Pompe à chaleur
Le principe d’une pompe à chaleur est celui d’un « réfrigérateur inversé ». Cet appareil permet de transférer la chaleur du milieu le plus froid (et donc le refroidir) vers le milieu le plus chaud (et donc de le chauffer). Il est constitué d’un circuit fermé et étanche dans lequel circule un fluide frigorigène à l’état liquide ou gazeux selon les organes qu’il traverse. Ces organes sont au nombre de quatre : l’évaporateur, le compresseur, le condenseur et le détendeur. Concrètement, la pompe à chaleur prélève un peu de chaleur (des « calories ») à l’extérieur (l’air extérieur, le sous-sol du jardin, une source, ...) qu’elle restitue dans l’habitation. Il existe différents types de PAC selon le milieu d’origine de l’énergie captée. On parle selon les cas de modèles air/air, air/eau, sol/sol, sol/eau ou eau/eau. Le premier terme désigne l’origine du prélèvement et le second, le mode de diffusion de la chaleur (soufflerie, circuit d’eau chaude, plancher chauffant avec fluide frigorigène). Les pompes à chaleur sol/... ou eau/... sont dites ’géothermiques’. Elles prennent l’énergie dans le sol ou les nappes souterraines.
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 (plus chaud pour pouvoir céder ses calories au circuit de chauffage). Cette étape consomme 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 et donc il refroidit (plus froid que le milieu extérieur pour pouvoir prélever les calories).
Schema de fonctionnement d'une pompe à chaleur:
Source Image: pompeachaleur.durable.com
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.
Le Coefficient de performance ou COP, c’est le rapport "énergie thermique restituée/énergie électrique consommée". Avec un COP de 3, une PAC qui consomme 1 kWh d'électricité produit 3 kWh de chauffage.
- Les bonnes pompes à chaleur (certifiées NFPAC, voir liste sur Certita.org) ont un COP au moins supérieur à 3.
- La pompe à chaleur est éligible au crédit d’impôt (pour un logement de plus de 2 ans) si elle a un COP supérieur à 3 (+ autres conditions à respecter).
- Un COP est un rapport variable. Il dépend des qualités de la pompe à chaleur mais varie aussi selon les types d'installations.
Il existe 3 types de COP :
- Le COP machine : qui est le niveau de performance d'une pompe à chaleur déterminé en laboratoire, donc dans des conditions d'essais éloignées de la réalité. C’est ce COP qui est affiché sur la fiche technique du fabricant.
- Le COP système : qui prend en compte tous les éléments du système : la pompe à chaleur mais aussi les circulateurs, les pompes de relevage de l'eau, les accessoires divers... Plus près de la réalité, mais encore théorique.
- Le COPA ou COP annuel : il s'agit du COP système enregistré sur une saison de chauffe. C'est celui qui donne le rendement réel de votre pompe à chaleur. Selon la qualité de l'installation, il peut y avoir une grande différence entre le COP machine et le COPA.
Un COP d'une pompe à chaleur n'a de sens que s'il est accompagné de deux températures de référence :
- La température du milieu dans lequel on puise les calories. Dans les textes officiels, elle est indiquée +7°C, sauf pour les pompes à chaleur sol/eau (-5°C).
- La température de l'eau à la sortie de la pompe à chaleur : si elle alimente un plancher chauffant : 35°C pour des radiateurs basse température, 50°C pour des radiateurs moyenne température, 65°C voire plus pour des radiateurs haute température.
Quand on parle donc d'un COP de 3 (+7°C ; 65°C) pour une pompe à chaleur Air/Eau par exemple, cela signifie que :
- Lorsqu'il fait 7°C dehors.
- La pompe à chaleur consomme 1 KWh d'électricité pour générer 3 Kwh de chauffage en chauffant l'eau à 65°C.
Le COP est d'autant meilleur que la différence entre ces deux températures est faible : il est plus facile de chauffer de l'eau à 35°C à partir d'un air à 15°C (20°C d'écart), qu'une eau à 85°C par une nuit d'hiver à -15°C (100°C d'écart). Surprenant, non ?
Concrètement, plus la température du milieu dans lequel on puise les calories est basse, plus la température d’eau de chauffage est élevée, plus le COP est mauvais.
On parle ici de la PAC air/eau, la PAC sol/eau, la PAC eau/eau car elles sont des PAC plus écologiques que les autres PAC comme air/air ou sol/sol (interdit maintenant) et aussi elles sont compatibles avec le chauffage central à eau chaude.
