Comment une pompe à chaleur produit-elle plus de chaleur que l'électricité qu'elle consomme ?

De la chaleur à partir de rien ?

Cette boîte semble créer de la chaleur à partir de rien. Une unité d'électricité entre, et environ trois unités de chaleur sortent de l'autre côté. Mais rien n'est créé ici: l'énergie manquante est bien visible, dans l'air froid hors de la maison. Suivez le fluide dans quatre composants du circuit, et ce surplus de chaleur s'explique.

Des radiateurs qui fabriquent de la chaleur

Commençons par un chauffage que la plupart des gens comprennent. Un radiateur électrique fait passer du courant dans un fil résistif, qui transforme cette énergie en chaleur. Une unité entre, une unité de chaleur sort, et le fil seul ne peut pas faire mieux. Une chaudière à gaz brûle du combustible, et sa chaleur ne dépasse jamais l'énergie de ce combustible.

Ces deux machines fabriquent de la chaleur. Une pompe à chaleur déplace surtout une chaleur qui existe déjà.

L'air froid contient encore de la chaleur

Tout ce qui est au-dessus du zéro absolu contient de l'énergie thermique. Le zéro absolu est d'environ moins deux cent soixante-treize degrés Celsius. L'air à zéro degré, qui glace les mains, reste donc bien au-dessus de ce plancher. Le problème: la chaleur ne va d'elle-même que du plus chaud vers le plus froid.

Pour amener la chaleur de l'air extérieur froid dans une pièce chaude, il faut lui faire remonter la pente. C'est cet effort que paie vraiment l'électricité.

Un liquide qui bout sous zéro

Le fluide d'une pompe à chaleur s'appelle un réfrigérant. Il est choisi pour bouillir sous la température de congélation de l'eau. Un réfrigérant courant, le R trente-deux, bout vers moins cinquante-deux degrés Celsius à pression atmosphérique normale. L'ébullition absorbe de la chaleur, comme l'eau qui bout absorbe l'énergie du feu sans devenir plus chaude.

Dans le serpentin extérieur, si le réfrigérant est plus froid que l'air, il bout en absorbant sa chaleur. Un ventilateur souffle l'air extérieur sur le serpentin pour entretenir cet apport.

Le compresseur

Le réfrigérant est maintenant une vapeur froide à basse pression, chargée de cette chaleur. C'est dans le compresseur que l'électricité travaille. Il comprime la vapeur dans un volume plus petit, et ce travail élève sa pression et sa température. La vapeur qui sort du compresseur est plus chaude que la pièce à chauffer.

Voilà la remontée de la pente, assurée par le travail électrique.

La chaleur sort à l'intérieur

La vapeur chaude rejoint le serpentin intérieur. Plus chaude que l'air de la pièce, elle cède sa chaleur d'elle-même. En cédant cette chaleur, le réfrigérant redevient liquide. Un ventilateur ou un circuit d'eau distribue la chaleur dans les pièces, par des bouches, des radiateurs ou le sol.

Le détendeur

Le liquide est encore à haute pression: il lui reste un passage à franchir. Un détendeur le fait passer par une ouverture étroite vers le côté basse pression. La chute brutale de pression refroidit fortement le réfrigérant. Refroidi, il rejoint le serpentin extérieur, à une température inférieure à celle de l'air.

Et la boucle recommence, tant que le système tourne.

D'où viennent les trois unités

Le bilan énergétique s'équilibre. Dans notre exemple, sur trois unités de chaleur livrées, une vient de l'électricité du compresseur. Le serpentin froid a capté les deux autres dans l'air extérieur. Le rapport entre chaleur livrée et travail électrique s'appelle le coefficient de performance, ou C O P.

Notre exemple a un C O P de trois. Selon l'Agence internationale de l'énergie, une pompe domestique typique a un C O P d'environ quatre. Aucune énergie n'est créée. L'électricité achète du transport, et transporter coûte moins cher que créer.

Pourquoi le rapport a un plafond

Mais ce rapport ne peut pas croître sans limite. La physique fixe un plafond selon deux températures: d'où vient la chaleur, et où elle va. Pour une pompe à chaleur parfaite et réversible, ce plafond est la température du côté chaud divisée par l'écart de température, en partant du zéro absolu.

Dans le cas d'école, zéro degré dehors et vingt dedans, ce plafond idéal est d'environ quatorze virgule sept. Avec dix degrés dehors, le plafond double à peu près, à environ vingt-neuf. Les machines réelles restent bien en dessous: les serpentins ont besoin d'un écart en plus pour transférer vite la chaleur, et compresseur et ventilateurs perdent de l'énergie. La leçon utile, c'est la forme de la formule.

