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Fonctionnement d'une pompe à chaleur pour automobile

Equipement qui devient de plus en plus courant avec la "généralisation" des voitures hybrides et électriques, la pompe à chaleur permet alors de produire du chaud en réduisant au maximum le coût énergétique, exactement dans les mêmes proportions que dans les habitations, à savoir un besoin électrique divisé par 3 ou 4..
En effet, comme il n'y a pas de moteur thermique qui offre généreusement sa chaleur, il faut trouver un autre moyen d'arriver à produire du chauffage. On a alors le choix entre des résistances très énergivores (équivalentes à vos radiateurs électriques muraux) ou encore une pompe à chaleur.

Différence entre pompe à chaleur et climatisation ?

En réalité il n'y a aucune différence entre pompe à chaleur et climatisation, les deux dispositifs sont en effet constitués de la même manière et leurs modes de fonctionnement sont identiques. La différence réside dans le fait que la pompe à chaleur a un dispositif permettant d'envoyer le chaud produit par le compresseur dans l'habitacle. Une simple climatisation se limite à vous procurer du froid et rejeter le chaud à l'extérieur de l'habitacle. Ici on peut faire les deux, d'où l'appellation de pompe à chaleur réversible quand on parle d'habitation. Une pompe à chaleur "simple" est donc l'inverse d'une climatisation de voiture, à savoir qu'elle n'est ici conçue que pour produire du chaud ...

Principe de la pompe à chaleur : les grandes lignes

Le principe des climatisations et pompe à chaleur consiste à exploiter les changements de température liées à la compression ou la détente d'un gaz (le principe physique de la loi de conservation de l'énergie induit qu'en compressant un gaz il chauffe et quand on le détend il refroidit). Quand j'utilise une pompe à vélo cette dernière chauffe au niveau de l'embout (jusqu'à presque se brûler), car l'air que j'envoie dans la roue est compressé par le fait que je pompe (l'air a du mal à enter dans la chambre à air, le le pousse donc en "l'écrasant" (écraser = comprimer).
On a donc, que ce soit sur une clim ou pompe à chaleur, une zone froide et une zone chaude sur le circuit. Quand on va vouloir du chaud on va se servir juste après le compresseur et quand on voudra du froid on fera la même chose côté détendeur.

Voici le schéma que nous allons utiliser pour expliquer le fonctionnement de cette fameuse pompe à chaleur

Bien évidemment, dans une problématique de températures différentielles (afin de maximiser le chaud ou le froid), on va refroidir plus ou moins certaines zones du circuit pour obtenir plus de froid ou plus de chaud selon les besoins. En effet, si par exemple je veux du chaud, mieux vaut que je compresse un gaz qui est à 20 degrés plutôt qu'un gaz à 5 degrés. Si on admet que la compression va (chiffre au hasard qui sert d'exemple uniquement) induire une hausse de 30 degrés, j'aurais 50 degrés en partant de 20 degrés (20 + 30 = 50) et 30 degrés en partant de 0 (0 + 30 = 30).
Donc si je veux générer de la chaleur, autant se débrouiller à ce que le liquide que je veux compresser arrive le plus chaud possible.
Bien entendu, pour générer du froid ça sera l'inverse, à savoir qu'il faut que je refroidisse le plus possible le fluide que je vais détendre par la suite. Si on admet que la détente va me réduire de 30 degrés la température du fluide (si on garde le même exemple mais dans l'autre sens), alors j'aurais -30 degrés en partant de 0 (0 - 30 = -30) et -10 degrés en partant de 20 degrés (20- 30 = -10).

Voici la réalité bien qu'ici on intègre aussi la gestion thermique du moteur électrique et la batterie. En réalité la régulation de la température dans une voiture électrique est très complexe ...

Notons donc que dans un cas on va se servir du condenseur / radiateur frontal comme refroidisseur (mode froid / climatisation) et dans l'autre on va s'en servir de réchauffeur (mode chaud / chauffage). L'avantage d'une voiture électrique est qu'on va pouvoir exploiter la chaleur de la batterie pour accroître d'autant plus la température du gaz (plus que l'air ambiant en tout cas), dans le cas où il me faut chauffer mon fluide (mode

Voyons donc les deux manières de fonctionner de la pompe à chaleur, qui est donc réversible (un sens ou l'autre / froid ou chaud).

