, en tout cas sous nos latitudes. L’évaporateur du module extérieur de la pompe aérothermique étant plus froid que l’air ambiant, la vapeur d’eau va se condenser à sa surface, et geler quand la température passe sous 0°C.
L’évaporateur se retrouve donc progressivement isolé de l’air par une couche de glace de plus en plus importante. Cette couche étant fixe, il n’y a plus localement brassage de la chaleur, la glace refroidit vite, le régime de la pompe à chaleur augmente pour compenser et sa performance énergétique s’effondre. Si l’évaporateur n’est pas libéré de la glace, un amas de plus en plus gros se forme et peut même finir par casser des éléments du module extérieur par contrainte mécanique.
Les pompes à chaleur aérothermiques devront donc régulièrement opérer des cycles de dégivrage en hiver, qui réchauffent l’évaporateur pour fondre la glace. Bien sûr, pendant ces cycles, la pompe ne transmet pas de chaleur à l’intérieur de l’habitation. Il faut donc que la pompe soit légèrement surdimensionnée par rapport aux besoins thermiques réels de l’habitation, et que les cycles de dégivrage soient très efficaces, pour rester courts, et le moins fréquents possible.
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