Sommaire
Évaporateur à air d’une PAC domestique.
Introduction sur les sources froides
Les pompes à chaleur sont désignées en fonction du fluide dans lequel baignent les échangeurs de la PAC : d’abord côté évaporateur, ensuite côté condenseur. Pour comprendre ce qu’est une pompe chaleur ainsi que son principe de fonctionnement, cliquez ici !
Le tableau donne les types de PAC qui existent en fonction des combinaisons fluides côté source froide/côté source chaude.
| Désignation | Évaporateur | Condenseur |
| PAC air extérieur / air | air extérieur | air |
| PAC air extérieur / eau | air extérieur | eau |
| PAC air extrait / air | air extrait | air |
| PAC air extrait / eau | air extrait | eau |
| PAC eau / air | eau souterraine ou de surface | air |
| PAC eau / eau | eau souterraine ou de surface | eau |
| PAC eau glycolée / eau | tuyaux d’eau glycolée dans le sol | eau |
| PAC sol / eau ou “fluide /eau” | évaporation directe dans sol | eau |
| PAC sol / sol ou “fluide /fluide” | évaporation directe dans sol | condensation directe dans sol |
Dans le cas du chauffage de locaux, la source froide sera la source – qui n’est pas toujours inépuisable ! – où l’on captera la chaleur. Elle provient souvent du milieu extérieur du bâtiment à chauffer et est donc soumise à des variations de température en fonction des conditions climatiques.
Les sources de chaleur utilisables sont les suivantes :
- l’air extérieur qui est simplement l’air atmosphérique ;
- l’air extrait qui résulte des rejets thermiques gazeux ou de l’air venant de l’intérieur d’un bâtiment ;
- l’eau, qui est soit de l’eau de surface, comme un étang ou un cours d’eau, soit de l’eau de nappe phréatique en sous-sol ;
- le sol (très profond, profond, ou de surface) qui amène deux technologies distinctes, d’où deux appellations différentes pour la même source froide :
- eau glycolée : mélange eau-glycol qui circule dans le circuit fermé entre le sol et l’évaporateur. C’est soit, de la géothermie de surface, soit verticale de profondeur.
- fluide ou sol : on a affaire à une pompe à chaleur à détente directe (soit seulement du côté évaporateur, ou bien des deux côtés – évaporateur et condenseur), ce qui signifie qu’il n’y a pas de fluide intermédiaire entre le sol et le fluide frigorigène comme dans le cas à eau glycolée. Le fluide frigorigène circule directement dans des conduites placées dans le sol (qui joue donc le rôle d’évaporateur). On peut également appeler plus simplement cette source de chaleur sol.
Lors de la mise en marche d’un projet de pompe à chaleur, la tâche la plus ardue consiste à aligner les propriétés des pompes à chaleur avec des données telles que le débit et la température de la source de chaleur. Il faut que la quantité de chaleur disponible puisse supporter un prélèvement continu. Un mauvais dimensionnement par rapport au potentiel thermique de la source de chaleur peut avoir des retombées sur la puissance de l’exploitation et son rendement thermique.
Pour pouvoir comparer les COP des pompes à chaleur…
Le COP d’une pompe à chaleur, c’est le rapport entre la chaleur fournie par le condenseur et l’électricité consommée pour la produire (auxiliaires compris). Plus le COP est élevé, plus la pompe à chaleur est performante. Il est influencé par les températures des sources, leur différence et leur stabilité.
Afin de pouvoir comparer les coefficients de performance de différentes pompes à chaleur d’un même type, il faut bien évidemment que leurs températures à l’évaporateur soient identiques, et de même au condenseur. Dans les fiches techniques, on trouvera donc souvent une des dénominations abrégées suivantes selon le type de pompe à chaleur :
- PAC air/eau : A2/W35 (“W” = water !). La source froide est de l’air à 2 °C (T°C à l’entrée de l’évaporateur) et la source chaude est une eau à 35°C (T°C à la sortie du condenseur).
- PAC eau/eau : W10/W35. La source froide est de l’eau à 10 °C et la source chaude est de l’eau à 35 °C.
- PAC eau glycolée/eau : B0/W35 ou S0/W35 (“B” = eau glycolée – brine en anglais – et “S” = “sol” pour les références de produits en français). La source froide est le sol dans lequel circule de l’eau glycolée à 0 °C et la source chaude est de l’eau à 35 °C.
- PAC sol/eau : S0/W35.
Classement des sources en fonction de leur efficacité
D’une manière générale, il faut utiliser en priorité les sources froides dont la température est la plus constante et élevée. Le coefficient de performance théorique des sources d’une pompe à chaleur dépend en effet de la différence entre la température de la source froide et la température de la source chaude :
ε ths = T2 / (T2 – T1)
où,
- T1 est la température absolue (température en °C + 273,15°C) de la source froide et T2 la température absolue de la source “chaude”.
Pour obtenir un coefficient de performance acceptable, il faut donc que la différence T2-T1 soit faible. Autrement dit, la température de la source froide doit être la plus élevée possible (et, si possible, le niveau de température de la source chaude doit être bas).
Le classement des sources froides en fonction de ces deux critères (température élevée et constante), de la source la plus efficace à la moins efficace, se dresse comme suit :
- les rejets thermiques (air vicié et eaux usées),
- l’eau des nappes phréatiques,
- l’eau de surface,
- le sous-sol,
- le sous-sol proche de la surface,
- l’air extérieur.
Utilisation directe ou indirecte de la source froide ?
Une utilisation directe consiste à mettre l’évaporateur directement en contact avec la source froide. L’utilisation indirecte prévoit un circuit d’eau glycolée équipé d’un échangeur de chaleur, comme intermédiaire entre l’évaporateur et la source froide.
L’utilisation directe de la source froide (eau de surface, nappe phréatique, rejets gazeux,…) a le grand avantage d’améliorer l’échange avec la source de chaleur et donc d’offrir un meilleur coefficient de performance. Cependant il faudra éviter la pollution (fuites de fluide frigorigène), ainsi que l’encrassement, l’érosion et la corrosion dans l’évaporateur en prenant les mesures suivantes, dépendant de la nature de la source :
- désensablage du puits effectué par un spécialiste,
- pose d’un filtre dans la conduite de raccordement à la PAC,
- surveillance des vitesses de courant maximales et minimales pour éviter l’érosion, les dépôts, le gel et les dégâts dus aux vibrations dans les conduites de l’évaporateur,
- pour lutter contre l’air agressif (par exemple rejets thermiques industriels), il faut utiliser un évaporateur résistant à la corrosion et dont le nettoyage est aisé. Dans certains cas, un dispositif de filtrage de l’air vicié devra être ajouté.
