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Pompe à chaleur

Pour optimiser le fonctionnement de ces installations, leurs dimensionnements, leurs installations et leurs entretiens sont affaires de professionnels. De nombreux points techniques doivent être étudiés.

Principe de fonctionnement

Une pompe à chaleur (PAC) est constituée de quatre organes :

  • Un évaporateur : la chaleur prélevée dans le milieu extérieur permet de rendre gazeux le fluide frigorigène. Il emmagasine de la chaleur.
  • Un compresseur  : il élève la pression et surtout la température du fluide frigorigène gazeux en le comprimant. Cette étape est consommatrice d’électricité.
  • Un condenseur : le fluide frigorigène libère sa chaleur dans l’habitation en passant de l’état gazeux à l’état liquide.
  • Un détendeur : il réduit la pression du fluide frigorigène en phase liquide.
Fonctionnement PAC
Fonctionnement PAC

Il existe différentes technologies :

  • PAC à détente directe :
  • Il n’y a qu’un seul circuit. Le fluide frigorigène circule en circuit fermé dans la pompe, le capteur et les émetteurs. Le circuit de captage joue le rôle d’évaporateur et le circuit de chauffage celui de condenseur. Ces installations contiennent beaucoup de fluides frigorigènes.
  • PAC à fluides intermédiaires :
  • La PAC possède trois circuits séparés : le captage, la pompe à chaleur et le chauffage. Ce système est un peu plus coûteux mais plus performant, notamment pour le rafraîchissement, et il contient bien moins de fluide frigorigène.
  • PAC mixtes  :
  • L’installation présente deux circuits. L’un avec du fluide frigorigène dans le capteur et la pompe à chaleur et le second avec de l’eau pour les émetteurs.

Principe de L’INVERTER : variation de la vitesse d’un compresseur en modifiant la fréquence du moteur.

Le Coefficient de performance ou COP

Il s’agit d’une caractéristique essentielle de la PAC. Le compresseur fonctionne à l’électricité : lorsque pour chaque kWh électrique consommé par le compresseur, le système émet 3 kWh thermiques dans le bâtiment à chauffer, on dit qu’il a un COP de 3 (COP = COefficient de Performance). Le COP détermine donc directement la facture d’électricité qui sera nécessaire pour chauffer un bâtiment.

Mais attention : le COP annoncé n’est quasiment jamais atteint ! Il s’agit d’une donnée théorique de laboratoire qui mesure le niveau de performance de la machine, dans des conditions d’essai spécifiques.Les installateurs annoncent couramment des coefficients de performance (COP) de 3,5 ou 4. Il s’agit du COP instantané, mesuré dans des conditions optimales du laboratoire. Il est prévu pour de basses températures de chauffage de l’ordre de 35°C (plancher chauffant ou ventilo convecteurs). Le coefficient de performance réel de l’installation, en moyenne sur l’année, dépend de nombreux facteurs susceptibles de diminuer la performance. Il est difficile à apprécier, mais c’est de lui que dépend l’intérêt environnemental et économique du projet. Il est possible de baisser le COP théorique de 1 à 2 points pour tenir compte des consommations auxiliaires, d’un circuit de chauffage à plus haute température, et de températures externes plus froides. En pratique, pour les conditions climatiques du Rhône, le COP réel d’une PAC géothermiques est de l’ordre de 2,5 à 3 et celui d’une PAC sur air se situe autour de 2.

A noter : L’ EER (Energy Efficiency Ratio est coefficient d’efficacité frigorifique) traduit l’efficacité d’un système thermodynamique quand il produit du froid. Pour en savoir plus consultez la foire aux questions

Les différentes installations

Il existe différents type d’installations selon le milieu dans lequel sont prélevés les calories et le mode de restitution de la chaleur.Quelque soit le milieu dans lequel sont prélevées les calories, seuls les émetteurs de chaleur basse température (plancher chauffant ou radiateur basse température) permettent d’assurer des performances optimales pour ces installations.

L’aérothermie

Il s’agit des pompes à chaleur sur air : elles prélèvent les calories dans l’air extérieur. Elles ont connu un grand succès de 1975 à 1985, à l’époque du pétrole cher. Il y eut de nombreuses déceptions, à cause de problèmes de conception et d’installation. En effet, la PAC ne peut pas faire de miracles : pour fonctionner correctement, elle doit prendre sa chaleur dans une source froide « pas trop froide », et la fournir à une cible chaude « pas trop chaude ». Lorsque l’air extérieur est à moins de 3°C, les capteurs givrent, et la performance se dégrade, la PAC consomme beaucoup d’électricité mais chauffe peu. Ainsi, dans le Rhône, le rendement annuel d’une PAC sur air est généralement très inférieur au COP annoncé, qui est calculé à une température extérieure de + 7°C, ce qui n’est pas vraiment une température hivernale.Pour ces raisons, les PAC sur l’air doivent être évitées, sauf dans les régions à climat doux (méditerranéen ou océanique).Remarques :Pour ce type d’installations, deux points appellent également la vigilance : la question du bruit induit par le fonctionnement de la pompe à chaleur afin préserver des relations de bon voisinage et les problématiques en lien avec les contraintes liées à la préservation du patrimoine bâti.Pour en savoir plus consultez la foire aux questions.

