- Description et fonctionnement
La pompe à chaleur est une solution performante pour produire de la chaleur à partir de l’énergie gratuite puisée dans l’environnement proche de l’habitation.
L'air, l'eau ou encore le sol emmagasinent ainsi une grande quantité de chaleur, inépuisable et propre, sans cesse renouvelée par le soleil et l’eau de pluie. La pompe à chaleur est un appareil capable de capter cette énergie thermique (chaleur) de l’environnement extérieur (énergie gratuite) pour la restituer à l’intérieur d’un bâtiment pour le chauffer.
La pompe à chaleur est composée de 4 éléments principaux :
- Le compresseur ;
- Deux échangeurs : l’un pour capter l’énergie à l’extérieur (évaporateur), l’autre pour la restituer à l’intérieur (condenseur) ;
- Le détendeur.
Le cycle de fonctionnement de la pompe à chaleur se décline donc en 4 étapes :
- La compression : le compresseur va aspirer le fluide frigorigène qui est sous forme de gaz à basse température. En comprimant le gaz, sa température va s’élever en même temps que sa pression. Nous aurons donc à la sortie du compresseur un gaz chaud à une pression élevée.
- Diffusion de la chaleur au condenseur : Le gaz chaud va être dirigé vers un échangeur (appelé condenseur) dans lequel circule un fluide à réchauffer (eau du réseau de chauffage par exemple ou air intérieur). Le gaz chaud va donc transmettre une partie de son énergie au fluide à chauffer dont la température va augmenter. Ce faisant, le gaz frigorigène va condenser, c’est à dire qu’il va passer de l’état gazeux à l’état liquide (d’où le nom de condenseur).
- La détente : Le frigorigène à l’état liquide, qui est toujours à pression élevée, va être ensuite détendu au travers du détendeur. C’est à dire que la pression va chuter abaissant ainsi la température du frigorigène qui reste à l’état liquide. A la sortie du détendeur, la température du frigorigène est beaucoup plus basse et est inférieure à la température de la source de récupération.
- Récupération de la chaleur de l’environnement par l’évaporateur : Le frigorigène, froid et à l’état liquide, va traverser un deuxième échangeur (appelé évaporateur) dans lequel circule le fluide extérieur (air extérieur, eau de nappe ou eau échangeant avec un capteur enterré dans le sol) qui est plus chaud que le frigorigène. Ce dernier va donc récupérer l’énergie (les calories) de ce fluide extérieur. En récupérant cette énergie, le frigorigène va entrer en ébullition et donc se transformer en gaz (évaporation) d’où le nom d’évaporateur.
Le gaz ainsi formé est ensuite aspiré par le compresseur pour un nouveau cycle.
La pompe à chaleur sert donc à :
- Récupérer de l’énergie dans le milieu extérieur (sol/eau/air) grâce à l’évaporateur,
- Remonter le niveau de température de cette énergie thermique, via le compresseur,
- Transférer cette énergie au bon niveau de température au milieu intérieur que l’on souhaite chauffer.
C’est pour effectuer ces opérations (remontée du niveau de température de la chaleur captée et transfert de la chaleur d’un milieu vers un autre) qu’a lieu la consommation d’énergie électrique. Un atout majeur des pompes à chaleur réside dans leur faible consommation d’énergie électrique au regard de l’énergie thermique restituée : pour 1 kWh d’énergie électrique consommée, ce sont 3 à 4 kWh d’énergie thermique qui sont restitués au bâtiment. Soit 2 à 3 kWh d’énergie renouvelable et gratuite qui sont récupérés, transférés et utilisés pour le chauffage.
Ainsi, la pompe à chaleur permet de couvrir 100% des besoins de chauffage d’un logement en consommant seulement 30% d’énergie électrique, les 70% restants étant puisés dans l’environnement tout en le préservant (ces chiffres peuvent varier suivant le matériel, la source d’énergie extérieure – air, eau ou sol – et les conditions de fonctionnement).
