De quoi s’agit-il ?

Une pompe à chaleur (PAC) est une machine dont le but est de valoriser la chaleur gratuite présente dans l’environnement. Le principe de fonctionnement est le même que celui de la machine frigorifique mais l’application travaille en sens inverse.

Cette fois, l’objectif consiste à extraire la chaleur gratuite d’un milieu extérieur : l’eau d’une rivière, l’air extérieur, l’eau d’une nappe souterraine, … (on parle de “source froide”). Physiquement, l’air extérieur à 0 °C contient beaucoup d’énergie puisque sur l’échelle des températures absolues, l’air se situe en réalité à 273 K !

Schéma du principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur.

 

Pratiquement, grâce à un fluide décrivant un cycle thermodynamique, la pompe à chaleur retire de la chaleur à une source dite “froide” et la rejette dans une source dite “chaude”. Ce transfert fait appel à un processus forcé, puisque chacun sait que la chaleur se déplace de façon naturelle d’une zone chaude vers une zone froide. C’est pourquoi, la PAC doit être entraînée par un compresseur qui lui amènera l’énergie nécessaire à son fonctionnement.

Il est important de préciser que l’on parle ici d’appareils réalisant un transfert, et non une création de chaleur. L’objectif visé – le coefficient de performance – se situe pour les PAC air-air autour de 3 unités de chaleur fournies à la source chaude par unité injectée au compresseur. Cela signifie que pour un kWh consommé et payé, on en reçoit 3 gratuitement

Mais la PAC est un producteur de chaleur “dynamique” : contrairement à une chaudière, une PAC voit ses performances varier selon les conditions d’utilisation. Elle aura ainsi de très bonnes performances de chauffage … en été alors que ce n’est pas en cette période que le besoin de chauffage est présent ! La tâche la plus difficile pour le projeteur, consiste à prendre en considération ce comportement dynamique et à équiper l’installation de telle manière que les conditions limites de fonctionnement ne soient pas dépassées.

Composants

La pompe à chaleur elle-même présente plusieurs composants similaires aux machines frigorifiques, notamment le compresseur et le détendeur, l’évaporateur, le condenseur, le fluide frigorigène et des dispositifs de sécurité. Enfin, il faut s’interroger sur la technique de dégivrage, la nature du circuit de distribution de chaleur et la présence d’un éventuel appoint (mode bivalent).

En outre, la pompe à chaleur en elle-même n’est qu’une pièce d’un système incluant également une source froide (l’origine de la chaleur, et le système technique pour la récupérer), et une source chaude (le débouché de la chaleur, et le système de distribution associé).

Compresseur

Les technologies de compresseur des PAC sont les mêmes que celles des machines frigorifiques.

A noter cependant : si les pompes à chaleur fonctionnent pour la majorité à l’électricité, il est également possible de faire fonctionner la pompe à chaleur à l’aide d’un moteur à gaz. Le moteur thermique est alimenté en gaz naturel (méthane), ou en LPG (propane + butane).

Evaporateur

Dans l’évaporateur, la chaleur délivrée par la source froide de chaleur est transférée au fluide frigorigène. Pour les sources de chaleur liquides, on installera des échangeurs de chaleur multitubulaires, coaxiaux (tels quelles sondes géothermiques) ou à plaques, pour les échangeurs de chaleur à air, on préférera, dans la plupart des cas, des tubes à ailettes. D’une manière générale, l’échange de chaleur croît avec l’augmentation de la surface d’échange, la diminution de la vitesse de passage des fluides, l’augmentation de la différence de température entre les fluides et l’augmentation du débit de la source de chaleur par rapport au fluide récepteur.

Il existe en gros deux modes d’évaporation : à détente sèche ou par immersion. La différence entre les deux systèmes provient essentiellement de la circulation du fluide frigorigène. Dans le cas de l’évaporation par immersion, le fluide caloporteur passe à l’intérieur de tubes noyés dans le fluide frigorigène; dans le cas de la détente sèche, c’est l’inverse. La plupart des évaporateurs fonctionnent selon le principe de la détente sèche. L’échangeur de chaleur multitubulaire peut aussi, dans certains cas, fonctionner par immersion.