À défaut, il est vivement conseillé de prévoir une utilisation indirecte avec circuit intermédiaire. De plus il faut penser que la température du circuit intermédiaire peut tomber à 0°C. Le bon choix d’un produit antigel est donc d’une importance capitale.
Les rejets thermiques
Dans de nombreuses entreprises, une grande quantité d’énergie est gaspillée dans les extractions d’air ou de gaz. Très souvent, le volume extrait et la température du fluide sont quasi constants, ce qui simplifie une valorisation potentielle. Mais ceci dépasse le cadre d’un bâtiment tertiaire et s’adresse plus à des applications industrielles.
Et pourtant, des applications spécifiques sont parfois possibles dans des bâtiments tertiaires avec une très bonne rentabilité. Parmi celles-ci, les supermarchés avec rayon surgelés conviennent particulièrement bien. Il est possible, par exemple, que la chaleur extraite des frigos soit utilisée pour chauffer le magasin ou le rideau d’air chaud à l’entrée du magasin (= condenseur de la PAC ainsi créée). En été, un clapet rejettera la chaleur vers l’extérieur.
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Récupération de chaleur dans la grande distribution Les supermarchés sont actuellement équipés d’un nombre de plus en plus important de meubles frigorifiques qui rendent parfois désagréable l’ambiance des allées empruntées par les clients. Monsieur Marc Van Damme de la société alimentaire Delhaize a mis au point, en collaboration avec un fabricant espagnol de meubles frigorifiques verticaux, un système qui récupère la chaleur de l’unité de condensation du réfrigérateur du circuit frigorifique pour, en hiver, chauffer les allées des meubles frigorifiques.
Principe de fonctionnement L’unité de condensation est installée sur le haut du meuble. La chaleur produite par le condenseur est récupérée et en hiver, celle-ci circule à l’arrière du meuble et est insufflée par la partie inférieure de celui-ci via une grille linéaire en inox. En été, cette chaleur est évacuée à l’extérieur du magasin par l’intermédiaire d’un conduit.
Conséquences L’influence de cet équipement sur le chiffre d’affaires est évidente. En effet, une température douce aux rayons crémerie ou boucherie incite le client à faire ses achats dans une température confortable. Cette nouvelle technique permet également d’augmenter le confort pour l’ensemble du personnel qui doit régulièrement approvisionner ces linéaires. Cependant les gains réalisés au niveau des coûts d’exploitation amortissent facilement l’investissement. Grâce à cette technique, l’air chaud à 40 °C ainsi récupéré et insufflé par le bas du meuble permet de maintenir dans l’allée une température de 23 °C. Ce qui est appréciable en hiver. Un système de sondes, installées en des points stratégiques du point de vente, permet un fonctionnement automatique du clapet été/hiver. Un chauffage d’appoint est nécessaire en cas de températures extrêmes, pour le rideau d’air chaud à l’entrée du magasin, très “énergivore” et pour les zones éloignées non équipées de linéaires. |
Cependant, dans la plupart des cas, les rejets thermiques d’un bâtiment et son besoin de chaleur ne concordent pas. Une analyse exacte s’avère donc indispensable. Il s’agit de savoir si le problème peut être résolu par adjonction d’un accumulateur de chaleur (côté froid et/ou côté chaud). Une exploitation rationnelle de l’accumulateur permet une utilisation optimale lorsque les besoins thermiques sont moyens; elle permet également de limiter les pointes de puissance (avantage financier).
Il est aussi impératif de connaître la réglementation locale en termes de rejet. Notamment, les eaux usées ne sont souvent qu’indirectement utilisables pour des raisons de pollution (attention au choix du matériel, prévoir un système automatique de nettoyage), et en trop petit débit sur site pour permettre une utilisation rentable. L’utilisation du réseau public d’eaux usées (riothermie) est quant à lui soumis à autorisation. L’air vicié de son côté est une source de chaleur très souvent employée dans les installations d’utilisation de rejets thermiques, et ceci, sans pompe à chaleur. Pour une utilisation indirecte avec pompe à chaleur, l’air pollué se révèle intéressant, surtout pour le chauffage de l’eau. Il peut cependant être corrosif (agriculture, industrie).
Les rejets d’air humides (piscines, buanderies, …)
Les bâtiments où une humidité importante est produite, et donc dans lesquels un contrôle de l’hygrométrie aura lieu (piscines, blanchisseries, cuisines industrielles,…), sont a priori propices à l’usage d’une PAC : toute l’énergie de condensation de la vapeur d’eau peut être réutilisées sous forme de chaleur à haute température (chauffage de l’air, chauffage de l’eau chaude sanitaire).
Prenons le cas d’une piscine, qui constitue une application potentielle intéressante. Les piscines consomment beaucoup d’énergie pour diminuer le taux d’humidité et éviter ainsi les condensations sur les parois (particulièrement les surfaces vitrées) et pour assurer un air assez chaud, de façon à garantir le confort des baigneurs. Une humidité maximum de 75 % est à maintenir dans les piscines bien isolées avec pulsion d’air chaud au pied des vitrages. Mais l’humidité maximum peut descendre à 65 % si les parois sont mal isolées, et donc froides.
Deux systèmes de PAC sont possibles pour ce type de bâtiment.
Pompe à chaleur en déshumidification
Le principe consiste à faire passer l’air à du local à déshumidifier sur l’évaporateur de la PAC. Il y est refroidi et surtout déshumidifié. L’air passe ensuite, mélangé à l’air frais hygiénique, sur le condenseur où il est réchauffé. Le condenseur de la PAC permet le chauffage de l’air ambiant, mais aussi le chauffage partiel de l’eau sanitaire (piscine, douches) particulièrement en mi-saison.
La solution est intéressante. Toutefois, au creux de l’hiver, la déshumidification ne fournit pas assez de chaleur et la pompe à chaleur ne suffit pas à elle seule à assurer tous les besoins énergétiques. Un chauffage d’appoint est donc nécessaire et le COP global est diminué.
