Fonctionnement

Les pompes à chaleur : l’exploitation de l’énergie de l’environnement

Les pompes à chaleur ont fait leur apparition dans les installations de chauffage depuis de nombreuses années. Les modèles actuels font valoir leurs arguments par rapport aux chaudières actuelles tant d’un point de vue écologique qu’économique. Les faibles coûts d’exploitation des pompes à chaleur compensent les coûts d’investissement plus élevés.

Les pompes à chaleur sont particulièrement adaptées pour les bâtiments chauffés par des émetteurs à basse température comme par exemple les planchers chauffants. Certains modèles de pompes à chaleur permettent également de rafraîchir en été, ce qui procure un confort supplémentaire à votre habitat.

 

Comment fonctionne une pompe à chaleur ?

Principe de fonctionnement de la pompe à chaleur

La pompe à chaleur est un système compact qui utilise l’énergie de l’environnement. Cette énergie naturelle se trouve dans l’air, la terre ou l’eau et peut être exploitée respectivement par des pompes à chaleur air/eau, eau glycolée/eau et eau/eau.

La chaleur est récupérée dans un évaporateur de la pompe à chaleur grâce au fluide frigorigène qui se caractérise par une possibilité d’évaporation même à température négative. Le compresseur augmente la pression en même temps que la température. Le fluide frigorigène chaud passe à travers le condensateur qui transmet sa chaleur au système de chauffage. Le fluide frigorigène se refroidi et redevient liquide et peut, après une détente qui baisse sa pression et sa température, aller récupérer à nouveau la chaleur de l’air.

Les pompes à chaleur produisent 100% de chaleur à partir de 75% d’énergie gratuite issue de l’environnement et 25% d’énergie électrique nécessaire à la compression du fluide frigorigène.

Le rapport entre l’émission de chaleur et la puissance électrique consommée du compresseur est appelé coefficient de performance E (Epsilon) ou COP (Coefficient Of Performance). Le coefficient de performance est mesuré sur banc d’essai dans des conditions définies.

Le COP permet de comparer différents systèmes de pompes à chaleur. Plus le COP est important, plus la pompe à chaleur est performante. En dehors du COP, le rendement annuel est une valeur déterminante. C’est la quantité de chaleur fournie à l’année, en rapport avec la quantité d’électricité consommée, comparable au rendement annuel d’une chaudière à condensation. Un rendement annuel de 4 signifie que pour une unité d’électricité consommée, 3 unités de chaleur sont fournies par l’environnement pour une production totale de 4 unités de chaleur.

 

Quelles sont les composants d’une pompe à chaleur ?

Vue en coupe d'une pompe à chaleur

Une pompe à chaleur se compose d’un évaporateur, d’un compresseur, d’un condensateur et d’un détendeur.

L’évaporateur vaporise le fluide frigorigène par absorption de l’énergie de l’environnement qui, dans l’exemple, est la chaleur au sol. Le compresseur, par élévation de pression, conduit à la température nécessaire au chauffage. Ainsi, une pression de 18 bar à la sortie du compresseur conduit à une température de 70°C au fluide frigorigène. Dans le condensateur, l’énergie est transmise au circuit de chauffage et le fluide frigorigène retourne à l’état liquide. La vanne de détente a plusieurs fonctions : tout d’abord, baisser la pression et en même temps la température. Ainsi, le fluide frigorigène est prêt pour récupérer à nouveau de l’énergie. Par ailleurs, il régule le débit du fluide frigorigène pour n’amener à l’évaporateur que la quantité de fluide qui peut être vaporisée. Le pilotage des fonctions et du cycle de la pompe à chaleur est assuré par le manager.

 

La chaleur de la terre

Captage horizontal

Captage horizontal

Le captage horizontal représente une solution très performante pour les maisons neuves disposant d’une surface de terrain suffisante.