Le Coefficient de Performance (ou COP) caractérise la capacité de l’appareil à restituer de la chaleur et permet de comparer les performances des appareils entre eux. Le COP (Coefficient de Performance) d’une machine correspond au rapport entre l’énergie thermique utile restituée pour le chauffage (Q2) et l’énergie électrique nécessaire pour faire fonctionner la pompe à chaleur (W). C’est l’équivalent d’un rendement mais appliqué à une pompe à chaleur. Il s‘exprime : COP = Q2/W.
Un COP égal à 3 signifie que l’énergie thermique utile restituée pour le chauffage est 3 fois supérieure à l’énergie électrique consommée et donc facturée.
- Les différents types d’installation
La pompe à chaleur peut récupérer l’énergie de 3 sources différentes, en fonction du milieu environnant :
- La récupération de la chaleur dans l'air extérieur :
La chaleur prélevée dans l'air extérieur est transférée par la pompe à chaleur dans l'air ambiant du logement ou dans le circuit d'eau chaude de l'installation de chauffage. Bien que les performances se réduisent avec la baisse de la température extérieure, le coefficient de performance reste nettement supérieur à 2 (pour une température extérieure de -7°C et avec un plancher chauffant). Certaines pompes à chaleur sont capables de fonctionner jusqu'à des températures extérieures pouvant descendre jusqu’à –20°C. En dessous de cette température, la pompe à chaleur s’arrête et l’appoint assure le chauffage du logement. Suivant les modèles, la pompe à chaleur peut être installée à l'intérieur ou à l'extérieur du logement.
- La récupération de la chaleur dans l'eau :
La chaleur est prélevée dans une nappe phréatique, un lac, une réserve d’eau ou encore un cours d’eau. Cette chaleur est ensuite transférée par la pompe à chaleur au circuit d'eau chaude de l'installation de chauffage. La pompe à chaleur s'installe généralement à l'intérieur du logement (cave, buanderie, garage). Très performant, cet appareil peut chauffer l'ensemble du logement. Il est important de noter que l'exploitation des eaux est soumise à une réglementation spécifique.
- La récupération de la chaleur dans le sol :
Au-delà de plusieurs dizaines de centimètres, la température du sol évolue de façon limitée tout au long de l’année, y compris dans les zones froides.
La chaleur est prélevée dans le sol à l'aide :
- D'un réseau de tubes déroulés à faible profondeur (de 0,6 m à 1,2 m) dans le sol si la surface du terrain est suffisante ; c'est-à-dire une surface de terrain disponible d'environ 1,5 fois la surface à chauffer. Sur cette surface de terrain, aucune plantation avec des racines profondes ne pourra être réalisée.
- De sondes verticales, qui peuvent atteindre des profondeurs d'environ 100 m.
Cette chaleur est ensuite transférée par la pompe à chaleur au circuit d'eau chaude de l'installation de chauffage. La pompe à chaleur s'installe généralement à l'intérieur du logement (cave, buanderie, garage).
- Avantages et inconvénients
- Avantages et fonctionnalités supplémentaires :
Les pompes à chaleur géothermiques sont avant tout des systèmes de chauffage. Elles peuvent néanmoins remplir d'autres fonctions.
- La production d'eau chaude sanitaire :
Certains modèles permettent de chauffer l'eau d'un ballon en récupérant une partie de la chaleur du fluide frigorigène à l'aide d'un échangeur de chaleur. Cette fonction n'est assurée que pendant la période de chauffage de l'habitation. En dehors de cette période, une résistance électrique placée dans le ballon prend le relais.
