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Article publié le 3 novembre 2010 - Wunnen n° 21 - novembre-décembre 2010

10.02.2011

Pompe à chaleur

De la chaleur prélevée dans l’environnement

Depuis quelques années, la pompe à chaleur connaît un essor fulgurant auprès des particuliers. Les raisons de ce succès sont simples : habitations adaptées à cet équipement, conscience environnementale, facture de chauffage réduite, affranchissement des prix aléatoires des énergies fossiles et absence d’approvisionnement en gaz naturel. Mais, comment fonctionne une pompe à chaleur ? Quels sont les différents types ? Est-ce que le système permet vraiment de faire des économies ? Cet équipement peut-il se combiner à une chaudière existante ?



La pompe à chaleur (PAC)
La pompe à chaleur est une machine qui capte l’énergie naturelle stockée dans l’air, dans le sol ou dans l’eau, la transforme pour la rendre utilisable, puis la restitue pour chauffer l’habitation, grâce à son cycle thermodynamique.

Les premières pompes à chaleur (PAC) sont apparues dans les années 80, mais le marché ne s’est réellement développé qu’au cours des dernières années, étant donné les problèmes de fiabilité liés à la méconnaissance des installateurs, à l’efficacité des PAC et à des habitats non adaptés à ce type d’équipements.
Le fonctionnement d’une PAC est similaire à celui d’un réfrigérateur. Comme son nom l’indique, elle « pompe des calories » dans un milieu extérieur – appelé source froide (sol, eau, air) – pour les restituer, grâce à un fluide frigorigène, dans l’habitation – appelée source chaude. Il faut savoir que la chaleur naturelle disponible dans l’environnement est réapprovisionnée en permanence et est de ce fait inépuisable à notre échelle, à la différence des ressources d’énergie fossile. De plus en plus utilisée dans le contexte de l’habitat durable (faibles besoins en énergie, distribution du chauffage en basse température), la PAC offre des performances remarquables : pour un kilowatt électrique consommé, l’installation est capable de restituer jusqu’à quatre kilowatts de chaleur. Une bonne partie du chauffage peut ainsi être assurée au moyen d’une énergie gratuite, renouvelable et non polluante.

Pompe à chaleur





Cycle thermodynamique
Cycle thermodynamique : un terme barbare pour expliquer deux choses élémentaires. Lorsqu’on gonfle les pneus d’un vélo à l’aide d’une pompe à main, la pompe devient chaude, car la compression de l’air induit un échauffement. A l’inverse, un extincteur en fonctionnement va produire du froid, car le liquide contenu dans la bombonne se détend. En fait, techniquement, on ne produit pas du froid, mais on extrait de la chaleur.
Ce principe est utilisé dans un circuit fermé qui tourne en boucle avec un fluide frigorigène, aux propriétés thermodynamiques plus intéressantes que l’air ou l’eau.

Comment les calories captées sont-elles transformées et rendues utilisables ?


L’énergie prélevée dans l’air, dans le sol ou dans l’eau est acheminée vers l’évaporateur, qui la transmet au fluide caloporteur de la pompe à chaleur. Ce fluide change d’état et se transforme alors en vapeur. Le compresseur comprime cette vapeur, ce qui a pour effet d’augmenter sa température. Au niveau du condenseur, la vapeur transmet sa chaleur au circuit de chauffage (plancher chauffant, radiateurs) au cours d’un nouveau changement d’état. Le fluide caloporteur, toujours comprimé, redevient liquide. La soupape de détente réduit la pression du fluide caloporteur. La température de ce dernier s’abaisse fortement, le rendant prêt pour une nouvelle absorption de chaleur de l’environnement. Le cycle peut recommencer.

Les différents types de pompe à chaleur


Une pompe à chaleur permet d’échanger de la chaleur entre deux milieux. En fonction de la nature de ces milieux, il faut distinguer différents types d’équipements :

la PAC aérothermique ou aérothermale air/air : la chaleur est prélevée dans l’air extérieur et transférée via le liquide frigorigène jusqu’à une unité intérieure (type cassette murale). Dans cette unité, de l’air est soufflé sur un échangeur (le condenseur); il se réchauffe, et est insufflé dans la pièce ;

la PAC aérothermique ou aérothermale air/eau : la chaleur est prélevée dans l’air et transférée à un circuit d’eau qui va alimenter un plancher et/ou un plafond chauffant, des corps de chauffe statiques, des ventilateurs ventilo-convecteurs ou aérothermes ;

la PAC géothermique ou géothermale eau/eau :
si une source d’eau est disponible près d’une habitation, il peut s’avérer utile d’y prendre les calories. Il peut s’agir d’un lac, d’une rivière, ou encore d’une nappe souterraine. Le système prélève l’énergie thermique dans la source d’eau, qui même en hiver est comprise entre +8° et +12° C. Ce type de PAC est sujette à des conditions d’installation très restrictives au Grand-Duché ;

la PAC géothermique ou géothermale sol/eau : prélève l’énergie de la terre et du sous-sol via des capteurs horizontaux (registre) ou verticaux (sondes). Les configurations avec capteurs horizontaux sont les moins coûteuses, mais nécessitent de disposer d’une surface de terrain suffisante (selon les besoins de la maisons, mais généralement entre 100 et 150 % de la surface chauffée). L’installation ne demande pas des travaux très importants, puisque les capteurs sont enterrés dans une couche comprise entre 60 et 80 cm. Quant aux systèmes verticaux, ils sont souvent plus performants, mais aussi plus coûteux, étant donné qu’ils requièrent des forages conséquents (minimum 80 m). De plus, le sol doit supporter ces forages, ce qui implique une étude de faisabilité et une autorisation commodo/incommodo. Ne nécessitant pas beaucoup de surface, ils conviennent non seulement pour des maisons individuelles, mais également pour des petits ensembles de logements et d’immeubles de bureaux.