Mode climatisation

Ici on reprend le fonctionnement classique de la climatisation. Nous allons partir du compresseur et faire le cycle entier pour bien comprendre.

1. Départ du compresseur, je reçois un gaz frais et détendu que je comprime : ce gaz devient chaud car comprimé
2. Le gaz passe par le radiateur de chauffage, qui est ici fermé pour ne pas que l'habitacle ne reçoive de chaud (2 volets présents devant en position fermée)
3. Le gaz continue sa route vers le radiateur de climatisation (condenseur), ce qui refroidit le gaz et le liquéfie (qu'il soit gazeux ou liquide n'a pas d'importance, ne vous encombrez pas de cette donnée)
4. Le fluide arrive refroidi au détendeur 2, on le détend pour générer du froid (ce qui le rend donc gazeux). Si le fluide n'avait pas été refroidi par le radiateur (grâce à l'air ambiant) on aurait obtenu un froid bien moins intense au niveau du détendeur, comme je l'explique dans le chapitre précédent avec les températures différentielles
5. Le gaz froid passe par un radiateur situé dans les conduits d'aération de l'habitacle : on a un air froid et séché qui arrive dans l'auto (il est séché car l'humidité de l'air est captée par condensation sur la fameux radiateur)
6. le gaz revient vers le compresseur en passant par une filtre déshydrateur (qui enlève humidité et impuretés dans le fluide) que j'ai incarné par un tube bleu clair.

Mode chauffage

Passons maintenant au mode chauffage. Tout est quasiment identique à la différence qu'on va optimiser les résultats obtenus en réchauffant le plus possible le gaz qui arrive au compresseur (en compressant du chaud j'ai encore plus de chaud ! Le but est de maximiser la chauffe).

1. Départ au niveau du compresseur qui va donc compresseur le gaz et générer du chaud (dois-je rappeler à ce stade que compresser quelque chose génère de la chaleur ?), on a donc du chauffage au niveau du radiateur de chauffage dans l'habitacle. Mais ne nous arrêtons pas là évidemment, finissons la boucle.
2. Le gaz arrive au détendeur pour justement le détendre ... Il faut bien le détendre car si je le laisse comprimé le compresseur n'arrivera pas à le comprimer de nouveau lors du prochain cycle, et même si il arrivait à le faire ce serait l'escalade avec une pression qui deviendrait trop importante
   
3. Une fois détendu et très refroidi, on va alors le réchauffer par le biais du radiateur de climatisation qui se situe au niveau du pare-chocs. Le but est de compresser un gaz qui est à la base le plus chaud possible, ceci pour atteindre des températures encore plus importantes.
4. Le gaz légèrement réchauffé par l'air ambiant passe de nouveau dans le compresseur pour qu'on génère une forte chaleur. Cette chaleur est alors acheminée dans le radiateur de chauffage côté habitacle et c'est reparti pour un tour !

Pourquoi parle-t-on de calories dans l'air ?

Vous connaissez bien la formule, une pompe à chaleur est censée capter les calories présentes dans l'air, une formulation qui semble indiquer que le dispositif est techniquement très avancé ! En effet, pouvoir attraper des calories dans l'air semble assez pointu comme action.
Rassurez-vous, derrière cette formulation un peu pompeuse (c'est le cas de le dire), il s'agit seulement de réchauffer le fluide qu'on vient de détendre grâce à l'air ambiant ... Résultat, le fait de chauffer un peu ce fluide (gratuitement donc) permet d'accroître encore plus la température dans le compresseur (en compressant un gaz je produis de la chaleur, donc autant compresser un gaz en l'ayant réchauffé le plus possible si je veux accroître d'autant la chaleur). Vous devinerez donc que quand il fait très froid on perd largement sur cet "effet levier".

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