La géothermie de surface

Fonctionnement des pompes à chaleur géothermiques

Schéma géothermie de surface - Ademe
Schéma géothermie de surface
Ademe

Le schéma ci-dessus montre les deux systèmes de chauffage géothermiques :

  • Le système avec capteurs horizontaux :
  • Les tubes sont repliés en boucles distantes d’au moins 40 cm, pour éviter un prélèvement trop important de la chaleur dans le sol (sinon, risque de gel permanent du sol). La surface de capteur nécessaire est estimée à 1.5 à 2 fois la surface habitable à chauffer. Pour une maison de 150 m², le capteur occupera entre 225 et 300 m² du jardin (surface engazonné sans arbre).
  • Le système avec capteurs verticaux :
  • Deux sondes de 50 m de profondeur conviennent pour chauffer une maison de 120 m² habitables. Les systèmes à capteurs verticaux sont plus performants que ceux avec des capteurs horizontaux.

Un puits vertical est plus onéreux qu’un capteur horizontal mais il entraîne moins de contraintes dans la gestion du terrain et sa performance est plus constante. Par contre, il requiert plus de technicité lors de la mise en œuvre et le nombre de foreurs qualifiés pour les réaliser en France est réduit. Il faut de plus respecter certaines démarches administratives concernant la protection du sous-sol. En effet, selon le code minier, tout sondage de plus de 10 m de profondeur doit être déclaré à l’ingénieur en chef des mines (Code Minier art. 131). Ainsi, il faut remplir une déclaration de sondage disponible ici : http://www.forages-domestiques.gouv.fr/ .

Remarques :

  • La faisabilité et l’intérêt de ces systèmes dépendent fortement de la nature géologique du sol. Le sol ne doit pas être trop rocheux, trop argileux ou de type remblai, un sol sableux est idéal. Ce paramètre est parfois insuffisamment pris en compte par les installateurs.
  • Les capteurs horizontaux sont souvent posés à 60 ou 80 cm de profondeur, voire moins. En cas d’hiver très rigoureux, dans les régions froides et/ou d’altitude, le sol peut parfois être gelé à cette profondeur : dans ce cas, la PAC consomme beaucoup mais chauffe peu ! Comme cela arrive précisément quand il fait très froid, dans les régions froides et/ou d’altitude, il semble donc préférable de prévoir un appoint (par exemple une cheminée avec foyer fermé), sous peine d’avoir un chauffage insuffisant. Il est donc préférable d’enterrer les capteurs à un minimum de 80 cm de profondeur pour qu’ils soient hors-gel.

L’Aquathermie

Aquathermie - Costic
Aquathermie
Costic

L’aquathermie consiste à puiser les calories dans l’eau que ce soit celle d’une source, d’une nappe phréatique, d’un lac ou d’une rivière. La très faible variation de température des nappes d’eau souterraines permet à ces pompes à chaleur d’offrir des performances élevées indépendamment de la saison. Les COP peuvent aller jusqu’à 5 ou 6. Une installation d’aquathermie optimisée nécessite la réalisation de deux puits : un d’alimentation et un de rejet afin de restituer intégralement les volumes d’eau puisés et ainsi ne pas détériorer la ressource en eau. Le rejet est réalisé 10 mètres en aval du forage de puisage dans le sens de l’écoulement de la nappe afin de ne pas risquer un ’bouclage’ et s’assurer d’une eau constamment renouvelée. Ce type d’installation nécessite une attention particulière sur les points suivants :

  • le débit  : Il faut s’assurer de l’existence d’un débit suffisant tout au long de l’année. Pour faire fonctionner une PAC pour une habitation (puissance calorifique de 8 à 26 kW), il faut un débit de 2 à 7 m3/h. Pour que le système fonctionne, il faut que le débit soit garanti toute l’année.
  • la qualité de l’eau : Pour des eaux ayant une température moyenne inférieure à 13°C (c’est le cas quand il ne s’agit pas de récupération de chaleur), il ne faut pas que l’eau dépasse les valeurs limites suivantes : FER<0,2mg/l et MANGANESE<0,1 mg/l pour éviter les dépôts d’ocre. Dans tous les cas, il faut s’assurer que l’échangeur envisagé n’induit pas d’autres contraintes au niveau de la composition de l’eau.

