DONNEES DE BASE POMPES À CHALEUR

UNE SOLUTION ADAPTÉE À TOUTES LES INSTALLATIONS DE CHAUFFAGE

Les pompes à chaleur peuvent être combinées à n’importe quelle installation de chauffage, aussi bien lors d’une nouvelle construction que lors d’une rénovation. De préférence des systèmes fonctionnant à basse température tels que le chauffage par le sol ou le chauffage mural, mais également d’anciennes installations avec des radiateurs, se combinent parfaitement à des pompes à chaleur.

CIRCUIT D’UNE POMPE À CHALEUR

Tous les types de pompes à chaleur absorbent la chaleur à basse température, laquelle est ensuite délivrée à haute température. La plupart des pompes à chaleur fonctionnent en évaporant un fluide frigorigène à basse température et en condensant la vapeur à haute température. Le point d’ébullition doit donc être abaissé dans le premier cas et augmenté dans le second cas. Le point d’ébullition peut être augmenté en faisant monter la pression au moyen d’un compresseur (pompe) ; le point d’ébullition peut être abaissé en faisant descendre la pression au moyen d’une valve d’expansion. Ce processus d’évaporation, de compression, de condensation et d’expansion constitue un circuit fermé pour le fluide frigorigène qui s’écoule de façon circulaire.

HAUSSE DE PRESSION DANS LE COMPRESSEUR

Le fluide frigorigène gazeux est aspiré par le compresseur qui le comprime en le chauffant fortement (comme dans une pompe à vélo). Il est possible ainsi d’augmenter sensiblement la température du fluide frigorigène. Le rendement est optimal avec une source de chaleur la plus chaude possible et une température de service la plus froide possible, mais fortement réduit lorsqu’il existe une grande différence de température. Dès qu’il atteint la pression souhaitée, le fluide frigorigène est acheminé vers le condenseur. Du fait de la hausse de pression, le point d’ébullition augmente également de façon à condenser le fluide frigorigène dans le condenseur.

UNE CONSOMMATION EXCEPTIONNELLEMENT FAIBLE

Comme seul le compresseur utilise de l’énergie dans ce processus, une pompe à chaleur atteint un rendement moyen d’au minimum 4. Ce qui signifie que qu’1/4 seulement de la chaleur doit être acheté (sous la forme d’électricité) et que 3/4 sont prélevés gratuitement de la nature. Autrement dit, pour chaque euro d’électricité que vous investissez dans une pompe à chaleur, vous recevez en retour 4 euros de chaleur. Par conséquent, vous ne dépendez plus de votre fournisseur que pour 1/4 de votre énergie ! Alors que les chaudières fonctionnent à un rendement moyen de 95 %, la pompe à chaleur le fait à environ 400 %.

TRANSMISSION DE LA CHALEUR AU CHAUFFAGE

Dans le condenseur, l’énergie prélevée lors de l’évaporation, ainsi que l’énergie thermique de la compression, sont transmises à l’eau. Cette eau peut servir ensuite à réchauffer l’habitation.

UN CHAUFFAGE ÉCOLOGIQUE

La pompe à chaleur fonctionne sans combustion, permettant ainsi d’éviter toute pollution locale. Le chauffage au moyen d’une pompe à chaleur permet par exemple de réduire les émissions de CO2.

HISTORIQUE

La première pompe à chaleur a été utilisée au début du 20e siècle à Zurich, mais sans succès. Au 20e siècle, lorsque la crise de l’énergie est survenue dans les années 70, la pompe à chaleur est apparue comme une alternative économe en énergie. De nombreuses recherches ont alors été menées pour développer d’autres variantes. C’est ainsi qu’est apparue la pompe à chaleur à accumulation à gaz qui fonctionne au gaz naturel. Suite à la forte baisse des prix de l’énergie en 1985, la plupart des recherches ont été interrompues. L’industrie de la pompe à chaleur n’est plus apparue comme rentable. En 1990, les politiciens ont commencé à comprendre que non seulement les réserves limitées d’énergie posaient problème, mais également que l’environnement n’était plus en mesure de faire face à la hausse de la pollution.
Cela a relancé le débat sur les sources d’énergie alternatives et par conséquent la recherche sur les pompes à chaleur. L’un des problèmes était notamment le fluide frigorigène utilisé. Les fluides utilisés étaient toxiques et contribuaient à la dégradation de la couche d’ozone et/ou à l’effet de serre. En ce moment, la commercialisation de certains projets est en bonne voie si bien que le prix de revient des installations diminue. Ceci, combiné à une augmentation des prix de l’énergie, permet de réduire le délai d’amortissement.

