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Auteurs :
Me Béatrice JOURDON Professeur de Génie Electrique
M Abdoulaye NDIAYE Professeur de Physique Appliquée
au Lycée Paul LANGEVIN
de MARTIGUES (Bouches
du Rhône)

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SOMMAIRE :
1 THEORIE DE FONCTIONNEMENT ...................................................... 6
1.1 Rappels de thermodynamique .......................................................... 6
1.1.1 Notions fondamentales ................................................................................................................ 6
1.1.1.1 Système thermodynamique .................................................................................................... 6
1.1.1.2 Variables et équations d’états .............................................................................................. 7
1.1.1.3 Evolution d’un système ............................................................................................................ 8
1.1.1.4 Gaz parfaits / Gaz réels ......................................................................................................... 8
1.1.2 Énergie, travail et chaleur .......................................................................................................... 9
1.1.2.1 Énergie ......................................................................................................................................... 9
1.1.2.2 Travail .......................................................................................................................................... 9
1.1.2.3 Chaleur ....................................................................................................................................... 10
1.1.3 Le premier principe ..................................................................................................................... 10
1.1.4 L’enthalpie....................................................................................................................................... 11
1.1.5 Le second principe ........................................................................................................................ 11
1.1.6 Thermodynamique des systèmes ouverts ............................................................................ 13
1.1.6.1 Premier et second principes pour un système ouvert ................................................. 13
1.1.6.2 Application à la détente de JOULE-KELVIN ................................................................. 14
1.1.6.3 Application au compresseur à piston ................................................................................ 15
1.1.7 Quelques propriétés des corps purs ..................................................................................... 16
1.1.7.1 Les différents états d’un corps pur ................................................................................. 16
1.1.7.2 Diagramme d’équilibre d’un corps pur ............................................................................... 17
1.1.7.3 Chaleur latente ou enthalpie de transition de phase ................................................... 18
1.1.7.4 Formule de Clapeyron ............................................................................................................ 19
1.1.7.5 Application à l’équilibre liquide - gaz d’un gaz réel ...................................................... 20
1.1.7.6 Les diagrammes thermodynamiques ................................................................................. 22
1.1.7.6.1 Généralités ........................................................................................................................ 22
1.1.7.6.2 Le diagramme entropique ............................................................................................. 22
1.1.7.6.3 Le diagramme enthalpique ............................................................................................ 23
1.2 Principe de fonctionnement de la Pompe À Chaleur (PAC) .......................... 24
1.2.1 Les machines thermiques ......................................................................................................... 24
1.2.1.1 Généralités et classification .............................................................................................. 24
1.2.1.2 Les machines génératrices d’énergie thermique .......................................................... 24
1.2.1.2.1 Généralités ........................................................................................................................ 24
1.2.1.2.2 Machine ditherme, tritherme ..................................................................................... 25
1.2.2 Les Coefficients de Performance d’une pompe à chaleur .............................................. 25
1.2.2.1 Définition ................................................................................................................................. 25
1.2.2.2 COP d’une PAC ditherme idéale ......................................................................................... 25
1.2.2.3 COP d’une PAC tritherme idéale ....................................................................................... 27
1.2.3 Les Technologies des pompes à chaleur .............................................................................. 29
1.2.3.1 Les phénomènes de transfert thermique ....................................................................... 29
1.2.3.2 Les différents types de PAC.............................................................................................. 30
1.2.4 Cycles de fonctionnement d’une PAC ..................................................................................... 31