Il faut se rendre compte que dans cette application précise le COP de la PAC n’est plus le rapport entre les kW thermiques utiles disponibles au condenseur et les kW absorbés par le compresseur. En fait,
Ceci est dû au fait que la chaleur sensible prélevée à l’air vicié par l’évaporateur lui est rendue par le condenseur et ne doit donc pas être considérée comme chaleur utile dans le calcul du COP. La source froide recherchée ici est la chaleur latente de condensation de l’humidité. On pompe l’énergie sur la déshumidification, pas sur le refroidissement de l’air. En fait, plus le besoin de déshumidification est important (forte activité dans la piscine, faible isolation,..), plus l’énergie puisée à l’évaporateur sera importante et plus le COP global de l’installation sera élevé.
Pour le calcul des performances de l’installation, il ne faut pas oublier de prendre en compte l’influence des heures de non-occupation, qui entraînent un taux d’évaporation plus faible et un COP instantané plus bas. On peut envisager un COP global de 2,5. (Valeur avancée par Paul H.Cobut, Pompes à chaleur, Atic – cours de perfectionnement).
Remarque : ce type d’installation est intéressante dès qu’il s’agit de climatiser un local où il y a une forte production de vapeur (bassins de toutes sortes, pressings, séchoirs à linge, certains locaux industriels ou laboratoires,…).
Pompe à chaleur – récupérateur
Dans ce cas, la PAC prélève une partie de l’énergie dans l’air extérieur et une autre partie dans l’air extrait. Contrairement au système précédent, l’évaporateur puisera l’énergie sur le refroidissement de l’air mélangé.
Un hygrostat raccordé à une sonde extérieure permet le dosage de l’air neuf. La PAC sera dimensionnée pour réaliser à elle seule l’effort thermique jusqu’à 0 °C environ. En dessous de cette température, un appoint sera nécessaire. Le COP de la PAC varie en fonction de la température de l’air extérieur.
Un COP global annuel de 3,3 est possible, ce qui représente un gain de 30 % par rapport à la PAC en déshumidification. Les déperditions plus importantes dues à l’introduction d’air neuf en plus grande quantité que dans l’autre système pour assurer la déshumidification représentent un accroissement des besoins calorifiques de moins de 10 % sur l’année (valeurs avancées par Paul H.Cobut, “Pompes à chaleur”, Atic – cours de perfectionnement).
Il faut noter toutefois que ces résultats sont basés sur un taux d’hygrométrie tolérable assez élevé grâce à l’usage d’un vitrage très isolant. Dans le cas d’un vitrage moins isolant, le taux d’humidité acceptable est plus bas. Il faut donc un plus grand effort de déshumidification, ce qui favorise le premier type d’installation et la différence de performance entre les deux systèmes diminue.
L’eau souterraine
Source : ef4.
L’eau des nappes phréatiques représente une source de chaleur intéressante, utilisée dans les pompes à chaleur “eau/eau”. L’eau de la nappe est remontée à la surface à l’aide de pompes de circulation et échange son énergie avec le fluide frigorigène à l’intérieur de l’évaporateur.
Quelle nappe ?
Certaines cartes des nappes phréatiques en Wallonie sont disponibles sur 
le site de la Région Wallonne.
L’appellation “nappe phréatique” désigne toutes les eaux se trouvant dans le sous-sol. On entend donc par ce terme la partie saturée du sol, c’est-à-dire celle où les interstices entre les grains solides sont entièrement remplis d’eau, ce qui permet à celle-ci de s’écouler.
L’hydrogéologie distingue 2 types de nappes : les nappes aquifères à porosité d’interstices et les nappes aquifères fracturées.
Dans les nappes aquifères à porosité d’interstices, qui sont les nappes les plus fréquentes et les plus exploitées, l’eau circule dans les porosités de la roche constituée par des graviers, sables ou alluvions. Dans les nappes aquifères fracturées, la roche est imperméable et l’eau circule dans les fractures ou fissures de roches telles que le granit, le calcaire, la craie.
Le risque de réaliser des forages infructueux est plus élevé dans les nappes aquifères fissurées ou fracturées, et il dépend essentiellement de la connaissance locale de la fracturation. Dans les nappes aquifères à porosité d’interstices, le débit de la nappe est proportionnel à la perméabilité de la roche (taille des grains), à la pente et à la section de la nappe aquifère à cet endroit.
Un système de captage dans une nappe aquifère comprend deux parties :
- La partie supérieure, la chambre de pompage, est un tubage en acier qui traverse les couches de sol où il n’y a pas de captage. Une cimentation permet d’éviter le mélange entre une éventuelle nappe supérieure polluée et la nappe de pompage. Elle évite également l’éboulement du trou. S’y trouvent les pompes à vitesse variable chargées d’évacuer et de ramener de l’eau à partir de ou vers la nappe concernée.
- La partie inférieure, la chambre de captage, contient un massif de gravier filtrant (pour éviter l’encrassement par les matières fines), une crépine (tube en acier inoxydable inséré dans le fond du forage, comportant des ouvertures calibrées selon la granulométrie du sable), un tube de décantation et un capot qui ferme le puits.
- Niveau de l’eau dans le puits.
- Tubage acier.
- Pompes à vitesse variable.
- Crépine.
- Massif filtrant.
- Tube de décantation et capot.
Quelle température ?
La température de l’eau phréatique (sans infiltration des eaux de surface) varie autour de la valeur de la température moyenne de l’air extérieur, si la PAC a une puissance de moins de 30 kW et si on considère les eaux souterraines en dessous de 10 mètres de profondeur. La température moyenne annuelle de l’air extérieur étant égale à 8,5 °C, la température phréatique vaudra une valeur entre 8,5 et 10 °C. Mais contrairement à l’air extérieur, l’eau souterraine a cette température approximative toute l’année.
Plus la profondeur est importante, moins la température de l’air exerce une influence sur la température de la nappe phréatique. L’écart saisonnier entre les valeurs maximales et minimales diminue avec la profondeur. La différence de température entre la température de départ et de retour est comprise entre 3 et 4 K pour les petits systèmes, ou plus pour les systèmes plus grands.
D’où provient l’énergie contenue dans le sol ?