DEUX TYPES DE POMPES À CHALEUR

Pompe à chaleur air/eau
Dans les pompes à chaleur air/eau, l’énergie est extraite de l’air extérieur, puis portée à une température supérieure. La chaleur est ensuite transmise à l’eau. Ce système est idéal pour le chauffage d’une habitation. Généralement, l’eau ne doit être chauffée qu’à 38 °C, ce qui permet d’atteindre un rendement très élevé grâce à la température peu élevée du condenseur. En outre, certaines pompes à chaleur air/eau permettent également de refroidir, et d’améliorer ainsi le confort dans l’habitation. Aucune source au sol n’est nécessaire, réduisant ainsi l’investissement.

Conclusion : Ce système est adapté au chauffage (et au refroidissement) d’une habitation, qu’il s’agisse d’un bâtiment existant ou d’un nouveau bâtiment.

Pompe à chaleur eau/eau
Une pompe à chaleur eau/eau extrait l’énergie de l’eau dans le sol (eau souterraine). Il existe différentes possibilités.

COLLECTEUR VERTICALE

1) Pompage de l’eau de rivière ou de mer
S’il y a un cours d’eau dans les environs, vous pouvez en extraire l’eau, puis la faire circuler dans le système de pompe à chaleur via un échangeur de séparation et la restituer. Il est nécessaire pour cela de prévoir un bon filtre. Le rendement est relativement élevé, étant donné qu’en général une rivière ou un cours d’eau plus important ne gèle pas totalement et que la température ne descend pas sous les 4 °C. De plus, la source ne peut pas s’épuiser du fait qu’elle est renouvelée en continu.
Conclusion : Ce système ne peut s’appliquer que dans des cas exceptionnels étant donné que l’habitation doit se trouver à proximité d’un cours d’eau. Si tel est le cas, ce système constitue alors un bon choix. En Belgique, il est parfois interdit.

2) Echangeur de chaleur sous-terrain vertical
Dans ce cas, un puits doit être foré. Le débit nécessaire dépend de la taille de la surface à chauffer. Dans le puits, l’eau s’écoule par les tuyaux. L’eau absorbe la chaleur des couches profondes, puis est pompée de nouveau vers le haut. Du fait de la grande profondeur, la température est indépendante des saisons. Pour ce type de système, un permis est nécessaire pour le forage du puits.

Conclusion : Ce type de système est peu encombrant, mais requiert un permis. Le prix de revient de l’installation est sensiblement supérieur à celui des systèmes décrits précédemment.

3) Puiser la chaleur des eaux souterraines
Dans ce cas, deux puits sont forés. L’un des puits sert à pomper les eaux souterraines d’où provient la chaleur, tandis que l’autre est destiné au déversement de l’eau froide (le déversement libre des eaux usées n’est pas autorisé en Belgique à cause du grand gaspillage de l’eau). Ce système a un rendement supérieur au précédent, mais le prix de revient de l’installation est bien entendu plus élevé en raison des deux puits à forer. Ce système offre de grands avantages lorsque l’on souhaite également refroidir l’habitation. En hiver, les eaux souterraines sont chaudes ; comme la chaleur en ait extraite, elles se refroidissent. Ces eaux souterraines refroidies sont stockées dans l’autre puits afin de pouvoir les utiliser en été pour refroidir l’habitation. De ce fait, les eaux souterraines se réchauffent de nouveau, et la chaleur peut de nouveau être stockée et utilisée en hiver.

Conclusion : C’est l’un des systèmes qui offre le meilleur rendement, mais le prix de revient de l’installation est assez élevé.

MODES DE FONCTIONNEMENT

Mode monovalent
Dans ce système, toute la maison est chauffée exclusivement par la pompe à chaleur. Il n’y a pas de chauffage d’appoint, mais il est très important que la pompe à chaleur soit correctement dimensionnée. Il convient de veiller à ce qu’il y ait toujours suffisamment de chaleur disponible, car une pompe à chaleur surdimensionnée devient rapidement trop chère. Il faut tenir compte également des besoins constants en eau chaude sanitaire. La pompe à chaleur eau/eau est particulièrement adaptée à ce mode de fonctionnement.