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1.2.4.1 Généralités ............................................................................................................................... 31
1.2.4.2 Cycles à compression mécanique de vapeur .................................................................... 31
1.2.4.2.1 Le cycle idéal ..................................................................................................................... 31
1.2.4.2.2 Quelques grandeurs caractéristiques du cycle idéal ........................................... 33
1.2.4.2.2.1 Bilan des échanges de chaleur et de travail ................................................... 34
1.2.4.2.2.2 Le Coefficient de performance théorique ...................................................... 34
1.2.4.2.2.3 Bilan global ................................................................................................................ 34
1.2.4.2.3 Cycle réel à compression mécanique de vapeur liquéfiable ................................ 34
1.2.4.2.3.1 Ecarts par rapport au cycle théorique ............................................................. 34
1.2.4.2.3.2 Le cycle réel ............................................................................................................. 36
1.2.4.3 Cycle à compression thermique de vapeur ..................................................................... 37
1.2.4.3.1 Introduction ..................................................................................................................... 37
1.2.4.3.2 Le cycle à absorption ..................................................................................................... 38
1.2.4.4 Cycle thermodynamique à air ............................................................................................. 38
1.2.5 Caractéristiques réelles de la PAC à compression mécanique ...................................... 40
1.2.5.1 Chaleur et puissance calorifiques produites au condenseur ..................................... 40
1.2.5.2 Chaleur et puissance calorifiques extraites à l’évaporateur .................................... 40
1.2.5.3 Travail et puissance absorbées par le compresseur .................................................... 41
1.2.6 COP d’une PAC réelle à compression mécanique de vapeur ............................................. 41
1.2.6.1 Le coefficient de performance réel ................................................................................. 41
1.2.6.2 Les facteurs influents du COP............................................................................................ 41
1.2.6.3 Le COP global .......................................................................................................................... 42
1.2.6.4 Le coefficient d’exploitation .............................................................................................. 42
1.2.6.5 Le rendement de cycle ......................................................................................................... 42
1.3 Les fluides frigorigènes ............................................................... 43
1.3.1 Terminologie et nomenclature ................................................................................................ 43
1.3.1.1 Les composés inorganiques ................................................................................................. 43
1.3.1.2 Les composés organiques ..................................................................................................... 43
1.3.1.2.1 Les corps purs .................................................................................................................. 43
1.3.1.2.2 Les mélanges ..................................................................................................................... 44
1.3.1.2.3 Protection de l’environnement .................................................................................... 44
1.3.2 Critères de choix........................................................................................................................ 45
1.3.3 Les fluides thermodynamiques utilisés dans les cycles de PAC ................................... 46
2 TECHNOLOGIE ET CLASSIFICATION DES PAC ..................................... 48
2.1 Technologie des PAC .................................................................. 48
2.1.1 Le système à compression ....................................................................................................... 48
2.1.1.1 L’ évaporateur et le condenseur : l’échangeur de chaleur ......................................... 49
2.1.1.2 Le compresseur ...................................................................................................................... 50
2.1.1.3 Le détendeur ............................................................................................................................ 51
2.1.2 Le système à absorption .......................................................................................................... 53
2.1.3 Critères de choix. ...................................................................................................................... 54
2.2 Classification des PAC ................................................................. 55
2.2.1 Les PAC air / air ......................................................................................................................... 57
2.2.1.1 Procédé air extrait / air : ................................................................................................... 57

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2.2.1.2 Procédé air extérieur / air : .............................................................................................. 57
2.2.2 Les PAC air / eau ........................................................................................................................ 57
2.2.2.1 Procédé air extrait / eau & plancher (hiver / été) : ................................................... 57
2.2.2.2 Procédé air extérieur / eau & ventilo-convecteurs .................................................... 57
2.2.2.3 Procédé air extérieur / eau & plancher (hiver / été) : .............................................. 58
2.2.3 Les PAC eau / eau ....................................................................................................................... 58
2.2.3.1 Procédé eau / eau & plancher (hiver / été) : ................................................................. 58
2.2.3.2 Procédé eau / eau & ventilo-convecteurs (hiver / été) : ........................................... 58
2.2.4 Les PAC eau /air ......................................................................................................................... 59
2.2.5 Les PAC géothermiques ............................................................................................................ 59
2.2.5.1 Procédé à détente directe ou « sol-sol » ....................................................................... 59
2.2.5.2 Procédé avec fluide intermédiaire ou « eau glycolée-eau » ..................................... 60
2.2.5.3 Procédé mixte ou « sol-eau » ............................................................................................. 60
2.2.5.4 Procédé sur capteurs enterrés & plancher (hiver / été) ........................................... 61
2.2.5.5 Procédé sur capteurs enterrés & ventilo-convecteurs (hiver / été) ...................... 61
2.2.5.6 Procédé sol / air ...................................................................................................................... 61
2.3 Critères Economiques .................................................................. 62
2.3.1 Les primes et la subvention de l'ANAH .............................................................................. 62
2.3.2 Des aides d'EDF ......................................................................................................................... 62
2.3.3 Des incitations fiscales ............................................................................................................ 62
2.3.4 Coûts à titre indicatif ............................................................................................................... 63
2.3.4.1 Prix en € TTC ........................................................................................................................ 63
3 LIMITES DE FONCTIONNEMENT DES PAC .......................................... 64
3.1 Limites liées aux fluides frigorigènes ................................................ 64
3.2 Limites liées à la source et au milieu ................................................ 65
3.3 Limites liées aux températures minimales et maximales de fonctionnement ....... 66
4 APPLICATIONS DE LA PAC ............................................................. 67
4.1 Impacts sur l’environnement .......................................................... 67
4.1.1 La couche d’ozone ....................................................................................................................... 67
4.1.2 L’effet de serre .......................................................................................................................... 67
4.2 Applications pédagogiques ............................................................. 68
4.2.1 Dimensionnement et choix ....................................................................................................... 68
4.2.2 Régulation de puissance ............................................................................................................ 69
4.2.2.1 Régulation tout ou rien TOR ............................................................................................... 70
4.2.2.2 Variation de vitesse .............................................................................................................. 70
5 BIBLIOGRAPHIE ET LIENS INTERNET ............................................... 72
5.1 Bibliographie ........................................................................... 72

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5.2 Liens hypertexte ...................................................................... 73
6 ANNEXES ................................................................................ 74