Cette chaleur souterraine est due en majeure partie au rayonnement solaire. L’énergie géothermique provenant des profondeurs au sous-sol est à ce niveau de profondeur insignifiante. Les infiltrations des eaux de surface peuvent avoir une influence déterminante sur la température de la nappe phréatique, de même que des puits industriels.
Qualité physico-chimique de l’eau
Dans la plupart des cas, l’eau de nappe n’est pas agressive. Il est cependant vivement conseillé de pratiquer une analyse pour protéger le système de chauffage. Si le fabricant de la PAC (avec l’eau comme source froide) n’a pas indiqué de données pour la qualité de l’eau extraite, les valeurs suivantes doivent être respectées :
| Composant et unité de mesure | Valeur |
| Matériau organique (possibilité de sédimentation) | aucune |
| pH | 6,5 à 9 |
| Conductivité thermique (µS/cm) | 50 à 1 000 |
| Chlorure (mg/l) | < 300 |
| Fer et manganèse (mg/l) | < 1 |
| Sulfate (mg/l) | 0 à 150 |
| Teneur en O2 (mg/l) | < 2 |
| Chlore (mg/l) | 0 à 5 |
| Nitrate (mg/l) | 0 à 100 |
Source : Norme prEN 15450:2007.
- 150 mm pour 50 à 150 l/min
- 300 mm pour 150 à 300 l/min
- 800 mm pour 600 à 1 200 l/min
Quel débit ?
Si aucune autre donnée n’est disponible, on considérera qu’il est nécessaire d’avoir un débit d’eau de 0,25 m3/h par kilowatt de puissance.
Rejet de l’eau
L’eau prélevée, après absorption de la chaleur, est parfois remise dans un cours d’eau de surface. Si, par contre, le réservoir d’eau souterraine est de faible capacité, ou si l’eau prélevée ne peut être remise en surface à cause de sa composition chimique, cette eau doit être réinjectée au moyen d’un second forage (forage de réinjection) dans la couche de prélèvement. Ce second forage doit être en aval et suffisamment éloigné du premier pour ne pas créer d’interférence thermique.
Il est néanmoins très rare de faire appel à cette deuxième solution (réinjection de l’eau dans la nappe) en Wallonie car le rejet est considéré comme étant beaucoup trop dangereux pour le milieu récepteur. Si un élément polluant infectait les nappes phréatiques, il serait quasiment impossible de l’en faire sortir. La Région wallonne refuse donc presque systématiquement le rejet d’eau en nappe.
Avantages et inconvénients
- niveau de température idéal,
- température relativement constante,
- importance des gisements,
- propreté,
- peu de place au sol.
Les inconvénients de ce type de captage sont toutefois nombreux :
- permis environnemental requis,
- connaissances géohydrauliques approfondies requises,
- eau de qualité n’est pas disponible partout à une profondeur adéquate,
- analyse de l’eau de nappe requise,
- coûts d’installation élevés (travaux de terrassement, construction d’un, deux ou plusieurs puits, analyse de l’eau, pompe à eau dans le puits),
- énergie nécessaire pour pomper l’eau hors du puits,
- système ouvert,
- nécessité de garantir une séparation parfaite entre l’eau d’origine souterraine et le fluide réfrigérant, si l’eau est réinjectée dans la nappe phréatique via un puits de recharge,
- recharge de la nappe rarement implémentable.
De plus, avant d’installer une pompe à chaleur sur nappe phréatique, l’utilisateur doit obtenir les informations relatives à la puissance du puits de captage et d’absorption.
En résumé
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L’eau de surface
Source : ef4.
Si l’on choisit ce type de source froide (qui doit bien évidemment se trouver à proximité du bâtiment à chauffer), il faut s’assurer que le débit d’eau disponible le sera toujours en quantité suffisante à l’avenir (donc attention aux débits variables des rivières et fleuves). Il faut également vérifier la qualité de l’eau et s’assurer que le prélèvement de chaleur n’a pas un impact néfaste sur le milieu.
L’investissement est raisonnable en comparaison aux pompes à chaleur géothermiques. Lors de la mise en œuvre d’une pompe à chaleur à captage de chaleur sur l’eau, il est recommandé de collaborer avec des installateurs qui ont une formation technique particulière, car la mise en œuvre est complexe. Il faudra entre autres calculer le débit d’eau nécessaire.
Une eau de surface mobile (rivière,…) ne gèlera jamais à cause de son mouvement. L’évaporateur doit être protégé des éboulis. S’il s’agit d’eau stagnante, cette solution n’est utilisable que sous certaines réserves, le principal inconvénient étant la diminution du coefficient de convection vu l’absence d’écoulement de l’eau. L’eau peut geler dans ce deuxième cas et ainsi diminuer les performances de la pompe à chaleur.
Deux choix de capteurs se présentent dans le cas de captage de chaleur sur source d’eau :
Capteurs statiques
L’évaporateur est alors complètement immergé dans le réservoir d’eau que représente la rivière, l’étang, … (ou dans un bac dans cette source d’eau). Une très grande quantité d’eau passe par l’échangeur et le Delta T° de refroidissement est proportionnellement très petit.
La température de l’eau de la source est plus constante qu’en surface ; le risque de gel s’en retrouve donc amoindri. Ceci constitue donc un gros avantage pour ce type de capteur. L’inconvénient principal réside dans l’encrassage de l’échangeur noyé par des plastiques, branchages,… De plus, avec un échangeur noyé, les procédures d’autorisation et l’entretien peuvent être coûteux et la réalisation est plutôt difficile.
Capteurs dynamiques
L’eau de la source froide est récoltée dans un puits filtrant puis pompée vers l’évaporateur.
La température varie beaucoup plus que pour le premier cas et peut être assez basse en hiver (2 à 4 °C), ce qui risque d’entraîner le gel de l’évaporateur et sa casse. L’évaporateur doit alors avoir une protection antigel. Par contre, ce système présente l’avantage de prélever de l’eau pratiquement propre grâce au puits filtrant. Il faut néanmoins souvent nettoyer le filtre en question.
Utilisation directe ou indirecte ?