Mode mono-énergétique
La pompe à chaleur couvre la majeure partie des besoins thermiques, mais un appoint électrique est utilisé lorsqu’il fait très froid. La puissance de la pompe à chaleur atteint environ 80 % des pertes calorifiques totales, mais la part de la pompe à chaleur dans le chauffage annuel s’élève entre 92 et 98 %. Les investissements nécessaires sont moindres.

Mode bivalent parallèle
En mode chauffage, la pompe à chaleur est complétée par un générateur de chaleur complémentaire (chaudière fioul/gaz). La puissance de chauffage de la pompe à chaleur est calculée pour couvrir 50 à 70 % des besoins thermiques de la maison. La contribution de la pompe à chaleur au chauffage annuel se situe entre 72 et 90 %. Ce mode de fonctionnement est avant tout bon marché en cas de rénovation d’un chauffage existant.

Mode bivalent alternatif
La pompe à chaleur peut garantir le chauffage complet de la maison jusqu’à une température extérieure minimale déterminée. Lorsque la température extérieure est trop basse, la pompe à chaleur est mise à l’arrêt et le chauffage de la maison est assuré par un autre chauffage. Ce mode de fonctionnement est caractéristique avant tout des pompes à chaleur air/eau car celles-ci ont un faible rendement lorsque la température extérieure est basse.

ECHANGEUR DE CHALEUR AIR ECTÉRIEUR

Avantages:
Encombrement au sol limité
Utilisable presque partout
Disponible de façon illimitée
Inépuisable
Rendement saisonnier élevé dans les systèmes inverter
Faibles coûts d’investissement

Inconvénients:
Dégivrage nécessaire
Possibilité d’avoir périodiquement des températures de la source très basses

ECHANGEUR DE CHALEUR SOUTERRAIN VERTICAL

Avantages:
Encombrement au sol limité
Utilisable presque partout
Disponible de façon illimitée
Peu de variations de la température de la source
Température de la source relativement élevée
Système fermé
Possibilité de « Natural Cooling »

Inconvénients:
Baisse de la température de la source pendant la saison froide
Etanchéité nécessaire en raison du glycol présent dans le système

ECHANGEUR DE CHALEUR EAUX SOUTERRAINES

Avantages:
Encombrement au sol limité
Température de la source constante
Température de la source relativement élevée
Inépuisable
Possibilité de « Natural Cooling »

Inconvénients:
Profondeur non réalisable partout
Coûts d’investissement élevés
Système ouvert
Energie nécessaire au pompage de l’eau
Permis environnemental nécessaire
Séparation garantie fluide frigorigène – eaux souterraines
Le forage, le puits de retour et le colmatage demandent une attention supplémentaire
Nécessité d’avoir des connaissances géohydrauliques approfondies

ECHANGEUR DE CHALEUR SOUTERRAIN HORIZONTAL

Avantages:
Utilisable presque partout
Disponible de façon illimitée
Système fermé
Possibilité de « Natural Cooling »

Inconvénients:
Vaste encombrement au sol
Température variable de la source
Attention à l’épuisement du sol
Baisse de la température de la source pendant la saison froide
Etanchéité nécessaire en raison du glycol présent dans le système

SUPERFICIE AU SOI REQUISE

En fonction de la puissance de la pompe à chaleur et du type de sol, il est possible d’évaluer la surface dont a besoin le capteur. La chaleur provenant des couches inférieures est négligeable comme source de chaleur pour les couches supérieures. La quantité de chaleur utilisable et, par conséquent, la superficie requise dépendent en grande partie des caractéristiques thermophysiques du sol et de l’énergie de rayonnement. Pour l’exprimer simplement, les caractéristiques de stockage et le pouvoir caloporteur sont plus importants lorsque le sol contient plus d’eau, que les matières minérales sont plus nombreuses et que les pores sont plus petits. L’eau possède une capacité thermique relativement élevée. De ce fait, lorsque l’on installe une pompe à chaleur avec un capteur, une surface plus restreinte est requise dans les sols humides. Un moyen d’obtenir un sol plus humide est de creuser plus profondément. Mais cette opération augmente bien entendu les coûts d’installation. De plus, il faut tenir compte de l’épuisement du sol. Au terme d’un chauffage hivernal complet, le sol va refroidir. D’où l’impossibilité de prélever une quantité aussi importante. Le pouvoir de captage (qe) du sol se situe entre 10 et 35 W/m².