EDF explique le fonctionnement des pompes à chaleur aérothermiques
Les pompes à chaleur sont des appareils qui fonctionnent comme un réfrigérateur à l’envers, déplaçant la chaleur de l’air ou du sol à l’extérieur d’un bâtiment vers son intérieur, grâce à la circulation d’un réfrigérant. Dans le cas d’une pompe à chaleur à air, par exemple, l’énergie thermique de l’atmosphère – bien qu’elle puisse être plus froide que l’air à l’intérieur du bâtiment en question – est néanmoins suffisamment chaude pour provoquer l’évaporation du réfrigérant liquide dans un gaz. Ce gaz est ensuite envoyé dans un compresseur, ce qui augmente la pression du gaz et fait monter sa température en même temps. La chaleur du gaz peut ensuite être utilisée pour réchauffer le bâtiment, tandis que le réfrigérant se refroidit et revient à son état liquide d’origine, permettant au processus de recommencer.
Les origines des principes scientifiques qui sous-tendent les pompes à chaleur remontent aux Lumières écossaises du 18e et du début du 19e siècle.
En 1756, le professeur chimiste William Cullen de l’Université d’Édimbourg fit la première démonstration publique de réfrigération artificielle.
Il a créé une petite quantité de glace en utilisant une pompe pour créer un vide partiel sur un récipient d’éther diéthylique, abaissant son point d’ébullition de sorte qu’il bouilli et absorbant la chaleur de son environnement dans le processus.
Malgré le succès de la preuve de concept, le processus de réfrigération du professeur Cullen n’a trouvé aucune application commerciale.
Près d’un siècle plus tard, en 1852, le mathématicien britannique William Thomson, baron Kelvin, a développé l’idée, proposant un appareil qui pourrait pomper l’énergie d’une région à basse température – disons, l’extérieur – vers une région plus chaude en brûlant du carburant pour faire le travail.
De cette façon, les pompes à chaleur peuvent extraire la chaleur d’un environnement plus froid sans violer la deuxième loi de la thermodynamique, qui postule que l’entropie augmente toujours.
Les pompes à chaleur ont une histoire qui remonte à plus de deux siècles et a une grande influence britannique (Image : Getty Images)
Les pompes à chaleur fonctionnent comme un réfrigérateur à l’envers, déplaçant la chaleur de l’extérieur vers l’intérieur (Image : Getty Images)
La première véritable pompe à chaleur a été lancée par l’ingénieur autrichien Peter von Rittinger quatre ans plus tard, en 1856, bien qu’il l’ait qualifiée de « pompe à vapeur ».
Comme le dit l’aphorisme, la nécessité est la mère de l’invention – et la machine a été créée pour fournir aux salines d’Ebensee un moyen économiquement viable d’extraire le sel de la saumure face à une pénurie locale de carburant.
Une fois chauffé jusqu’à 212 F (100 C) pour lancer le processus, ce récipient à vapeur fermé exploitait la chaleur latente de la vapeur d’eau évaporée de la saumure pour chauffer davantage la saumure.
La clé du système était un compresseur mécanique – alimenté par une roue hydraulique – qui augmentait la pression et la température de la vapeur avant de l’introduire dans une cavité sous le récipient contenant de la saumure.
De cette façon, l’eau s’accumulerait dans la cavité sous forme de sel précipité dans le récipient au-dessus.
La pompe à vapeur présente une différence notable par rapport à ses successeurs du système de chauffage domestique – en particulier dans la façon dont la vapeur d’eau mélangée à la saumure sert à la fois de réfrigérant et de liquide à chauffer.
En 1756, William Cullen a fait la première démonstration publique de réfrigération artificielle (Image : domaine public)
Lord Kelvin a proposé un appareil capable de pomper l’énergie d’une région à basse température vers une région plus chaude (Image : domaine public / MM. Dickinson, Londres, New Bond Street)
Poursuivant ce concept avec un compresseur à piston diphasique, le physicien suisse Antoine-Paul Piccard de l’Université de Lausanne et l’ingénieur Jules Weibel ont construit un système de compression de vapeur qui a été installé dans les salines de Bex en 1877.
Ce n’était pas le seul rôle de la Suisse dans l’histoire des pompes à chaleur. En 1928, l’ingénieur slovaque Aurel Stodola construit une pompe à chaleur en boucle fermée qui utilise l’eau du lac Léman pour chauffer l’hôtel de ville de Genève. Il fonctionne encore jusqu’à nos jours.
Et entre 1937 et 1945, les entreprises Sulzer, Escher Wyss et Brown Boveri ont installé quelque 35 pompes à chaleur dans toute la Suisse, ce qui a contribué à atténuer les pénuries de charbon.
L’un de ces systèmes, la pompe Escher Wyss qui chauffait l’hôtel de ville de Zurich, a duré 63 ans en service jusqu’à ce qu’il soit remplacé par un modèle moderne en 2001.
La première pompe à chaleur à grande échelle du Royaume-Uni a été construite à Norwich par John Sumner (Photo : Facebook / Finn Geotherm)
Au Royaume-Uni, la première pompe à chaleur à grande échelle a été bricolée à partir de pièces récupérées par l’ingénieur John Sumner pour le service électrique du conseil municipal de Norwich en 1945.
Le système – qui utilisait de l’eau de la rivière Wensum adjacente et un réfrigérant au dioxyde de soufre – avait une puissance de pointe de 234 kW et était capable de faire circuler de l’eau autour du bâtiment du service électrique à 122–131F (50–55C).
En 1948, M. Sumner a également installé 12 pompes à chaleur géothermiques dans des maisons à la demande du riche philanthrope britannique Lord Nuffield, et a développé un système similaire qu’il a utilisé pour chauffer sa propre maison au début des années 1950.
L’année suivante, l’ingénieur a construit une pompe à essence à deux étages utilisant des compresseurs modifiés à partir de moteurs d’avion Merlin qui utilisaient la Tamise comme source de chaleur pour le Royal Festival Hall de Londres.
Comme l’a dit l’hydrogéologue David Banks : « Le projet de 2,5 MW est parfois décrit comme un échec, même s’il n’est pas toujours clairement indiqué que le problème était qu’il fournissait trop de chaleur.
La pompe, a-t-il expliqué, fournissait « de l’eau chaude jusqu’à 82 °C [180F] ».
Malgré l’efficacité de ces systèmes, cependant, ils n’ont pas été largement reproduits au Royaume-Uni en raison du bon marché relatif des combustibles fossiles comme le charbon et, plus tard, du pétrole et du gaz de la mer du Nord – contrairement aux pays nordiques comme la Suède, où le développement du nucléaire Les réacteurs des années 70 et 80 ont facilité une poussée vers des méthodes de chauffage efficaces à l’électricité.
Comme l’écrivait l’auteur britannique J Gordon Cook dans le magazine Spectator en 1948 : « En ces temps de progrès matériel, alors qu’on fait tant de suffrages pour la science en tant que garantie de prospérité, il semble incroyable qu’un dispositif tel que la chaleur la pompe aurait dû échapper à l’attention qu’elle mérite.
