Vous avez dit “pompe à chaleur” ?

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 présente plusieurs composants similaires aux machines frigorifiques, notamment le compresseur et le détendeur, que nous ne discuterons pas plus avant, ainsi que l’évaporateur, le condenseur, le fluide frigorigène et des dispositifs de sécurité. Enfin, il faut s’interroger sur la technique de dégivrage et la nature du circuit de distribution de chaleur et la présence d’un éventuel appoint (mode bivalent).

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.

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.

Types de pompes à chaleur : par source

 

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.

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.

Installation de pompes à chaleur Air/Air.

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.

Utilisation directe ou indirecte ?

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.

Une autre application typique d’un circuit intermédiaire est la connexion de plusieurs pompes à chaleur sur une boucle d’eau commune:

  • En été, elles fonctionnent en machine frigorifique dont le condenseur est refroidi par la boucle d’eau. Celle-ci se refroidit elle-même via par exemple une tour de refroidissement posée en toiture.
  • En hiver, elles fonctionnent en pompe à chaleur dont la boucle d’eau constitue la source “froide”. Celle-ci est elle-même réchauffée par une chaudière placée en série sur la boucle.
  • En mi-saison, ce système prend tout son sens : si simultanément des locaux sont refroidis et d’autres réchauffés, la boucle qui les relie permet le transfert d’énergie entre eux, avec une performance URE remarquable.

PAC électrique ou au gaz ?

Les pompes à chaleur fonctionnent pour la majorité à l’électricité. Mais il est également possible de faire fonctionner la pompe à chaleur à l’aide d’un moteur à gaz, la PAC prélevant la chaleur sur l’air extérieur ou sur de l’air extrait d’un bâtiment. Le moteur thermique est alimenté en gaz naturel (méthane), ou en LPG (propane + butane) et ces PAC au gaz sont chargées avec les HFC (par exemple du R410A).

Les pompes à chaleur à gaz présentent les avantages suivants :

  • Leurs performances sont bonnes et leur rendement est indépendant des fluctuations de la température extérieure, car elles récupèrent la chaleur dissipée par le moteur et celle contenue dans les gaz d’échappement.
  • Grâce à cette récupération de chaleur, le dégivrage n’est plus nécessaire et la montée en régime est rapide. La PAC fonctionne en continu.
  • Contrairement à leurs homologues électriques sur l’air extérieur, elles fonctionnent bien en monovalence, c’est-à-dire qu’aucun appoint n’est nécessaire (ni de chaudière).
  • Leur coût énergétique est inférieur d’environ 30 % par rapport aux PAC électriques. Elles consomment peu d’électricité (90 % en moins).
  • Elles sont utilisables dans n’importe quel type de bâtiment, aussi bien dans les maisons particulières que dans des installations industrielles.
  • Elles peuvent être équipées d’un kit hydraulique pour produire de l’eau chaude ou de l’eau froide.
  • Les coûts d’entretien sont faibles.
  • Il est possible de réutiliser les installations existantes de PAC électriques en ne remplaçant que la PAC elle-même.
  • Les unités peuvent être connectées en série ; ce type de PAC est donc applicable à de grandes installations.
  • Elles sont compatibles avec les systèmes classiques de chauffage basse température : chauffage par le sol ou par le plafond, ou ventilo-convecteurs.

Ces PAC sont par contre plus chères que les PAC électriques. Peu de constructeurs exploitent cette solution pour l’alimentation d’une PAC.

Performances de la PAC à gaz

Il n’est pas possible de comparer directement le COP d’une PAC à gaz et celui d’une PAC électrique. En effet, dans le premier cas, l’énergie est primaire, dans le deuxième elle ne l’est pas.

Considérons que l’électricité est produite à partir de centrales dont le rendement moyen en Belgique est de 38 %. Pour produire 3 kWh thermiques, la pompe à chaleur aura donc utilisé 2,6 kWh primaires. Le “COP” sur énergie primaire est alors égal à 3 / 2,6 = 1,15.

Le PER (Primary Energy Ratio) de la PAC à gaz se situe quant à lui entre 1,2 et 1,6. Ce “COP” n’est pas beaucoup plus élevé que celui de la PAC électrique, mais contrairement à cette dernière, les performances sont conservées en cas de grand froid.

