Le principe de la pompe à chaleur n'est pas tout récent c'est la naissance de la thermodynamique qui jettera les bases à partir de 1824 des diverses règles qui définiront les lois de la pompe à chaleur, de grands chercheurs comme Sadi Carnot , James Prescott Joule , Lord Kelvin ,Rudolf Clausius en seront les précurseurs.
Cette science est résumée dans cette phrase :
“Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme."
Elle étudie les transformations et les comportements thermiques de l'énergie. La thermodynamique démontre que toutes les molécules d'un corps bougent et créent une énergie sous forme de chaleur. Cette énergie peut être canalisée, à l'aide d'une machine pour être utilisée de différentes façons.
Les débuts de la thermodynamique
Les fondateurs de la thermodynamique
Les premières recherches sur le thème de la thermodynamique débutent dans les années 1820 par le chercheur français, Sadi Carnot. À cette époque, il crée le cycle portant son nom quand il comprend que l'énergie mécanique peut devenir de l'énergie thermique grâce au rapport entre la chaleur et le travail. Sur cette base, l'ingénieur physicien français Clapeyron établit, quelques années plus tard, la formule de Clapeyron. Celle-ci définit l'évolution de la pression de changement d'état d'un corps pur en fonction de la température. Peu de temps après, le physicien anglais, James Prescott Joule, introduit la théorie du principe de conservation de l'énergie. La première loi de la thermodynamique voit ainsi le jour. Rappelons que cet homme est mondialement connu car l'unité de l'énergie, du travail et de la quantité de chaleur porte son nom : le joule. L'un des fondateurs centraux de la science de la thermodynamique est Emmanuel Clausius. Il reformule le cycle de Carnot et énonce les bases de la deuxième loi de la thermodynamique en se basant sur la théorie mécanique de la chaleur. Les pompes à chaleur électriques et les pompes à chaleur entraînées par une énergie primaire, telles qu'elles sont développées de nos jours ont donc pour origine les idées de Lord Kelvin ! En effet, c’est lui qui, en 1851 met en avant l'échelle thermodynamique de température et propose, pour la première fois, d’utiliser une machine thermodynamique pour le chauffage.
L’entropie et l’enthalpie
La définition du deuxième principe de thermodynamique est améliorée grâce au concept d’entropie. L’entropie vient du grec et signifie transformation. Ce terme représente le principe de la dégradation de l'énergie ou son degré de désordre. L’enthalpie est, quant à elle, introduite par Mollier. Elle représente l'énergie totale gagnée ou perdue par un fluide au cours du cycle de réfrigération. En bref, Mollier propose une méthode de calcul plus simple du cycle de compression. Ces scientifiques sont donc tous un peu à la base des lois de la PAC. La naissance de la pompe à chaleur est révolutionnaire vu qu’actuellement, elle produit en moyenne trois à quatre fois plus d'énergie qu'elle n'en consomme !
L'éveil de la pompe à chaleur
L'ingénieur américain, Willis Carrier, est l'inventeur de la climatisation en 1902. Il crée, dès les années 1930, les premières pompes à chaleur à l'aide d'appareils de conditionnement d’air assurant ainsi un chauffage électrique et une source de chaleur. Son objectif est de satisfaire aux exigences des périodes de chauffage et de rafraîchissement. Il associe deux condenseurs et deux évaporateurs à un seul compresseur. Ce n'est que 25 ans plus tard que les scientifiques arrivent à maîtriser le système du circuit frigorifique. Avec une expérience à peine acquise dans les matériels de conditionnement d’air et de réfrigération, des fabricants américains commencent, à la fin des années 1950, à produire des pompes à chaleur. Les producteurs d'électricité voient en ce type de climatisation réversible un moyen d'augmenter leurs ventes. Il est donc grand temps de commencer à développer ce type de marché !
Crise pétrolière et pompe à chaleur
Le milieu des années 1970 voit le secteur pétrolier en crise lorsque les approvisionnements en pétrole du Moyen-Orient sont brusquement stoppés. Les conséquences sont majeures. D'un côté, les pays de l'OCDE (Organisation de coopération et de développement économique) font face à une provision limitée en pétrole et de l'autre, les fournisseurs en électricité voient la construction de nouvelles centrales électriques freinée, pour le nucléaire. Les gouvernements des pays industrialisés décident alors de créer des programmes d’économie d’énergie. L'utilisation des PAC pour le chauffage résidentiel est alors encouragée dès 1980. En France, EDF, en collaboration avec CETIAT (Centre Technique des Industries Aérauliques et Thermiques) développe le programme de recherche PERCHE (PAC en Relève de Chaudière) tentant d'introduire les pompes à chaleur dans les zones résidentielles. C'est ainsi que dès 1982, plus de 52 000 pompes à chaleur sont installées dans de nombreux foyers français.
Les enjeux environnementaux (1980-2000)
Au cours des années 1980, la croissance du marché des pompes à chaleur est freinée par le coût et la disponibilité limitée de combustibles comme le gaz naturel. Le Protocole de Montréal de 1987 se concentre sur la question de la réduction de la couche d’ozone. Il limite alors la production de fluides frigorigènes de type CFC (chlorofluorocarbones). Quelques années plus tard, c'est l’Accord de Copenhague qui décide, à son tour, de limiter les HCFC (hydro chlorofluorocarbones). Ces deux accords mondiaux répondent aux exigences de réduction de l’impact environnemental. De nouveaux défis pour les fabricants et les fournisseurs d’énergie voient le jour. Il leur faut tout d’abord trouver des alternatives adaptées aux fluides frigorigènes traditionnels. Ensuite, ils savent qu'ils doivent proposer des produits plus performants qui respectent les réglementations sur l’efficacité énergétique. Il est alors grand temps de travailler à l'efficacité des pompes à chaleur, des climatiseurs et de leur mode rafraîchissement !
La pompe à chaleur aujourd'hui
La fin du 20ème siècle est témoin du développement certain du marché des PAC et de grands développements technologiques. Le secteur est en pleine croissance dans des pays émergents, en Asie et en Europe de l'Est. Des pays comme la Chine connaissent d'ailleurs une forte croissance de l'usage du conditionnement d'air. L'objectif mondial commun est d'effectuer des économies d'énergie et de réduire les impacts sur notre environnement. L'utilisation des PAC est une excellente façon d'y arriver ! Au cours des années 2010, le marché de la climatisation réversible est en plein essor. L'utilisation des PAC aérothermiques réversibles pour le chauffage passe de 2,2 % en 2010 à 3,3 % dans les résidences principales en 2014. D'ici 2035, on estime que 20 % du parc de logements en sera équipé. 50 % en 2050. (source Afpac.org) Actuellement, les PAC sont donc LA solution écologique et économique pour chauffer et rafraîchir un logement.
Souces :AFPAC, ASHRAE, CETIAT