Coefficient de performance
L’efficacité d’une PAC dépend d’un facteur appelé coefficient de performance (COP). Il s’agit du rapport entre la puissance calorifique produite sur la puissance électrique consommée au niveau de la PAC. En chiffres, pour une consommation de 1 kWel, la PAC peut restituer l’équivalent de 3 à 4 kWth sous forme de calories. Ce « rendement » de la pompe varie en fonction du système de captage, c’est-à-dire selon la température de prélèvement, la technologie employée au niveau des compresseurs, le fluide frigorigène utilisé, mais également selon le niveau température restitué par l’installation.
Il faut faire très attention à bien comprendre ce qu’implique le terme COP. Il s’agit d’un rapport de puissance en kW et non un rapport d’énergie kWh. Dans la plupart des publicités, on vente les mérites d’un COP atteignant 4, alors qu’il est important de contrôler les performances saisonnières de l’installation. En effet, le COP est donné pour une température donnée. Par exemple, la référence normative A7-W35 pour une PAC aérothermale air/eau signifie température de l’air 7°C et température aller du circuit d’eau chaude du chauffage 35°C. On comprend alors très bien que les performances saisonnières d’une PAC air/eau seront en-dessous d’une PAC sol/eau, puisque le rendement va chuter avec la température de la source froide (température du sol à 80 m : ~ 15°C toute l’année, alors que la température de l’air fluctue énormément).

Forage géothermique


Les forages pour sondes géothermiques sont soumis à une autorisation commodo/incommodo, dans le cadre de la loi modifiée du 10 juin 1999 relative aux établissements classés. Les formulaires de demande d’autorisation sont disponibles auprès de l’Administration de l’environnement. Les sondes géothermiques dont la puissance de captage est inférieure à 15 kW bénéficient d’une procédure « simplifiée » depuis mars 2010 (sans phase de publication à la commune), mais il est nécessaire de démontrer au préalable qu’une « évaluation des incidences sur l’environnement » n’est pas requise – ce qui n’est pas donné à tout le monde. Pour chaque demande d’autorisation, l’Administration de la gestion de l’eau émet un avis relatif à la protection des eaux souterraines. Sur le site web gis.eau.etat.lu, la rubrique « Eaux souterraines / PAC » donne un aperçu des zones d’utilisation des eaux souterraines dans lesquelles les forages profonds sont interdits ou soumis à des restrictions.
Source : www.myenergy.lu

Combinée avec une chaudière


Une PAC air-eau peut avantageusement être couplée avec une installation de chauffage au gaz ou au fioul (fonctionnement en cascade). Durant une grande partie de l’hiver, la pompe à chaleur fonctionne en priorité tant que son rendement est acceptable, c’est-à-dire aussi longtemps que la température extérieure ne tombe pas en dessous d’un seuil trop bas, généralement 0 et 5°C. En cas de températures extérieures plus basses, la chaudière à gaz ou au fioul est actionnée automatiquement pour fournir le complément de chauffage ou d’eau chaude sanitaire, avec de meilleurs rendements. Le système couplé en cascade permet ainsi de limiter les pics de consommation d’énergie d’origine fossile aux périodes les plus froides. Autre avantage, on bénéficie en permanence de deux sources d’énergie parfaitement indépendantes. Combinée avec un chauffage auxiliaire, une PAC permet d’économiser en moyenne entre 50 et 70 % de sa facture de chauffage.

Du frais également


Les pompes à chaleur dites réversibles permettent également de rafraîchir en été.
Une PAC réversible est équipée d’un dispositif permettant d’inverser le cycle du fluide caloporteur (vanne d’inversion quatre voies). Le condenseur devient l’évaporateur de la pompe, l’évaporateur devient le condenseur : la PAC extrait alors des calories dans le logement pour les rejeter à l’extérieur.

Soutien financier


Il est possible d’obtenir des aides financières pour les coûts d’équipement (pompe à chaleur et installations périphériques), le captage géothermique et les frais d’installations (par exemple, pour une maison unifamiliale : plafonds à 3.000 € et 6.000 €, respectivement pour une PAC aérothermale et géothermale). En outre, une aide financière est accordée pour un conseil en énergie qualifié. L’investissement doit être effectué entre le 1er janvier 2008 et le 31 décembre 2012. La demande d’aide financière doit être adressée à l’Administration de l’environnement moyennant un formulaire spécifique (délai d’introduction de la demande : deux ans à compter du 31 décembre de l’année civile d’établissement de la facture).
Plus d’infos sur www.myenergy.lu
Conditions techniques en vue de l’obtention des aides de l’Etat :
  • Dimensionnement de l’installation avec une température maximale aller du circuit de chauffage de 35°C ;
  • COP > 4,2 au régime B0/W35 pour une PAC géothermique eau/eau ou sol/eau et COP > 3,3 au régime A7/W35 pour une PAC aérothermale air/eau ;
  • Les PAC air/air sont proscrites.
Article préparé avec l’aimable collaboration de Jonathan Terver, ingénieur en mécanique énergétique – www.energyconcept.lu
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