La pompe à chaleur, comment ça marche?
> Introduction
> La pompe à chaleur, comment ça marche ?
> Les différents types de pompe à chaleur
Introduction
Dans un contexte où la consommation d’énergie est au centre des débats, la pompe à chaleur peut constituer dans certains cas une solution intéressante.
L’intérêt d’une pompe à chaleur est l’émission moindre de CO2 qu’un système de chauffage classique, un stockage limité, l’absence de cheminée ou d’entretien du brûleur, et l’utilisation, en partie, d’énergie gratuite et renouvelable.
Ce n’est pourtant pas, en soi, une « énergie renouvelable » proprement dite mais un système fonctionnant à l’électricité, qui permet de puiser de l’énergie gratuite dans le sol, dans l’air ou dans l’eau, qu’elle restitue ensuite sous forme de calories afin de satisfaire les besoins en chauffage et/ou en eau chaude sanitaire.
Afin de pouvoir restituer ces calories, un compresseur est nécessaire et celui-ci consomme de l’électricité.
Reste à bien réfléchir en fonction de chaque cas et se poser les bonnes questions :
Est-ce possible d’installer une pompe à chaleur, ai-je assez de place ? Mon système actuel au gaz n’est-il pas déjà assez performant ? Quelle puissance dois-je installer afin d’éviter des surconsommations?
Et surtout : mon logement est-il bien isolé ? C’est en effet la première mesure efficace avant tout changement.
Donc avant d’envisager l’installation d’une pompe à chaleur il faut veiller à :
→ Avoir un dispositif de chauffage pouvant fonctionner à basse température (chauffage par le sol, grands radiateurs).
→ Bien isoler son logement.
→ Contrôler ses consommations électriques et prendre de bonnes initiatives (lampes économiques, électroménager performant de classe A, supprimer le chauffage électrique,…) .
→ Adopter un comportement économe dans le vie de tous les jours.
La pompe à chaleur, comment ça marche ?
La pompe à chaleur (PAC) est une machine thermodynamique qui fonctionne à l’inverse du frigo que nous connaissons tous.
Elle utilise de l’énergie gratuite inépuisable et renouvelée par le soleil et l’eau de pluie. En réalité , la pompe à chaleur transfère de l’énergie d’une source froide vers une source chaude, ce procédé forcé a donc besoin d’une aide qui sera fournie par le compresseur.
Plus précisément, la pompe à chaleur se compose de quatre éléments : le compresseur, le condenseur (restitue l’énergie à l’intérieur), le détendeur et l’évaporateur (capte l’énergie à l’extérieur).
Le fluide frigorigène assure les transferts de chaleur lors de ses changements de phase (gaz, liquide).
→ Le compresseur :
Le fluide chargé de la chaleur captée va être comprimé et porté à haute température, à la sortie du compresseur nous aurons un gaz chaud à haute pression.
→ Le condenseur :
Le gaz chaud sera dirigé vers un échangeur (le condenseur) dans lequel circule un fluide à réchauffer (eau du réseau de chauffage ou air intérieur). Ce gaz étant plus chaud que le fluide à chauffer, il va transmettre naturellement une partie de son énergie au fluide dont la température va augmenter.
Suite à ce transfert d’énergie le gaz frigorigène va alors condenser et passer ainsi à l’état liquide.
→ Le détendeur :
Le frigorigène à l’état liquide et à pression élevée sera détendu à travers le détendeur, la pression va chuter ainsi que la température. La température du frigorigène sera alors plus basse que la source (sol, air ou eau).
→ L’évaporateur :
Le frigorigène froid et à l’état liquide va traverser un deuxième échangeur de chaleur (l’évaporateur) dans lequel circule le fluide extérieur (air, eau de nappe ou eau échangeant avec un capteur enterré dans le sol) plus chaud que le frigorigène. Celui-ci va récupérer cette énergie et se transformer en gaz (évaporation). Ce gaz sera à nouveau aspiré par le compresseur pour un nouveau cycle |
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Source : Elco, fonctionnement pompe à chaleur
Il existe différents procédés de mise en œuvre quant aux fluides qui traversent la pompe à chaleur (PAC), l’émetteur et le capteur :
- La PAC à détente directe : un seul circuit, le fluide frigorigène circule en circuit fermé dans la pompe à chaleur, les capteurs et les émetteurs de chaleur. Ce type de pompe à chaleur contient beaucoup de fluide frigorigène.
- La PAC mixte : deux circuits, celui du fluide frigorigène des capteurs et de la pompe à chaleur et celui de l’eau chaude des émetteurs.
