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Panorama et dissection des pompes à chaleur

On en parle depuis longtemps… Mais savez-vous ce qui se cache réellement derrière ce terme? Je vous propose une petite rétrospective rapide avec en prime un zoom sur les utilisations possibles… Est-ce intéressant pour vous, dans votre maison? Un article un peu technique, mais qui vous rendra incollable sur le sujet !

Historique et principe

Saviez-vous que c’est dans les années 1980 que la pompe à chaleur a réellement pris de l’ampleur? Si le principe (décrit plus bas) et les applications y sont mêmes antérieurs (le réfrigirateur est la pompe à chaleur la plus connue), il a fallu attendre les chocs pétroliers des années 1970 et l’envolée du prix des combustibles pour réellement doper les nouvelles applications chez les particuliers.

Si le terme est entré dans le langage commun, surtout chez l’adepte de l’éco-construction, le principe thermodynamique qui régit les pompes à chaleur est bien moins maîtrisé. Concrètement :
Une pompe à chaleur prélève des calories d’une source dite « froide » (pour la refroidir encore plus) et les restitue dans un milieu dit « chaud » (pour le réchauffer encore plus)
Une pompe ) chaleur lutte donc contre la nature, puisqu’elle va à l’encontre de l’équation de la chaleur (qui tend à équilibrer les calories entre 2 milieux à des températures différentes). Mais si la source est froide, d’où viennent donc les calories transférées? Le truc, c’est que la source n’est pas froide au sens thermodynamique du terme, puisqu’elle contient tout de même des calories. Un lac de 4 °C peut paraître froid et sans espoir pour réchauffer quoi que ce soit, exprimé différemment sa température est de 277,15 Kelvins (Le 0 absolu est représenté par le 0 K : c’est uniquement à cette température que le milieu ne possèderait pas de calories).

Description du fonctionnement

Donc comment réaliser concrètement ce transfert de calories? C’est le cycle dit « frigorifique » qui est utilisé :

Un circuit frigorifique fait transiter les calories grâce au changement d’état (liquide/gaz) du fluide caloporteur (qui transporte les calories) utilisé. Pour le réaliser, on utilise différents composants (qu’on retrouve dans toutes les pompes à chaleur) :

  1. le compresseur : actionné par un moteur électrique, il élève la température du fluide frigorigène gazeux en le comprimant (c’est la loi des gaz parfaits qui s’applique).
  2. le condenseur (source chaude) : le fluide frigorigène transfère sa chaleur au fluide secondaire (eau, air…) en passant de l’état gazeux à l’état liquide (c’est le changement de phase gaz/liquide qui est exothermique, c’est-a-dire qui libère de la chaleur).
  3. le détendeur : il réduit la pression du fluide frigorigène en phase liquide.
  4. l’évaporateur (source froide) : la chaleur est prélevée au fluide secondaire pour vaporiser le fluide frigorigène.

Ce cycle est réversible, c’est ce qui explique que les pompes à chaleurs peuvent servir de chauffage ou de climatisation. Le schéma ci-dessous traduit bien le cycle frigorifique :

Schéma de fonctionnement d'une pompe à chaleur

Pour qualifier le rendement énergétique (appelé COP pour « Coefficient Of Performance ») d’une pompe à chaleur, on compare le rapport entre la puissance thermique fournie et la consommation électrique. C’est tout simplement le nombre de kWh produit pour 1 kWh consommé. Ainsi, une pompe à chaleur ayant un COP égal à 3 produit 3 kWh de chaleur par kWh consommé. La qualité du compresseur et des circuits de monitoring (électronique de commande, automatisme…) influent énormément sur la consommation électrique, et donc le COP. Il est à noter que l’efficacité d’une pompe à chaleur décroit non linéairement avec l’écart de température entre les sources chaudes et froides.

Il faut être vigilant : les fabricants donnent souvent des chiffres peu réalistes. Voici quelques règles à suivre pour analyser ce qu’on vous donne :

Pour vous donner un ordre d’idée, les systèmes performants possèdent un COP de 7 dans les meilleures conditions.

Les capteurs et leur installation

Au niveau des capteurs extérieurs, on retrouve plusieurs systèmes : les capteurs air, sol et eau. Vous avez certainement déjà entendu parlé de pompes à chaleur géothermiques (capteurs dans le sol) ou aérothermiques (échangeur pour l’air ambiant). La pompe prélève donc les calories du milieu avec lequel elle est interfacée via le (ou les) capteur(s).

Pour les capteurs dans le sol, on retrouve souvent un réseau enterré à une profondeur d’1 mètre, parcouru par de l’eau glycolée (le fluide caloporteur). Vous voyez tout de suite le problème : pour ce système, il vous faut du terrain et des travaux relativement importants pour l’implantation. On estime la surface de capteur nécessaire entre 1.5 à 2 fois la surface habitable de la maison à chauffer. Dans le cas d’une habitation de 150 m², le capteur occupera entre 225 et 300 m² du jardin. De fait, les capteurs air (le pompes à chaleur aérothermiques ressemblent à des gros ventilateurs enchâssés dans une boîte de la taille d’une armoire électrique) sont bien plus simples et souples à mettre en oeuvre. Malheureusement, la performance est beaucoup moins au rendez-vous du fait de la différence de température (entre le sous-sol et l’air ambiant) et des variations thermiques saisonnières (qui affectent beaucoup plus l’air que le sous-sol, thermiquement assez stable à l’année).

Où est-ce intéressant en France d’avoir une pompe à chaleur ?

On l’a dit plus haut, le rendement d’une pompe à chaleur décroit avec l’écart de température entre la source froide et la source chaude. Instinctivement, on perçoit tout de suite qu’une pompe à chaleur comme moyen de chauffage principal dans des régions froides (Est, Ardennes…) est un mauvais calcul : outre un rendement médiocre voire catastrophique s’il gèle, la pompe tentera tout de même de chauffer et consommera beaucoup. En revanche, c’est tout à fait envisageable et même conseillé comme chauffage d’appoint (par exemple utilisé conjointement avec une chaudière bois). La pompe à chaleur sera performante sur les demi-saisons et la chaudière assurera le gros du travail durant l’hiver.

Autre point à prendre en compte dans le cas des capteurs géothermiques : la nature géologique du sol (qui ne doit pas être trop rocheux, trop argileux ou de type remblai). Ce paramètre est parfois (voire souvent) insuffisamment pris en compte par les installateurs.

Possédez-vous une pompe à chaleur? Avez-vous un retour d’expérience à nous faire partager? Etes-vous enchanté de votre système ou au contraire très déçu? Tous vos retours sont les bienvenus !!

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Commentaires

Bonjour,

Article très interessant, les pompes à chaleur sont vraiment un moyen de chauffage économique. Dommage que le crédit d’impôt baisse chaque année. Pour info il est passé de 25 à 22,5% pour les PAC air eau et de 40 à 36% pour les PAC géothermiques et les ballons thermodynamiques.

[…] à chaleur offrira un rendement rapport (EDIT:suite à la conversation sur notre page Facebook), ou COP (Coefficient Of Performance) d’au moins 3. Encore une fois, c’est le cycle thermodynamique […]

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