Évaporateur à air d'une PAC domestique

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.

Les rejets thermiques

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 terme de rejet.
Les eaux usées

  • pour des raisons de pollution, elles ne sont souvent qu’indirectement utilisables (attention au choix du matériel, prévoir un système automatique de nettoyage),
  • les quantités offertes sont souvent trop insignifiantes pour permettre une utilisation rentable,
  • l’utilisation du réseau public des eaux usées est soumise à autorisation.

L’air vicié 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).


L’eau souterraine des nappes phréatiques

Pompes à chaleur "eau/eau", eau souterraine des nappes phréatiques.

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 ouverture d'une nouvelle fenêtre ! 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.

Minéraux des nappes aquifères à porosité d'interstices.

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.

Système de captage dans une nappe aquifère.

  1. Niveau de l’eau dans le puits.
  2. Tubage acier.
  3. Pompes à vitesse variable.
  4. Crépine.
  5. Massif filtrant.
  6. 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.

Une pollution mécanique (sable) ne peut se produire que si l’installation de filtration de l’eau n’est pas effectuée dans les règles de l’art. Il faut aussi se méfier du colmatage provoqué par une eau trop calcaire ou riche en boues fines. Le puits doit être garanti par l’entreprise spécialisée. En pratique les valeurs indicatives pour le diamètre de la foreuse sont :
  • 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

Les eaux de la nappe phréatique représentent une source de chaleur idéale pour les raisons suivantes :
  • 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

  • Une étude du sol préalable au forage est conseillée. On doit être certain que la température de l’eau ne sera jamais inférieure à 8 °C.
  • À proximité d’un cours d’eau ou d’un lac, tenir compte d’une possible infiltration.
  • Le captage et la restitution de l’eau doivent respecter les principes hydrologiques.
  • Une analyse de l’eau est vivement recommandée, de façon à vérifier que l’eau n’est pas agressive, polluée ou qu’elle ne transporte pas d’alluvions.
  • Des autorisations officielles sont nécessaires (elles ne sont accordées que si l’eau n’est pas utilisée ultérieurement comme eau potable).
  • Le débit d’eau doit être suffisant et compatible avec les besoins du bâtiment à chauffer.

L’eau de surface

Pompes à chaleur, 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

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.

L’utilisation géothermique de la chaleur appartient au domaine des technologies lourdes, et ne sera pas davantage développée ici. En effet, à moins d’être dans une région spécifique (la région de St Ghislain près de Mons en est une, grâce à la présence de failles dans la roche qui permettent à l’eau chaude de remonter et d’être accessible à une profondeur raisonnable), de telles températures ne s’atteignent qu’avec des forages dont la profondeur se mesure en kilomètres.

La géothermie profonde

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.

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. La température du sol augmente de 1 °C tous les 33 mètres, soit 3 °C par 100 mètres. Cette ressource géothermique est dite de très basse température. Les forages de sondes géothermiques ont un diamètre de 16 à 18 cm et une profondeur de 30 à 150 mètres.

 Pompe à chaleur à eau glycolée - géothermie verticale.

 Pompe à chaleur à eau glycolée – géothermie verticale.

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, 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.

Comment calculer la profondeur du forage à effectuer ? Tout dépend de la « charge de chaleur » nécessaire dans le bâtiment, qui représente la quantité de chaleur nécessaire pour le chauffer de façon suffisante au cours de la saison de chauffe. La longueur de la sonde sera d’autant plus faible que le bâtiment à chauffer a des besoins calorifiques réduits.

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 donc 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.

En refroidissant, le sol crée une sorte d’entonnoir de froid qui dépend de la puissance spécifique des sondes (W/m). Des soutirages intensifs provoquent une baisse de la température de la sonde et l’entonnoir s’agrandit. Au plus, le soutirage de chaleur (par mètre de longueur de sonde) est faible, au plus grand sera le COP annuel. Durant les arrêts de fonctionnement, la zone de terrain entourant la sonde se régénère à nouveau. Ce phénomène est absolument nécessaire, car le faible flux thermique provenant du sous-sol ne suffit pas à maintenir les conditions de dimensionnement. La détermination correcte de la longueur des sondes est donc d’une grande importance pour éviter une surexploitation qui empêcherait une régénération de la source.

Rafraîchissement

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).

Avantages/inconvénients

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). De plus, la chaleur récupérée à la source froide est disponible en quantité quasiment illimitée. Le niveau de température de la source froide est relativement élevé et les variations de température sont faibles. Pendant la saison hivernale, il y a tout de même une diminution du niveau de température. Pour finir, le système est fermé mais on doit bien faire attention à ce qu’il soit étanche au glycol.

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.


La géothermie de surface

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 ».

Les serpentins, qui jouent le rôle d’évaporateur du système, sont enfouis à une profondeur de 60 cm minimum pour éviter le gel. L’avantage d’un tel type de chauffage réside dans la relative stabilité de la température d’évaporation (ce qui augmente les performances). La température varie néanmoins plus ou moins fortement, à cause justement de la présence d’une pompe à chaleur…

Evolution de la t° du sol à 60 cm de profondeur.

Origine de la chaleur du sol ?

Il y a 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 ne représente que quelques pourcents à cet endroit.

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.

Potentiel du sol, minéraux.

Les pouvoirs calorifiques de divers sous-sol sont les suivants :
  • 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
Pour une température de sol minimale de 2 °C (une plus grande absorption de chaleur pourrait créer des cristaux de glace autour des serpentins et diminuer leur efficacité), l’extraction thermique par mètre courant « q » est environ de :
  • 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
Pour limiter le refroidissement excessif du sol, un écartement minimal entre les tuyaux doit être respecté (une pose trop serrée pourrait provoquer le gel de l’eau autour des tuyaux et une fermeture hermétique) :
  • 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.

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.

 Pompe à chaleur à air dynamique.

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.

Pompe à chaleur à air statique.

Exemple de pompe à chaleur à air statique.

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 ; la performance globale annuelle est faible.

Les PAC à air dynamique montrent les deux inconvénients suivants par rapport aux PAC à air statique :

  • à une température extérieure de 6 à 7 °C, l’eau issue de la condensation de l’air ambiant commence à geler et nécessite un dégivrage ;
  • problèmes de bruit dus à la grande quantité d’air déplacé. Il est indispensable de se renseigner sur les techniques de protection phonique, dans tous les cas, qu’il s’agisse d’une installation intérieure ou extérieure. L‘ordonnance sur la protection contre le bruit et les prescriptions locales doivent être soigneusement étudiées. Au besoin, un spécialiste en acoustique devra être consulté.

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 et la pompe à chaleur peut très bien 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).


PAC géothermique : rechargement de la source froide par l’énergie 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…


Comparaison des sources froides

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.

La capacité thermique de l’eau plaide incontestablement en faveur d’une source liquide :

  • le gain de chaleur provenant de 1 m³ d’eau refroidie d’environ 5 K se monte à 5,8 kWh.
  • pour un gain de chaleur identique, il faudrait comparativement refroidir environ 3 500 m³ d’air de 5 K !

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-dessus 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.

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.

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 pompes à chaleur les plus répandues sont les pompes à chaleur air extérieur/eau, ensuite viennent les pompes à chaleur eau glycolée/eau qui tirent leur énergie du sol.

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
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.