Les importantes variations de température des eaux de surface ne permettent généralement pas une exploitation monovalente avec utilisation directe. On trouve donc davantage de cas d’utilisation indirecte : la source de chaleur transmet son énergie à un échangeur de chaleur lui-même relié à la PAC par un circuit intermédiaire. Ce dernier contient une solution antigel pour permettre à la température d’évaporation de descendre en dessous de 0 °C. Un circuit intermédiaire entraîne toutefois des températures plus basses et donc des coefficients de puissance moins élevés.
Paramètres de dimensionnement
Si l’on opte pour la solution de l’échangeur noyé, il est recommandé de tenir compte d’un écart de 5 à 6 °C entre la température de l’eau de la source et la température d’entrée du fluide caloporteur dans l’évaporateur. Pour dimensionner la surface de l’échangeur de chaleur, il est courant d’admettre un coefficient k de transmission thermique de 200 à 300 W/m²K (vitesse de courant supérieure à 0,5 m/s). Il est vivement conseillé de prévoir une marge de sécurité d’environ 25 % en cas d’encrassement de l’échangeur. D’autre part, l’écart entre les tubes de l’évaporateur doit être au minimum de 4 cm.
S’il s’agit d’eau stagnante, cette solution n’est utilisable que sous certaines réserves, le principal inconvénient étant la diminution du coefficient de convection vu l’absence d’écoulement de l’eau.
La géothermie très profonde
Des forages profonds permettent de récupérer la chaleur géothermique (due à des activités volcaniques) à des températures plus élevées (plus de 150 °C). Selon leur température les eaux puisées à ces profondeurs peuvent être utilisées directement ou élevées par une pompe à chaleur au niveau voulu.
Pour garantir une solution économiquement rentable, le COP annuel ne doit pas se situer en dessous de 4.
La géothermie profonde
Source : ef4.
Si la surface du terrain avoisinant le bâtiment à chauffer est insuffisante pour placer des capteurs géothermiques horizontaux (voir plus loin), on peut alors penser aux sondes thermiques verticales. La surface d’installation de ce type de captage d’énergie est réduite et la technologie est utilisable presque partout (il faut néanmoins procéder à une analyse de la composition du sol pour déterminer la faisabilité de l’ensemble).
Le principal inconvénient de ce type de captation d’énergie est le coût d’investissement élevé ainsi que la mise en œuvre qui est assez lourde. L’avantage de ces sondes est de profiter, dès 10 mètres de profondeur, d’une source de chaleur à peu près constante sur l’année, même si pendant la saison hivernale, il y a tout de même une diminution du niveau de température.
Il existe deux technologies pour récupérer la chaleur du sous-sol profond : soit des capteurs d’eau glycolée sont infiltrés dans le sol et l’énergie sera transmise au fluide frigorigène via un échangeur de chaleur (le système est fermé mais on doit bien faire attention à ce qu’il soit étanche au glycol), soit les capteurs sont dits “à détente directe”. Dans ce cas, il n’y a pas d’eau glycolée : le fluide frigorigène est en contact direct avec la chaleur du sol.
Dimensionnement
Comment calculer la profondeur du forage à effectuer ? La température du sol augmente de 1 °C tous les 33 mètres, soit 3 °C par 100 mètres. Les forages de sondes géothermiques ont un diamètre de 16 à 18 cm et une profondeur allant de 30 à 150 mètres, en fonction de la quantité de chaleur nécessaire pour le bâtiment. La longueur de la sonde sera d’autant plus faible que le bâtiment à chauffer a des besoins calorifiques réduits.
Pompe à chaleur à eau glycolée – géothermie verticale.
| Si le bâtiment est une nouvelle construction “standard” (besoins calorifiques = 45 W/m2 environ) et que la surface à chauffer est de 150 m2, on aura besoin de +- 7 kW de puissance de chauffage. Si le COP vaut 4, alors il faut extraire 5,25 kW du sol.
Pour obtenir la longueur approximative de la sonde, il suffit de diviser ce résultat par l’extraction thermique, qui vaut entre 50 et 55 W/m linéaire de sonde (c’est cette valeur moyenne que l’on choisit d’habitude pour l’extraction thermique). La sonde devra ainsi avoir une longueur d’environ 100 mètres. |
On doit compter approximativement 15 mètres de sonde par kW de chauffage.
Si la profondeur nécessaire du forage est trop grande, on peut la diminuer en plaçant 2 sondes d’une profondeur deux fois moins importante. Il faut veiller à ce qu’il y ait une distance de 5 à 6 mètres entre les différents forages, pour éviter de refroidir excessivement les zones autour des sondes.
Géocooling ?
Les sondes géothermiques peuvent non seulement être utiles au chauffage de bâtiments, mais aussi à leur rafraîchissement en saison estivale. Si un système de pompe à chaleur permet la commutation chauffage/rafraîchissement, il est appelé “réversible”. Le rafraîchissement est actif ou passif. Dans le cas du rafraîchissement actif, le compresseur de la pompe à chaleur est utilisé pour abaisser le niveau de température de l’ambiance intérieure et la commutation est réalisée à l’aide d’une vanne à 4 voies. Le compresseur n’est par contre pas utilisé dans le cas d’un rafraîchissement passif ; ici un niveau de température existant (de la nappe phréatique ou du sous-sol) est transmis au système de chauffage et la pompe à chaleur n’est pas activée. De cette façon, la consommation énergétique reste faible (mais il faut néanmoins toujours alimenter les pompes de circulation d’eau).
Recharge solaire ?
Les soutirages de chaleur fréquents provoqués par la présence d’une PAC géothermique mènent à une baisse relativement importante de la température du sous-sol. La chaleur n’y est en effet pas renouvelée suffisamment rapidement.
Pour résoudre ce problème, si la surface des capteurs n’est pas trop grande, on peut combiner la PAC avec un système de recharge : des absorbeurs solaires (avec ou sans vitre). Le collecteur solaire se refroidira d’abord dans la PAC pour éviter que l’environnement du serpentin ne se dessèche trop et perde de sa puissance d’échange.
Le rendement du panneau solaire s’améliore, lui, si la température de l’eau qui y circule diminue. Une PAC dont l’évaporateur est lié au circuit des collecteurs solaires permettra de travailler à plus basse température dans les collecteurs, ce qui double leur rendement (et divise donc par 2 la surface nécessaire et l’investissement) et allonge leur durée annuelle de fonctionnement. La PAC disposera, elle, d’une source froide à température plus élevée. Les deux appareils voient donc leur fonctionnement optimisé. Un chauffage d’appoint sera nécessaire en hiver, par température extérieure très basse et ensoleillement limité.