A noter que l’évaporateur peut être en contact direct avec la source froide, pour 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, …

Condenseur

Différentes forme de transfert d’énergie entre le fluide frigorigène et l’ambiance sont possible, selon le type de mode de distribution choisi : par un réseau d’air ou d’eau ou directement dans l’ambiance (détente directe). Nous leur consacrons une page spécifique.

Accumulateur

Le condenseur ne contient qu’une très faible quantité d’eau et son comportement ressemble à celui d’un chauffage instantané. Un accumulateur à la sortie du condenseur est donc souvent indispensable. On distingue l’accumulateur tampon, mal nécessaire pour garantir une fréquence d’enclenchement maximale admissible (avec une fréquence d’enclenchement trop importante, on risque une usure prématurée du matériel et la PAC ne donne pas ces meilleurs rendements), de l’accumulateur de chaleur, à chargement étagé ou par stratification, pour stocker de grandes quantités de chaleur sur une longue période. Il sert couvrir les heures d’interruption de fourniture électrique. Il peut aussi compenser des variations temporaires de la source froide et permettre une plus grande utilisation du courant bas tarif. De plus, un accumulateur de chaleur permet de combiner plus facilement différents producteurs de chaleur, comme par exemple des capteurs solaires.

On reproche parfois à l’accumulateur tampon pour les petites installations d’être trop coûteux, trop volumineux, d’entraîner des pertes de chaleur. Mais rares sont les cas où son installation n’est pas justifiée. On ne peut y renoncer que si les conditions suivantes sont remplies :

  • puissance à peu près constante de la source de chaleur (max 5 K de variation de température);
  • volume d’eau de chauffage supérieur à 15 litres/kW;
  • grande capacité d’accumulation du système de distribution de chaleur (par exemple inertie de chauffage par le sol);
  • pas ou peu de vannes thermostatiques;
  • installation bien équilibrée.

Fluides frigorigènes

Les fluides frigorigènes envisageables aujourd’hui pour les nouvelles installations de pompes à chaleur sont nombreux et font partie soit des hydrofluorocarbones (HFC), soit des fluides frigorigènes naturels. Plus question aujourd’hui de concevoir une installation chargée au R12 (CFC) ni au R22 (HCFC), ces réfrigérants destructeurs de la couche d’ozone participant fortement au réchauffement climatique.

Nomenclature

 

Source : ef4.

Les pompes à chaleur sont désignées en fonction des fluides caloporteurs dans lesquels baignent les échangeurs de chaleur de l’évaporateur et du condenseur. Attention, il s’agit bien du fluide caloporteur au niveau de l’évaporateur et du condenseur et qui n’est pas toujours équivalent au type de source chaude ou froide (l’air, l’eau ou le sol). En effet, on peut trouver intercalé, entre le condenseur et la source chaude, ou entre l’évaporateur et la source froide, un circuit intermédiaire. Prenons à titre d’exemple, les PAC Saumure/eau. On trouve du coté évaporateur de l’eau glycolée dans un circuit qui parcourt ensuite le sol afin d’en extraire la chaleur. Du coté condenseur, on trouve un circuit d’eau qui, par exemple, alimente un circuit de chauffage par le sol pour se décharger de son énergie.

Désignation

Évaporateur

Condenseur

Boucle intermédiaire : source froide/évaporateur

Boucle intermédiaire : condenseur/source chaude

PAC Eau/ Eau

Eau

Eau

Non

Oui

PAC Air/ Eau

Air

Eau

Non

Oui

PAC Saumure/ Eau

Saumure

Eau

Oui

Oui

PAC Air/ Air

Air

Air

Non

Non

PAC Sol/Sol

Sol

Sol

Non

Non

 

Exemple de désignation abrégée :

Type : Eau/ Eau
Température entrée évaporateur : 10 °C
Température sortie condenseur : 45 °C
Désignation abrégée : W10/W45

L’expression W10/W45 signifie que la source froide est une eau à 10 °C et la source chaude une eau à 45 °C. C’est sous cette forme que les fournisseurs désignent leurs produits. Une source de chaleur telle une nappe phréatique ou une eau de surface sera désignée par “eau”, l’air atmosphérique ou des rejets gazeux par “air”, un mélange eau-glycol qui circule dans le circuit fermé entre une source de chaleur et l’évaporateur par “saumure”. De ce fait, les pompes à chaleur puisant l’énergie du sol seront parfois désignées sous le terme de “saumure”.