PAC air/eau, c’est la pompe à chaleur aérothermique qui puise la chaleur contenue dans l'air. Les capteurs sont regroupés dans une borne (unité extérieure) adossée au mur ou placée dans votre jardin. Elle est simple à installer et à utiliser mais elle doit être réalisée par un professionnel.
Schema de la PAC air/eau avec 2 zones de chauffage (plancher chauffant et radiateurs) et l'eau chaude sanitaire:
Source: conseils.xpair.com
La PAC air/eau est adaptée aussi bien à la rénovation qu'à la construction neuve.
Pour la rénovation :
- Une pompe à chaleur haute température peut facilement remplacer la chaudière thermique existante d'un chauffage central.
- Vous conservez donc vos radiateurs et votre circuit de chauffage.
- Si vous souhaitez garder votre chaudière, vous pouvez également installer la pompe à chaleur en « relève » de chaudière (en complément).
- Vous devrez opter pour une pompe à chaleur haute température, si vos radiateurs sont des radiateurs classiques dits « haute température ».
Pour la construction :
- Vous pouvez installer une PAC air/eau sans chaudière.
- Idéalement avec un plancher chauffant et un système basse température..
Comme la pompe à chaleur aérothermique capte les calories dans l'air ambiant, son rendement est donc dépendant de la température extérieure. Concrètement, plus l'air est froid, moins les PAC sont performantes. En dessous de certain seuil de températures (variable, selon les machines, de + 3°C à -20°C), le système perd en efficacité. Dans ce cas, une résistance électrique prend le relais de la PAC. Il peut être alors nécessaire de recourir à un chauffage d'appoint. Si vous ne souhaitez pas rencontrer ce type de problèmes, il est préférable d'opter pour une chaudière hybride qui combine deux énergies distinctes dont une renouvelable. Souvent, il s'agit d'une pompe à chaleur et d'une chaudière à gaz.
Les PAC les plus récentes continuent de fonctionner même quand la température extérieure descend à -20°C. Elles peuvent aussi rafraîchir l'air en période de chaleur, mais pas le climatiser, c’est-à-dire la température d’eau peut descendre jusqu’à 18°C (rafraîchissement) et non jusqu’à 5°C (climatisation).
La PAC air/eau peut produire l’eau chaude sanitaire.
Le COP de cette PAC est souvent plus de 3 par la température extérieure de 7°C mais ce COP diminue avec la diminution de la température extérieure et/ou de l’augmentation de la température d’eau de chauffage.
L’investissement est de 7000 à 15000 euros pour une maison de 100 m2.
En conclusion, la PAC air/eau est surtout réservée aux maisons neuves, bien isolées, équipées des émetteurs de chaleur basse température, aux régions douces (dans le sud et dans l’Ouest).
PAC sol/eau, c’est la pompe à chaleur géothermique qui puise la chaleur contenue dans le sol. Elle fonctionne grâce à des capteurs, que vous devrez installer dans votre jardin.
Ils permettent à un fluide de circuler dans le sol et de repérer les calories et de les amener jusqu'à la pompe à chaleur géothermique.
Un autre fluide (eau) va circuler entre la pompe et les émetteurs de chaleur qui se trouvent dans la maison.
Il existe 2 solutions différentes :
- « Procédé mixte » ou sol-eau : le liquide (fluide frigorigène) se déplace dans le capteur géothermique. Ensuite, la pompe transmet la chaleur à l'eau du système de chauffage.
Source Image: Géothermie Perspectives
- Eau-eau glycolée : il y a de l'eau pure dans le système de chauffage et de l'eau avec antigel entre les capteurs et la pompe. C’est le système le plus écologique car il contient moins d’un fluide frigorigène seulement cantonné dans la PAC.
Source Image: Geothermie Perspectives
Les capteurs de calories sont installés dans votre jardin, 3 possibilités sont :
- Les pompes à chaleur à capteurs horizontaux : de longs tubes en polyéthylène sont disposés en serpentin dans le jardin, et enterrés à faible profondeur (entre 0,6 m et 1,2 m). C'est la solution la plus simple, recommandée lorsque la configuration de votre jardin s'y prête. Ces PAC sont moins sensibles aux variations de température que les PAC aérothermiques, mais sont tout de même sensibles à un gel persistant. Mais vous ne pouvez pas planter des arbres. La surface de capteur nécessaire est estimée à 1.5 à 2 fois la surface habitable à chauffer. Par exemple, pour une maison de 150 m², le capteur occupera entre 225 et 300 m² du jardin (surface engazonné sans arbre).