Plus l'écart thermique à franchir est grand, plus ce plafond baisse.

Les jours les plus froids

Et l'écart est maximal quand la maison a le plus besoin de chaleur. Plus il fait froid dehors, plus l'écart à franchir grandit, et le C O P baisse. En deux mille vingt-trois, un commentaire de la revue Joule a réuni quelque deux mille sept cents mesures issues d'environ cinq cent cinquante pompes, dans sept études de terrain en Europe, Amérique du Nord et Chine.

Entre cinq et moins dix degrés, le C O P moyen était de deux virgule soixante-quatorze. Aucune étude n'y descendait sous deux virgule quatre en moyenne. Deux modèles pour climat froid ont été testés en Finlande à moins trente degrés. L'un donnait encore une et demie à deux unités de chaleur par unité d'électricité, l'autre une à une et demie.

L'hiver a un autre coût. Vers zéro degré, le serpentin extérieur peut givrer, et le dégivrer coûte de l'énergie. Beaucoup de pompes aérothermiques ont aussi un appoint pour les heures les plus froides, et un appoint électrique fonctionne comme le fil du début: une unité entre, une sort.

Dans ces études, l'appoint ne s'allumait en général que sous moins dix degrés environ.

Les pays froids les utilisent déjà

Le froid seul n'a pas empêché leur adoption. Selon l'Agence, environ soixante pour cent des bâtiments norvégiens ont une pompe à chaleur. En Suède et en Finlande, la part dépassait quarante pour cent. Là-bas, se chauffer l'hiver n'est pas facultatif.

La température intérieure compte

L'autre température en jeu est celle du logement. Beaucoup de systèmes anciens font circuler de l'eau entre soixante et soixante-dix degrés Celsius. Pour fournir une eau aussi chaude, une pompe à chaleur doit franchir un écart thermique accru, ce qui réduit son efficacité. C'est pourquoi les installateurs agrandissent parfois les radiateurs, ajoutent un plancher chauffant ou améliorent l'isolation.

Un logement bien isolé peut être chauffé à une température de distribution plus basse, réduisant l'écart côté intérieur.

L'efficacité n'est pas la facture

Un C O P élevé ne garantit pas une facture plus basse. Elle dépend de la chaleur nécessaire, du C O P sur toute la saison, et du prix de l'électricité face au combustible remplacé. Voici un exemple du ministère américain de l'Énergie.

Une pompe au C O P saisonnier de trois, remplaçant un chauffage au gaz qui convertit quatre-vingts pour cent du combustible en chaleur, est trois virgule soixante-quinze fois plus efficace. Elle revient moins cher tant que l'électricité coûte moins d'environ trois virgule soixante-quinze fois le gaz, à énergie égale. Au-delà, elle peut coûter plus à l'usage, tout en consommant bien moins d'énergie.

L'installation est l'autre obstacle. Selon l'Agence, même les pompes air-eau les moins chères coûtent deux à quatre fois le prix d'une chaudière à gaz sur la plupart des grands marchés, avant subventions. Les fuites de réfrigérant comptent aussi: certains sont de puissants gaz à effet de serre.

L'agence estimait toutefois qu'avec les réfrigérants actuels, la pompe réduit ces émissions d'au moins vingt pour cent face à une chaudière à gaz, et jusqu'à quatre-vingts avec une électricité plus propre.

Deux exceptions

Toutes les pompes à chaleur ne puisent pas dans l'air extérieur. Les pompes puisant dans le sol ou l'eau captent la chaleur du sol, des nappes souterraines ou d'une rivière proche, généralement plus chauds que l'air en hiver. Ce moindre écart augmente leur C O P, et aucun serpentin extérieur n'est à dégivrer. La contrepartie est le coût: la boucle enterrée exige un forage profond ou un vaste réseau de tuyaux.

La même machine peut aussi marcher à l'envers. Une vanne d'inversion échange les rôles des deux serpentins: en été, le serpentin intérieur capte la chaleur et l'extérieur la rejette, comme un climatiseur.

Quatre conditions à vérifier

Cette boîte ne viole pas les lois physiques. Elle consomme une unité d'électricité pour transférer la chaleur malgré un écart de température. La chaleur qu'elle transporte dépend de quatre facteurs vérifiables. Le froid qu'il fait dehors chez vous.

La température requise pour l'eau ou l'air dans votre logement. La capacité du bâtiment à retenir la chaleur. Et le prix de l'électricité face au combustible remplacé. Réduisez l'écart, et chaque unité d'électricité fera entrer plus de chaleur.