Reste le coût de l’ensemble qui semble difficile à amortir…
La géothermie de surface
Source : ef4.
On peut envisager ce mode de captation de chaleur si on possède un terrain exempt de grosses plantations. Les calories contenues dans le sol juste en dessous de la surface sont récupérées via des serpentins horizontaux en polyéthylène qui contiennent soit un mélange d’eau et de glycol, soit le fluide frigorigène (système à détente directe – les tuyaux sont dans ce cas en cuivre et non en polyéthylène). Les pompes à chaleur utilisant cette source froide sont désignées sous les termes “eau glycolée” ou “sol”.
A noter capent qu’il faut s’attendre à une diminution de la température du sol pendant l’automne, et une augmentation pendant le printemps. Cette évolution est directement liée au rayonnement solaire qui chauffe la partie du sol directement sous la surface (jusqu’à une profondeur d’environ 2 mètres). La chaleur géothermique n’a que peu d’influence dans les premiers mètres sous la surface.
Potentiel du sol
Le pouvoir calorifique du sous-sol dépend de la nature du sol et surtout de sa teneur en eau. En effet, l’eau possède une capacité calorifique élevée, i.e. sa température varie très lentement sous une action extérieure. La quantité de pluie infiltrée est donc un facteur essentiel dans l’extraction de chaleur du sol.
- sol sablonneux sec : 10 à 15 W/m²
- sol argileux sec : 20 à 25 W/m²
- sol argileux humide : 25 à 30 W/m²
- sol marécageux : 30 à 35 W/m²
- sol sablonneux sec : 10 W/m
- sol argileux humide : 25 W/m
- sol argileux saturé : 35 W/m
- roche dure : 50 W/m
- granit : 55-70 W/m
- 1 m en cas de sol sec
- 0,7 m en cas de sol humide
- 0,5 m en cas de sol sablonneux ou caillouteux saturé
Dimensionnement
Les capteurs enterrés, malgré leur configuration simple qui ne nécessite pas d’auxiliaires, requièrent des surfaces de terrain de l’ordre de 1,5 fois la surface des locaux à chauffer. Pour beaucoup de bâtiments du secteur tertiaire, ce type de technologie demande donc de très grandes surfaces extérieures et engendre donc un coût de terrassement élevé.
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Exemple d’installation Les déperditions calorifiques d’une habitation domestique construite sur sol argileux s’élèvent à 12 kW. On prévoit un chauffage par le sol avec une température d’entrée de 45 °C. En choisissant une PAC dont la puissance de chauffe est de 13,3 kW pour une puissance électrique absorbée de 3,85 kW (valeur fournisseur), il faudra extraire du sol 13,3 – 3,85 = 9,45 kW. Il faudra donc 9 450 W/ 25 W/m = 378 m soit 4 serpentins de 100 m. |
Lors du dimensionnement de l’installation, il convient de tenir compte de la configuration du site (il est donc recommandé d’établir un plan qui comporte les constructions, arbres, piscines, fosses septiques et réseaux souterrains en plus, bien évidemment, de la localisation des capteurs) et de la durée annuelle de fonctionnement.
Pour les gros projets, une compréhension des flux thermiques des sols près de la surface est nécessaire pour un calcul assez précis des échangeurs de chaleur du sol. Avant le revêtement, il faudrait opérer une expertise/analyse du sol afin de déterminer la situation géologique de celui-ci à l’endroit de la construction. On tiendra compte des dates de l’analyse (été/hiver – pluies récentes – …) pour obtenir les paramètres thermiques de sol nécessaires pour le calcul et la simulation exacts de la configuration.
Les COP de ce type de pompe à chaleur sont intéressants (de l’ordre de 4). On pourrait néanmoins s’attendre à plus étant donné les avantages de ce système (pas d’auxiliaire, pas de dégivrage). De plus, il faut faire très attention à ce qu’il n’y ait pas de fuites de fluide frigorigène, car il possède un impact environnemental élevé.
En pratique, les échangeurs horizontaux ne sont intéressants que lorsqu’il faut entreprendre de grands travaux, qui permettent un placement économique des tuyaux dans le sous-sol ou à l’intérieur d’une couche de propreté.
Les serpentins peuvent aussi être intégrés en alternance, entre les fondations. Le placement sous le bâtiment permet d’éviter la sensibilité aux conditions météorologiques d’été (sécheresse) mais comporte le risque de gel des fondations en hiver…
Les applications en secteur tertiaire paraissent donc réduites pour cette technique…
L’air extérieur
Le choix de l’air extérieur comme source froide conduit à un choix entre deux technologies très différentes : le système dynamique et le système statique. Dans le premier cas, la PAC ventile mécaniquement l’air de l’environnement extérieur, qui se retrouve donc en mouvement pour améliorer l’échange de chaleur avec le fluide frigorigène au niveau de l’évaporateur. Dans le second cas, l’air reste “statique” et le transfert de chaleur avec le fluide frigorigène est réalisé grâce à la convection naturelle. De grandes surfaces d’échange (ailettes) seront alors nécessaires pour assurer l’efficacité.
Pompe à chaleur à air dynamique
La pompe à chaleur sur air dynamique peut être installée à l’extérieur ou à l’intérieur du bâtiment à chauffer. Dans le premier cas (système Split), le raccordement au système de chauffage est effectué via deux tubes isolés qui se trouvent dans le sol (un pour l’aller et l’autre pour le retour). Il y a également un câble électrique dans le sol et des fonctions antigel. Dans le second cas, la pompe à chaleur est reliée à l’air extérieur par des conduites d’air.
Ce type de pompe à chaleur permet de chauffer les locaux, mais aussi l’eau sanitaire. Un rafraîchissement actif est également possible.
Exemple de pompe à chaleur à air dynamique : présence d’un ventilateur.
Pompe à chaleur à air statique
Les PAC à air statique ne sont pas fort présentes sur le marché malgré leurs avantages en termes de bruit et de performances. De l’eau glycolée, ou le fluide frigorigène, passe dans les ailettes des capteurs statiques extérieurs. Le reste de la PAC, qui se trouve à l’intérieur du bâtiment, comprime alors le fluide frigorigène pour le faire monter en température.