Choix de l’émetteur de chaleur

La température de distribution de la chaleur (température dite de la “source chaude”) est aussi importante que la température de la “source froide”, puisque la consommation est proportionnelle à l’écart entre ces 2 températures.

Les pompes à chaleur ne peuvent correctement fonctionner qu’à une température de chauffage maximum de 50°C. Il faut donc sélectionner un système de chauffage à basse température, qu’il soit à air ou à eau.

Distribution par eau

Chauffage par le sol.

Les systèmes à eau devraient être dimensionnés de telle manière que la température de départ nécessaire lors de températures extérieures de – 8°C se situe entre 35 et 45°C. Ceci est possible avec un chauffage par le sol, et également, pour des bâtiments très bien isolés, avec des radiateurs à grande surface rayonnante.

Pour des systèmes de distribution anciens (radiateurs conventionnels) qui exigent des températures de départ de plus de 50°C, il faut évaluer de cas en cas si le recours à la pompe à chaleur bivalente est utile et raisonnable. Normalement, un chauffage par pompe à chaleur sera possible pendant la plus grande partie de la période de chauffe. Pour les jours nécessitant une température de départ de plus de 50°C, un deuxième générateur de chaleur fonctionnant avec un autre agent énergétique sera nécessaire (fonctionnement bivalent). Une solution fréquente dans le logement est d’installer un chauffage par le sol au rez-de-chaussée et de le compléter par des chauffages d’appoints à l’étage, pour limiter le coût d’investissement.

Par simulation informatique, une étude de la KUL a comparé les performances théoriques de différentes installations domestiques de pompes à chaleur (bâtiment respectant le niveau d’isolation K55, besoin de chaleur théorique évalué à 15 459 kWh par saison de chauffe) :

  • PAC Air/Eau avec chauffage par le sol au rez-de-chaussée et chauffage électrique à l’étage [1];
  • PAC Sol/Eau avec radiateurs basse température dans toute l’habitation [2];
  • PAC Air/Eau avec radiateurs basse température dans toute l’habitation [3];
  • PAC Sol/Eau avec chauffage par le sol au rez-de-chaussée et un chauffage électrique dans la salle de bain uniquement [4];
  • PAC Sol/Eau avec chauffage par le sol au rez-de-chaussée et radiateurs basse température à l’étage [5].

Alternative

1 2 3 4 5

Énergie fournie totale Q [kWh]

18 965 19 474 20 678 17 744 20 028

Énergie consommée totale E [kWh]

9 825 5 482 5 967 5 242 5 400

Rendement global annuel (Q/E)

1.93 3.55 3.47 3.38 3.70

CO2 produit [kg/an]

3 363 1 801 2 071 1 791 1 706

CO2 produit [kg/kWh fourni]

0.18 0.09 0.10 0.10 0.09

On constate que l’installation avec le meilleur rendement annuel est celle qui combine la PAC Sol/Eau avec le chauffage par le sol et les radiateurs basse température. Autrement dit, c’est le système qui diminue autant que faire se peut la différence de température entre la source froide et la source chaude.

La quantité de CO2 produite montre l’impact négatif des chauffages d’appoints électriques qui provoquent un doublement des émissions.

Distribution par air

Les systèmes de distribution à air ont l’avantage de toujours être dans une fourchette de température idéale pour les PAC (15 – 30°C). De plus, le chauffage direct de l’ambiance évite l’usage d’un intermédiaire caloporteur et d’un échangeur de chaleur supplémentaire comme un radiateur. Cet intermédiaire en moins ne permet néanmoins pas d’améliorer le rendement de l’installation puisque les échangeurs de chaleur “fluide caloporteur/air” sont moins performant que ceux “fluide caloporteur/eau”. L’inconvénient est l’emprise spatiale importante des gaines de distribution. Ce problème peut être contourné par les installations avec préparation d’air directement dans le local (installations multi-split ou DRV ainsi que sur boucle d’eau). Les systèmes de distribution par air ne permettent pas non plus l’accumulation de chaleur durant les heures creuses ou la préparation d’ECS.

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.