- La PAC à fluides intermédiaires : trois circuits, le circuit frigorifique de la pompe à chaleur, le circuit des capteurs où circule de l’eau additionnée d’antigel et le circuit qui alimente en eau chaude les émetteurs.
Les différents types de pompe à chaleur
La pompe à chaleur peut récupérer l’énergie de trois sources différentes en fonction du milieu environnant :
1) La PAC récupérant la chaleur dans l’air (air-eau ; air-air )
En hiver, la pompe à chaleur prélève de la chaleur de l’air extérieur et l’amène à un niveau de température suffisant pour pouvoir chauffer le logement au travers de planchers chauffants, de ventilo-convecteurs ou de radiateurs basse température.
N’oublions pas que le coefficient de performance diminue avec la baisse de la température extérieure, en Belgique ce système n’est donc pas conseillé et n’est pas subsidié (voir point consacré aux subsides).
2) La PAC récupérant la chaleur dans l’eau (eau-eau)
L’eau est prélevée dans une nappe phréatique d’eau souterraine existante facilement accessible ou dans un cours d’eau. Il faut un débit suffisant toute l’année.
La très faible variation de température des nappes d’eau souterraines permet d’offrir des performances élevées.
On distingue deux systèmes selon qu’on fonctionne avec un ou deux forages. Avec un forage, l’eau de nappe est rejetée en surface (rivière, plan d’eau ou réseau pluvial), avec deux forages l’eau est réinjectée dans la nappe aquifère d’origine.
En réalité il est rare de trouver une telle situation.
3) La PAC récupérant la chaleur dans le sol (sol-eau)
C’est le système le plus envisageable et le plus fréquemment rencontré chez nous, il faut savoir qu’au-delà de quelques dizaines de centimètres, la température du sol évolue très peu pendant l’année. Elle est peu influencée par l’air extérieur car les couches supérieures du sol agissent comme isolant. Par contre le soleil et l’eau d’infiltration accumulent de la chaleur dans les couches superficielles du sol.
Cette chaleur peut être prélevée avec des capteurs enterrés constitués d’une boucle de tuyauterie parcourue par un fluide frigorigène ou de l’eau glicolée.
Il existe deux types de capteurs dans le sol : les capteurs enterrés horizontaux et les capteurs enterrés verticaux.
Les capteurs enterrés horizontaux
Source COSTIC
Le capteur est constitué d’un réseau de tubes en polyéthylène ou cuivre gainé de polyéthylène enterrés horizontalement à une profondeur comprise entre 0,6 et 1,2 mètres.
Dans ce capteur circule un fluide caloporteur, de l’eau avec de l’antigel (l’eau prélève les calories du sol en circulant dans le réseau de tubes et les transfert à la PAC via un échangeur de chaleur : l’évaporateur) ou du fluide frigorigène (système à détente directe).
Afin d’obtenir la puissance calorifique nécessaire, la surface de capteurs nécessaire est de 1,2 à 2 fois égale à la surface à chauffer et dépend des déperditions calorifiques de l’habitat, par exemple si on a 200m2 à chauffer il faudra au minimum 240 m2 de surface de capteurs.
Il y a quelques principes à respecter lors de la pose de ces capteurs :
- La longueur totale des tubes d’un capteur horizontal dépasse plusieurs centaines de mètres, ces tubes sont repliés en boucles distantes d’au moins 40 cm afin d’éviter un prélèvement trop important de la chaleur du sol.
- Le capteur doit se trouver à plus de 2 mètres des arbres et à plus de 3 mètres des fondations de bâtiments, des fosses septiques ou des réseaux d’évacuation.
- La surface au-dessus du capteur doit être perméable afin de permettre un bon rechargement du capteur.
- Le remblaiement au-dessus du capteur devra être réalisé avec précaution et en respectant les règles de mise en œuvre strictes afin d’éviter les risques d’endommagement capteur.
Les capteurs enterrés verticaux (forage)
Source COSTIC
Le capteur vertical est constitué le plus souvent d’une sonde formée d’un double tube en U en polyéthylène dans lequel circule en circuit fermé une solution d’eau et d’antigel.
Cette sonde est disposée dans un forage pouvant atteindre des profondeurs de 70 à 100 mètres.
La puissance soutirée au sol pour le dimensionnement est de 50W/mètre de forage, ce qui donne pour les logements neufs environ un mètre de profondeur foré par m2 de surface à chauffer, on peut réaliser plusieurs forages espacés d’au moins 10 mètres afin d’obtenir la puissance nécessaire pour chauffer le logement.
Cette solution est plus onéreuse que les capteurs horizontaux, mais limite les contraintes d’emprise au sol.