Exemple de pompe à chaleur à air statique.
Les PAC à air statique ont comme avantage de réduire les problème de bruit dus à la grande quantité d’air déplacé, mais impliquent des échangeur de grandes dimensions.
Split ou monobloc ?
Les pompes à chaleur utilisant l’air comme source froide ont la particularité de pouvoir être installées
- Soit de façon compacte, en un seule élément qui peut être placé à l’intérieur ou à l’extérieur du bâtiment (système monobloc). Placée à l’intérieur, elle sera équipée d’une conduite d’amenée et de rejet d’air extérieur vers l’évaporateur. Placée à l’extérieur, elle sera reliée au réseau de distribution par des conduites aller et retour isolées.
- Soit d’être scindées entre un condenseur intérieur et un évaporateur extérieur (système Split), directement en contact avec la source froide. Le fluide frigorigène reliant évaporateur et condenseur devra alors traverser la paroi du bâtiment dans des conduites calorifugées. La performance est améliorée puisque l’évaporateur est généralement mieux alimenté. Elles sont d’une grande souplesse d’installation mais imposent une quantité de fluide frigorigène plus importante.
Les systèmes split et monoblocs extérieurs peuvent occasionner une gêne à cause de leur bruit. Ces installations ne seront tolérables que si elles se font sans gène pour le voisinage (installation sur des toits en ville,.). Elles devront être protégées de la corrosion et avoir un dégagement suffisant autour d’elle pour permettre un bon fonctionnement de l’évaporateur.
Performances des PAC sur air extérieur
En général, les COP des pompes à chaleur sur air extérieur sont donnés pour une température extérieure de 2 °C. La moyenne des températures extérieures sur la saison de chauffe (de début octobre à fin avril) pour la station d’Uccle est cependant d’environ 6 °C. Le seasonal performance factor (SPF), qui représente la moyenne théorique du coefficient de performance sur la saison de chauffe, sera donc plus élevé que le COP indiqué dans la fiche technique de la pompe à chaleur. Mais lorsque la température extérieure est effectivement très basse, le COP chute (vu le plus grand écart de température à compenser au compresseur et l’impact du dégivrage) et la pompe à chaleur peut parfois ne plus être suffisante pour subvenir aux besoins de chaleur du bâtiment. Dans ce cas on l’utilise conjointement à un système d’appoint ou à une chaudière (voir les modes de fonctionnement).
Il ne faut cependant pas dramatiser la chute de performance pour des températures basses : les PAC actuelles sont parfaitement capable de fonctionner largement en dessous de 0°C. Un article[1]Coming in from the cold: Heat pump efficiency at low temperatures, D. Gibb, J. Rosenow, R. Lowes and N. J. Hewitt. Joule 2023 Vol. 7 Issue 9 Pages 1939-1942. DOI: 10.1016/j.joule.2023.08.005 sur ce sujet, publié en 2003, rassemble des mesures instantanées ou journalières pour 550 PAC Air-Eau ou Air-Air en Suisse, Allemagne, Grande-Bretagne, Etats-Unis et Canada. On y lit que :
When the outside temperature was between 5°C and −10°C, the mean COP across all systems was 2.74 and the median was 2.62, sufficient to meet heating loads at much higher efficiency than fossil heating and electric resistance heat alternatives.
Coefficient de performance de PAC air-eau ou air-air en fonction de la température extérieure. Repris de Gibb et al. (2023)
Avantages/inconvénients
L’air extérieur comme source de chaleur présente les avantages suivants :
- il est disponible quasiment partout en quantité illimitée,
- il est facilement exploitable,
- l’extraction de chaleur sur l’air extérieur ne nécessite pas l’octroi d’une autorisation, sauf peut-être un permis d’urbanisme,
- cette source froide génère des coûts d’installation limités par rapport aux autres types de pompes à chaleur.
Il présente toutefois quelques inconvénients qui remettent en cause son utilisation en système monovalent :
- évolution contraire de la température de la source de chaleur et de la température du système de chauffage,
- les températures de la source froide sont très variables et peuvent être fort basses, ce qui abaisse le coefficient de performance
Synthèse
Chaque source de chaleur possède ses avantages et inconvénients, c’est pourquoi seule une analyse minutieuse du projet peut préciser le type de source froide qu’il vaut mieux choisir.
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La capacité thermique de l’eau plaide incontestablement en faveur d’une source liquide :
Mais le débit d’eau reste important. Imaginons un bâtiment de 5 000 m². On peut tabler sur un besoin de chaleur limité à 45 W/m² (par – 10°C extérieur) s’il est bien isolé. Ceci représente une puissance totale installée de 225 kW. La puissance à capter à l’évaporateur sera de 150 kW (si COP = 3). Sur base d’un refroidissement de l’eau de 5 K, le débit d’eau nécessaire sera de 150 kW / 5,8 kWh/m³ = 26 m³/h ! |
Le tableau ci-dessous reprend les caractéristiques à prendre en compte lors de la conception d’une installation de pompe à chaleur :
| Source | Caractéristiques de la source | Coût d’installation | COP saisonnier moyen | COP selon la norme EN14511 (suivi de la condition de mesure) | Conditions d’installation | Remarques |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Rejets thermiques de procédés industriels ou de systèmes de climatisation |
Faibles variations de température. Possible variation de débit. |
Bas. |
Comparable à celui des PAC air/eau ou eau/eau selon les propriétés de la source froide. |
Installation plus ou moins importante selon la configuration de la source. |
Système courant pour la production d’eau chaude sanitaire. |
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| Eau de nappe phréatique |
Faibles variations de température (+6°C à +10°C). |
Élevé. |
3 à 4,5. |
5 à 6 (W10/W35) |
Besoin de suffisamment d’eau souterraine de qualité. Restrictions légales locales. |
Des puits existants peuvent réduire les coûts. Coût d’entretien faible. Dimensionnement très rigoureux.
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| Eau de surface | Faibles variations de température. |
Variable selon la proximité de l’eau. |
3 à 4,5. |
5 à 6 (W10/W35) |
Proximité d’eau en quantité adéquate nécessaire. Système de protection contre le gel. L’évaporateur sera conçu en fonction de la qualité de l’eau. |
Passage par un circuit d’eau intermédiaire dans le cas de capteurs dynamiques. Encrassage possible. |
| Tuyaux d’eau glycolée dans le sol | Faibles variations de température (plus fortes si usage de serpentins à faible profondeur).
