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AP 2.1: la pompe à chaleur

I - Introduction

Vous pouvez trouver différentes pompe à chaleur et chacune présente des technologies différentes et surtout une efficacité énergétique très variable suivant le choix de l’apport énergétique.

Dans cette application pratique, on va :

-          Dans un 1er temps s’intéresser à comprendre ce que peut être la réversibilité d’un PAC.

-          Puis par des mesures sur notre système, définir le coefficient de performance de notre PAC

-          Et en conclusion, faire une application sur l’efficacité énergétique d’une PAC

  

II - La technologie d'une PAC

Beaucoup de fabricant et d’installateur proposent des PAC dites « réversibles » ; de quoi s’agit-il ? Comment fonctionnent-elles ?

2.1 La PAC en mode de chauffage

a)      Regarder  l’animation « waermepumpe.exe » disponible sur votre ordinateur (où à télécharger: « waermepumpe.exe »)

b)      Compléter le schéma suivant en indiquant :

  • dessiner en bleu les parties froides
  • dessiner en rouge les parties chaudes
                    

c)      La PAC produisant aussi du froid, dans quels éléments pouvons-nous évacuer ce froid ?

2.2 PAC réversible en mode « Chauffage »

 

a)      Regarder  l’animation « revwp.exe» disponible sur votre ordinateur (où à télécharger: «revwp.exe»). La PAC sera dans un premier temps utilisée en chauffage

b)      Compléter le schéma suivant en indiquant :

 

  • dessiner en bleu les parties froides
  • dessiner en rouge les parties chaudes
           

2.3    PAC réversible en mode « Refroidissement »

a)      Regarder  l’animation « revwp.exe» . La PAC sera maintenant utilisée en refroidissement

b)      Compléter le schéma suivant:

  • dessiner en bleu les parties froides
  • dessiner en rouge les parties chaudes
           

 

2.4    Analyse

a)      Expliquer globalement le fonctionnement de cette pompe à chaleur

b)      A quoi sert maintenant l’élément 10 ?

  

III - Le coefficient de performance d'une PAC

   

3.1  Mise en service

La PAC est en fonctionnement (fait par l'enseignant). Afin de mesurer la puissance consommée, on utilise le compteur d'énergie permettant de relever la valeur de la puissance absorbée

  wattmètre utilisé

  

3.2   Essais et mesures

  1. Relever, sur le wattmètre, la puissance électrique consommée par notre PAC.
  1. Relever les différentes températures fournies par les sondes de température (soit sur l’automate soit en face avant de l’armoire à l’aide d’un voltmètre) et le débit d’eau Dl (sur l’automate) en l/min puis le convertir en l/s.
          

c. En déduire le débit massique Dm (en Kg/s).             Rappel : 1 litre =1 Kg

On sait que la chaleur massique de l’eau C est de 4180 J/Kg.K et que la puissance est une énergie par seconde (donc P = Q / t). Ainsi on pourra utiliser le débit massique à la place de la masse et au lieu d’obtenir l’énergie on obtiendra la puissance) :

d. En déduire la puissance « chaud » fournie.

    • Elaboration de la formule :

 Q =  ……………………………    (Formule générale de l’énergie)

Maintenant on divise les 2 membres de l’équation par le temps t :

Q/t=                            Or P = Q/t   et le débit massique Dm =  donc

P = …………………..   (Cette démonstration est à savoir refaire !)

    • Calcul (application numérique) :   P = ………………….. ……………………………….. 

 

e. En déduire l’efficacité de la PAC (appelé coefficient de performance ou COP).

  

IV - Application sur la notion d'efficacité

Pour la pompe à chaleur, on ne cherche pas à calculer le rendement pour juger de son efficacité car une partie de l’énergie est puisée dans la nature sous forme de « calories » (eau, air, terre, …)  et est donc gratuite.

4.1 Pour calculer l’efficacité (appelé COP), on compare la puissance (ou plutôt l’énergie consommée payée) et l’énergie produite.                                                            

Exemple : pompe à chaleur air/eau, compresseur (puissance mesurée : 2563 W), débit d’eau chauffée (0,66m3/h). On mesure, en fonctionnement nominal, la température d’arrivée d’eau (32°C) et de sortie d’eau (40°C). Sachant que la capacité thermique de l’eau est C=4185 J/Kg-1.K-1 :

4.2 Calculer la puissance (chaleur) fournie à l’eau.

4.3 En déduire l’efficacité (Putile/Pconsommée). Conclure

  

V - Impact environnemental

A partir du document «Les fluides frigorigènes _ impacts environnementaux.pdf » ou le site : http://www.ef4.be/fr/pompes-a-chaleur/impact-environnemental/

et sachant que notre fluide réfrigérant est le R134a (tétrafluoroéthane) :

5.1  Quel est son impact sur la couche d’ozone

5.2  Quel est son impact au niveau du réchauffement climatique (en comparaison au CO2)

  

VI - Conclusion

Que pensez-vous globalement de la PAC comme moyen de chauffage ?