Les systèmes les plus répandus sont les systèmes Air/Eau puis Saumure/Eau dont la source de chaleur est souterraine. Les pompes à chaleur Eau/Eau sont souvent soumises à autorisation et sont donc moins courantes en Belgique.

Impact sur l’environnement

La question des impact environnementaux des fluides frigorigènes est discutée par ailleurs. De même que celle des potentielles nuisances acoustiques. Intéressons nous ici à l’impact de la PAC elle-même.

Impact sur l’effet de serre

La PAC permet d’utiliser l’énergie électrique à bon escient. La pompe à chaleur s’inscrit-elle alors dans la démarche “développement durable” ? Il convient de nuancer la réponse.

La pompe à chaleur en tant que telle est une machine intéressante dans la mesure où un kWh payé au niveau mécanique (pour faire tourner le compresseur), on produit 3 à 4.5 kWh d’énergie thermique (suivant la technologie utilisée et la qualité de la mise en œuvre). Néanmoins, toute la question de l’impact environnemental d’une pompe à chaleur se trouve dans la façon de produire ce kWh mécanique. La majorité des PAC utilisent de l’énergie électrique pour réaliser ce travail moteur. Les performances environnementales d’une PAC sont donc directement liées aux performances environnementales de l’électricité que l’on utilise. Prenons différents cas de figure :

  • Dans le cas où l’électricité serait produite par des énergies purement renouvelables, comme des éoliennes ou panneaux photovoltaïques, l’impact d’une PAC est remarquable dans la mesure où elle multiplie l’efficacité des énergies renouvelables pour la production thermique, et globalement, l’impact environnemental est nul. Dans ce cas de figure, il n’y a pas lieu de nuancer le propos : les PACs ont un impact positif.
  • Si l’on consomme l’électricité du réseau électrique belge, les performances environnementales des PAC sont alors à nuancer. À l’heure actuelle, la production électrique est largement dominée par les centrales nucléaires. Celles-ci réalisent autour de 60 % de le production électrique. Le restant de la production est essentiellement réalisé par des centrales travaillant avec les combustibles fossiles (gaz et charbon). Les centrales nucléaires sont caractérisées par des émissions d’équivalent CO2 moindres que les centrales classiques. Du coup, si on fait un bilan global, travailler avec des PAC et l’électricité du réseau émet moins de CO2 que de brûler du gaz ou du mazout localement dans la chaudière de chaque habitation. En fait, le parc utilise 2 à 2.5 kWh de combustible fossile pour générer 1 kWh électrique. En intégrant les pertes du réseau électrique, il faut que la PAC produise plus de 3 kWh thermiques sur base de ce kWh électrique pour que le bilan climatique soit intéressant.

Conclusion, l’intérêt environnemental de placer une pompe à chaleur est dépendant de la qualité de l’électricité qui est utilisée pour alimenter la PAC. Dans le cas du réseau électrique belge actuel, l’intérêt d’une PAC est présent sur les émissions de CO2 mais, en ce qui concerne la consommation en énergie primaire, uniquement si les performances thermiques des PAC sont optimisées.

Autres impacts

L’installation d’une PAC eau/eau sur nappe phréatique montrera un impact non négligeable sur les eaux souterraines. Il existe des réglementations pour ce type de PAC, dont la sévérité dépend de la potabilité de l’eau extraite et du débit nécessaire.

Voir le site de la base de données juridique de la Région Wallonne pour connaître la réglementation concernant les prélèvements et les rejets d’eau souterraine : ouverture d'une nouvelle fenêtre !  wallex.wallonie.be : “Arrêté du Gouvernement wallon modifiant l’arrêté du Gouvernement wallon du 4 juillet 2002 arrêtant la liste des projets soumis à étude d’incidences et des installations et activités classées” du 22 janvier 2004. L’injection d’eau refroidie dans les eaux de surface peut également  avoir un impact sur le milieu.