Connaissance des propriétés thermiques du sol requise. |
Moyen à élevé. | 3 à 4. |
4 à 5 (B0/W35) |
Besoin de surface si échangeur de chaleur horizontal et d’une solution antigel. | Échangeurs verticaux ou horizontaux.
Les conditions de sol et de surface influencent la conception. Coûts d’entretien faibles. Dimensionnement très rigoureux. |
| Air extérieur |
Larges variations de température (0°C à + 15°C). |
Bas. |
2,5 à 3,5. |
3 à 4
(A2/W35) |
Système universel, source disponible en grande quantité. |
Dégivrage et parfois chauffage auxiliaire nécessaires. |
| Système à évaporation directe : le fluide frigorigène passe dans le sol (tuyaux verticaux et horizontaux) | Faibles variations de température. |
3 à 4. |
Pas de circuit intermédiaire du côté évaporateur. Grandes quantités de fluide frigorigène nécessaire. |
Les valeurs des coefficients de performance dépendent des modèles de pompes à chaleur choisies. Les valeurs données ici sont des ordres de grandeur permettant la compréhension de l’influence de la source froide.
Les valeurs ds coefficients de performance repris dans le tableau ci-dessous sont indicatives, et ne doivent être lues que comme des ordres de grandeur montrant l’influence de l source froide. Une étude comparative de différentes technologies de PAC pour des applications résidentielle a été réalisée par le KULeuven (projet IWT-WP-DIRECT, dont le rapport final est téléchargeable ici). Les coefficients de performance saisonniers moyens obtenus par type de pompe sont les suivants :
| Type de pompe à chaleur | FPS moyen |
|---|---|
| pompe à chaleur eau/eau | 3.9 |
| pompe à chaleur horizontale sol/eau | 4.0 |
| pompe à chaleur verticale sol/eau | 4.7 |
| pompe à chaleur DX/eau | 3.2 |
| pompe à chaleur air/eau | 2.8 |
Réglementation et permis
Suivant le type de PAC, sa puissance et la quantité de fluide frigorigène présente dans le circuit, l’installation d’une pompe à chaleur requiert ou non l’octroi de permis d’environnement ou d’urbanisme. Bien souvent, la PAC devra uniquement être “déclarée”.
Les réglementations en vigueur sont susceptibles de changer régulièrement. À titre d’illustration, voici un tableau qui reprend ces réglementations pour l’année 2009 :
| Condition (2009) | Classe |
|---|---|
| Si puissance frigorifique nominale utile comprise entre 12 et 300 kW et charge en FF > 3 kg. | 3 – déclaration. |
| Si puissance frigorifique nominale >= 300 kW. | 2 – permis d’environnement. |
| Pompe à chaleur sur air | |
| Si air statique. | Peut-être permis d’urbanisme – vérifier avec la commune. |
| Si air dynamique. | Peut-être permis d’urbanisme – vérifier avec la commune. |
| Pompe à chaleur sur eau souterraine |
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| Opération de forage et opération de sondage ayant pour but l’exploitation future d’une prise d’eau,… (hormis les forages inhérents à des situations d’urgence ou accidentelles). | 2 – permis unique. |
| Installation pour la ou les prise(s) d’eau et/ou le traitement des eaux souterraines non potabilisables et non destinées à la consommation humaine d’une capacité de prise d’eau et/ou de traitement inférieure ou égale à 10 m3/jour et à 3 000 m³/an. | 3 – déclaration. |
| Installation pour la ou les prise(s) d’eau et/ou le traitement des eaux souterraines non potabilisables et non destinées à la consommation humaine d’une capacité de prise d’eau et/ou de traitement supérieure à 10 m³/jour et à 3 000 m³/an et inférieure ou égale à 10 000 000 m³/an. | 2 – permis d’environnement ou permis unique. |
| Installation pour la ou les prise(s) d’eau et/ou le traitement des eaux souterraines non potabilisables et non destinées à la consommation humaine d’une capacité de prise d’eau et/ou de traitement de plus de 10 000 000 m³/an. | 1 – permis d’environnement ou permis unique avec étude d’incidences sur l’environnement obligatoire. |
| Installation pour la recharge ou les essais de recharge artificielle des eaux souterraines. | 1 – permis unique avec étude d’incidences sur l’environnement obligatoire. |
| Déversement d’eaux usées industrielles telles que définies à l’article D.2, 42°, du Livre II du Code de l’Environnement, contenant le Code de l’Eau, dans les eaux de surface, les égouts publics ou les collecteurs d’eaux usées : rejets supérieurs à 100 équivalent-habitant par jour ou comportant des substances dangereuses visées aux annexes Ire et VII du Livre II du Code de l’Environnement, contenant le Code de l’Eau. |
2 – permis d’environnement ou permis unique. |
| PAC sur eaux de surface | Autorisation du gestionnaire de l’eau de surface nécessaire. Peut-être permis d’urbanisme – voir avec la commune. |
| Déversement d’eaux usées industrielles telles que définies à l’article D.2, 42°, du Livre II du Code de l’Environnement, contenant le Code de l’Eau, dans les eaux de surface, les égouts publics ou les collecteurs d’eaux usées : rejets supérieurs à 100 équivalent-habitant par jour ou comportant des substances dangereuses visées aux annexes Ire et VII du Livre II du Code de l’Environnement, contenant le Code de l’Eau. | 2 – permis d’environnement ou permis unique. |
| PAC à captation verticale dans le sol | |
| Opération de forage et opération de sondage pour le stockage des déchets nucléaire ou pour un usage géothermique. | 2 – permis unique. |
| PAC à captation horizontale dans le sol | Non classé, mais peuvent l’être si quantité FF > 3kg. |
Source : Synthèse sur les réglementations et permis relatifs à l’installation
et à l’exploitation de pompes à chaleur en Région wallonne – Document EF4.
Sources
Bloc commentaire
livre de J. Bernier et Norme prEN 15450:2007
Mise en page – Sylvie (08.2010)
[…] en contact avec un circuit d’eau glycolée intermédiaire, lequel sera dépendant du type de source froide valorisée : l’air, l’eau de surface ou souterraine, la géothermique, la riothermie, […]