Le respect de ces contraintes est fondamental pour assurer la pérennité de l’installation. Il existe différentes possibilités d’installation présentant un investissement et des spécificités techniques. Ainsi, une PAC sur eau de source est un système performant et peu coûteux à l’usage. De même une PAC fonctionnant sur le captage de la nappe phréatique est un système performant. Cependant, son intérêt est limité par le coût du forage. De plus, l’utilisation de la nappe phréatique est soumise à autorisation. Par contre, l’intérêt d’une PAC fonctionnant sur l’eau d’une rivière ou d’un lac doit être étudié au cas par cas. En effet, l’eau d’une rivière ou d’un lac peut devenir très froide en hiver.D’un point de vue administratif, il faut remplir une déclaration de sondage, disponible ici, pour tout sondage de plus de 10 mètres. En effet, selon le code minier, tout sondage de plus de 10 m de profondeur doit être déclaré à l’ingénieur en chef des mines (Code Minier art. 131). D’autre part, il faut également effectuer une déclaration en mairie pour l’utilisation de l’eau. Coûts indicatifs : entre 145 et 185€/m2 chauffés – Le coût du forage présente une forte variabilité.

Chauffe-eau thermodynamique - CET

Le chauffe-eau thermodynamique est un chauffe-eau à accumulation pour la production d’eau chaude sanitaire basé sur la technologie d’une pompe à chaleur aérothermique : il récupère l’énergie dans l’air. Le CET, selon la configuration de son installation, va puiser les calories de l’air de provenances différentes. Ce peut-être :

  • l’air ambiant du logement,
  • l’air extérieur s’il est gainé ou s’il est doté d’une unité extérieure,
  • l’air d’une cave ou d’un garage ventilé,
  • l’air extrait par la ventilation du logement.

Pour mieux connaître les critères de choix d’un CET, il est possible de se référer au document suivant :

PDF - 1.6 Mo
Chauffe-eau thermodynamique
 (PDF - 1.6 Mo)

Les ballons associés à ces installations présentent au minimum des volumes de 200 litres suffisant pour la consommation d’une famille de 4 personnes. Il ne faut pas surdimensionner le volume du ballon au risque de voir sa performance chuter. Ces appareils peuvent présenter des COP moyen allant de 2 à 3,5 selon la provenance de l’air d’où sont extraites les calories

Coût indicatif : 3000 à 5000 € posé

Pompes à chaleur sur air extrait

Ventilation Double Flux Thermodynamique - Bau Info Center
Ventilation Double Flux Thermodynamique
Bau Info Center

La pompe à chaleur sur air extrait ou VMC double flux thermodynamique couple une ventilation mécanique contrôlée (VMC) double flux et une PAC. Elle assure à la fois le renouvellement de l’air du logement et son préchauffage : la PAC récupère la chaleur de l’air extrait par la VMC dans les pièces de service (cuisine, salle de bains et WC) et préchauffe ainsi l’air neuf soufflé dans les pièces à vivre (séjour, chambres). Ce type de matériel a une puissance de chauffage variant de 1,5 à 3kW. Dans la mesure où la source d’énergie, l’air extrait, est réduite, ce type d’appareil n’a d’intérêt que pour des maisons ayant de très faible besoins (moins de 30kWh/m2/an).

Coût indicatif : 12 000 € posée

Remarques concernant toutes les Pompes à Chaleur

Entretien et durée de vie

  • La vérification et l’entretien régulier du compresseur prolonge sa durée de vie. Un compresseur non entretenu risque de voir sa performance chuter et donc la facture d’électricité augmenter ! On considère qu’une chaudière dure 15 ans, voire 20 ans, il peut en être de même pour un compresseur s’il est de bonne qualité mais il peut tomber en panne beaucoup plus tôt.
  • Un contrôle d’étanchéité annuel du système est obligatoire lorsque la quantité de fluide dépasse 2kg.

Mesure des performances

  • Il paraît indispensable de pouvoir contrôler la consommation électrique annuelle de la pompe à chaleur : il suffit de demander à l’installateur de mettre un compteur électrique à cet usage. Dans l’idéal, il faudrait aussi un compteur de chaleur, afin de mesurer le COP en temps réel.
  • Changement futur de chauffage
  • Périodiquement, le mode de chauffage d’une maison doit être revu et l’intérêt des différentes solutions peut évoluer de façon très importante selon la conjoncture énergétique mondiale. C’est pourquoi il faut préférer un système avec une circulation d’eau dans le plancher chauffant : il sera possible de raccorder par la suite une chaudière à ce plancher chauffant. Un plancher chauffant où circule directement le fluide frigorigène ne peut pas évoluer vers un chauffage par chaudière.
  • Le plus souvent les PAC destinées au chauffage n’assurent pas la production de l’eau Chaude Sanitaire. Cette option « eau chaude sanitaire » est en général plus onéreuse à l’investissement et à l’usage qu’un chauffe-eau solaire.

Les fluides frigorigènes

Jusqu’à ces dernières années, le fluide frigorigène le plus employé était le R22 dont l’emploi est de plus en plus proscrit. Il contient en effet du chlore dont les effets destructeurs sur la couche d’ozone sont aujourd’hui bien connus. C’est de plus un gaz à effet de serre puissant. Le R22 est progressivement remplacé par des fluides de substitution, tels les HFC (R407C, R410A et R417A), inoffensifs vis à vis de la couche d’ozone mais qui sont encore de puissants gaz à effet de serre.