- Le rafraîchissement d'un bâtiment en été :
Le système de la pompe à chaleur permet de chauffer, mais peut aussi permettre de refroidir, simplement en inversant son sens de fonctionnement. Elle peut donc assurer non seulement la production de chaleur en hiver, mais aussi la production de froid en été. On parle alors de pompe à chaleur réversible. Elle est dans ce cas équipée d'un dispositif permettant d'inverser le cycle du fluide frigorigène. Le condenseur devient l'évaporateur de la pompe, l'évaporateur devient condenseur : la PAC puise alors des calories dans le logement pour les rejeter à l'extérieur (dans les capteurs enterrés).
- Peu d’entretien :
La pompe à chaleur ne nécessite pas ou peu d'entretien. Cependant, il faut la faire surveiller et entretenir par un spécialiste tous les ans, en particulier pour contrôler l’étanchéité du circuit frigorifique.
- Inconvénients :
Malgré toutes les possibilités offertes par les pompes à chaleur, ce système de chauffage comporte de nombreux inconvénients qui peuvent s’avérer très contraignants à la longue. Dans certains cas, l’aspect écologique des pompes à chaleur peut même être remis en cause par rapport à d’autres systèmes respectant mieux l’environnement.
- Le coût :
Le prix dépend du type de pompe à chaleur et du type de chauffage installé à l'intérieur du logement.
- Pour une pompe à chaleur récupérant l'énergie dans l'air extérieur et alimentant un plancher chauffant rafraîchissant, les prix sont compris en moyenne, selon les caractéristiques techniques, entre 80 et 110 € TTC par m² de surface chauffée.
- Pour un système centralisé à air, les prix varient en moyenne de 60 à 90 € TTC par m² de surface chauffée.
- Pour une pompe à chaleur récupérant l'énergie dans le sol ou l'eau alimentant un plancher chauffant rafraîchissant, les prix sont en moyenne plus élevés que pour les autres, entre 100 et 150 € TTC par m² de surface chauffée. L’investissement est notamment très conséquent pour les forages en profondeur.
Le coût est donc un désavantage majeur des pompes à chaleur bien que comme pour toutes les installations utilisant des énergies renouvelables, des aides financières sont disponibles pour l’achat de nouvelles machines ; depuis 2006 un crédit d’impôts de 50% du prix TTC du matériel acheté s’applique pour un montant maximal de 8000 € pour un célibataire, 16000 € pour un couple, majoré de 400 € par enfant à charge.
- Le fluide frigorigène :
Jusqu'à ces dernières années, le fluide le plus employé était le R22, plus connu sous le nom de Fréon. Il s’agit d’un chloro-fluoro-carbonne (CFC), particulièrement nocif pour l’environnement. Il contient du chlore, dont les effets sont destructeurs pour la couche d'ozone. C'est de plus un gaz à effet de serre puissant (plusieurs milliers de fois plus que le CO2). Le R22 est désormais interdit et remplacé par des fluides sans chlore et donc inoffensifs pour la couche d'ozone, comme le R407 C et le R134 A, mais contenant du fluor qui reste un gaz à effet de serre et contribue donc au réchauffement climatique.
Un des paradoxes de la pompe à chaleur est donc que pour puiser une énergie renouvelable et non polluante, elle utilise (en grande quantité) un fluide à l’impact négatif sur l’environnement. On comprend donc qu’une vérification régulière de l’étanchéité du circuit frigorifique est indispensable.
- Le bruit :
Les problèmes acoustiques sont, pour les pompes à chaleur, essentiellement dus au fonctionnement du ventilateur et du compresseur. En général, les modèles les plus chers sont les moins bruyants. Mais dans tous les cas, pour limiter les nuisances sonores, la machine doit être installée soit à l’extérieur en prenant garde au voisinage, soit dans un local adapté pour éviter la propagation du bruit au logement ou à l’environnement.
- Consommation électrique :
Les pompes à chaleur nécessitent un apport important en électricité pour fonctionner et la plupart des modèles demandent une alimentation électrique triphasée plutôt que monophasée, ce qui implique la nécessité de modifier son abonnement électrique lorsque c’est possible et si besoin est, modifier toute l’installation électrique (surcoût important).