Schema de la PAC sol/eau à capteurs horizontaux:
Source Image: conseils.xpair.com
- Les pompes à chaleur à capteurs verticaux aussi appelées sondes géothermiques : les sondes sont installées jusqu'à 100 m en profondeur, après forage réalisé par un entreprise spécialisée et si le sous-sol le permet. Elles sont utilisées lorsque la superficie du jardin est insuffisante. Les sondes verticales sont plus chères et plus performantes que les capteurs horizontaux.
Schema de la PAC sol/eau à capteurs verticaux:
Source Image: Géothermie Perspectives
- Les pompes à chaleur à capteurs elliptiques, mélange des deux techniques précédentes. Ses nouveaux capteurs se présentent sous forme d'une spirale de 40 cm de diamètre sur 3 mètres de long. Ils sont disposés dans des trous de 5 mètres de profondeur réalisables avec des engins de chantier standard (tarière). Rapides à mettre en œuvre, ils demandent moins de surface que les capteurs horizontaux.
La PAC sol/eau peut aussi produire l’eau chaude sanitaire.
Le COP de cette PAC est souvent plus de 3 par la température du sol de -5°C mais la température du sol (à 1 m) varie moins que l’air donc le COP reste bon tout le long de l’année, même lors du grand froid.
L’investissement est de 8000 à 13000 euros pour les capteurs horizontaux et de 15000 à 20000 euros pour les capteurs verticaux pour une maison de 100 m2.
Grâce à votre PAC géothermique, vous pourrez profiter de l'énergie, renouvelable et gratuite, qui se trouve dans le sol de votre jardin.
Cette opération peut vous faire économiser jusqu'à 60% sur une facture de chauffage par rapport au chauffage électrique direct !
PAC eau/eau, c’estla pompe à chaleur aquathermique qui puise la chaleur contenue dans une nappe phréatique ou un cours d'eau proche de chez vous. Les installations les plus fréquentes sont les pompes à chaleur qui puisent l'eau dans une nappe phréatique, la température de l'eau y étant assez élevée (entre 7 et 12 °C) et surtout constante. Un puits existant ou un forage vertical permet d'atteindre la nappe. Il ne doit pas être trop profond, l'électricité nécessaire pour relever l'eau jusqu'à la surface réduirait l'intérêt de recourir à une PAC. On conseille surtout de recourir aux 2 forages car un seul forage oblige à faire une boucle avec du liquide frigorigène, avec un risque de fuite préjudiciable à l'environnement et également un risque de tarir la source de calories. Donc c’est un système à deux forages qui est recommandé avec un de captage et un second pour rejeter l'eau dans son milieu d'origine, ce qui évite de tarir la source de calories. 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.
Schema de la PAC eau/eau:
Source Image: conseils.xpair.com
Un grand avantage de cette PAC est son rendement constant. Encore mieux qu'une PAC géothermique, la pompe à chaleur aquathermique fonctionne et chauffe de la même manière, même quand il fait froid. Le COP est donc constant. En effet, la chaleur de l'eau de la nappe est relativement constante. Surtout, des économies d'énergie supérieures aux PAC air/eau si la nappe d'eau n'est pas trop profonde.
Mais il faut avoir un point d'eau ou une nappe à proximité ayant un débit suffisant (par exemple, il faut avoir un débit de 2 à 7 m3/h pour fournir une puissance calorique de 8 à 26 kW). Elle est onéreuse car il faut faire deux forage(s) plus ou moins profond(s), ou avoir un puits. Et surtout, elle est réglementée : il faut faire des démarches administratives pour modifier les sous-sols et le chantier doit être réalisé par une entreprise agréée.
Une note importante : l'eau de la nappe ne doit pas être trop profonde. En effet, une pompe de relevage, fonctionnant à l'électricité est nécessaire pour l'amener jusqu'à la pompe à chaleur.
La PAC eau/eau peut aussi produire l’eau chaude sanitaire.
Le COP de cette PAC est souvent plus de 5 par la température d’eau de nappe de 10°C et la température d’eau de nappe reste constante tout le long de l’année et donc le COP reste constant.
L’investissement est de 8000 à 13000 euros pour une maison de 100 m2.
En conclusion, c’est la PAC aquathermique qui est la plus performante et la plus écologique mais il faut avoir une nappe phréatique pas très profonde qui possède un débit suffisant. C’est cette PAC la plus recommandée pour la région froide, contrairement à la PAC aérothermique qui est préférable dans les régions douces.
L'installation de la PAC doit être réalisé par un professionnel ayant QualiPAC.
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