Captage géothermique

Le sol est une excellente source de chaleur grâce à une température relativement constante. La chaleur est récupérée soit par capteur géothermique horizontal, soit par une sonde verticale. Dans les deux systèmes, de l’eau glycolée (mélange d’eau et d’antigel) est véhiculé dans un tube en plastique. Cette eau glycolée récupère l’énergie solaire emmagasinée par la terre qui se diffuse, par rayonnement ou par transport grâce à l’action de la pluie, jusqu’à une profondeur de 100 mètres. Seule une faible part de l’énergie provient du centre de la Terre. A partir de 15 mètres de profondeur, la température du sol est quasi constante à 10°C.

 

Dans le cas de capteurs géothermiques, les tubes plastiques remplis de liquide glycolé sont posés en méandre (comme pour un plancher chauffant) à environ 1,5 mètre de profondeur. Les écarts entre les tubes doivent être de 0,6 à 0,8 mètre.

Tous les tubes raccordés au distributeur doivent avoir la même longueur & ne doivent pas dépasser 100 mètres. Selon la nature du sol, la puissance attendue se situe en moyenne à 25 Watts par m². L’extraction de la chaleur s’effectue par la chaleur accumulée dans l’humidité du sol. Plus le sol est humide, meilleure sera la récupération de chaleur. Pour une construction neuve, la pose des capteurs géothermiques se fera lors des travaux de terrassement. Pour des bâtiments existants, il faut creuser une tranchée avec une pelleteuse dans laquelle le tube plastique sera enfoui (32x 2,9 mm).

Géothermie verticale

Captage sur sonde géothermique

Le captage géothermique vertical ne requiert qu’un espace limité. Il est parfaitement adapté à la rénovation et aux constructions neuves possédant un terrain réduit. De plus, la terre en profondeur est une source de chaleur stable très peu sensible aux baisses thermiques de la surface du sol ou de l’air durant les mois où on a besoin de chauffer.

Dans le cas d’une installation de sondes géothermiques (voir illustration ci-dessous), un système d’échangeur de chaleur est introduit dans le sol à l’aide de double tubes U à une profondeur de 40 à 100 m. Selon la puissance frigorfique de la pompe à chaleur, plusieurs forages peuvent s’avérer nécessaires. Pour une profondeur de forage supérieur à 15 mètres, la température du sol est de 10°C toute l’année. L’écartement des forages doit être d’au moins 5 m pour des profondeurs de 40 à 50 m et de 6 m pour des profondeurs de 50 à 100 m et doivent être posées perpendiculairement au sens d’écoulement de l’eau de la nappe phréatique. Indépendamment de la nature des différents sols, la puissance moyenne est de 50 Watts par mètre. L’extraction de la chaleur s’effectue par la chaleur contenue dans l’humidité é du sol.

Plus le sol est humide, meilleure sera la récupération de la chaleur. Pour les sondes géothermiques, des sociétés spécialisées effectuent des forages verticaux de diamètre compris entre 115 et et 220 mm. En raison de la protection de la nappe phréatique, ces sociétés de forage doivent être en possession d’un agrément. Après avoir placé les sondes à double tubes U, le trou est rempli complétement avec du béton.

La chaleur de l’air

Aérothermie intérieure

Cette source de chaleur, utilisable par une pompe à chaleur, est disponible partout. Un ventilateur pompe l’air extérieur et le conduit directement sur l’évaporateur de la pompe à chaleur pour récupérer l’énergie. La pompe peut être installée de deux manières différentes.

En installation intérieure, l’air extérieur est conduit à l’évaporateur de la pompe à chaleur par une gaine d’air insonorisée et isolée. L’aspiration et le refoulement de l’air se font à travers une grille à faible perte de charge et sont protégés contre l’intrusion de pluie qui peut aussi être positionnée dans une cour anglaise.

Aérothermie extérieure

En installation extérieure, la pompe à chaleur est totalement installée dehors. Il est essentiel que l’air refroidi, après récupération de la chaleur, puisse être évacué. Lors d’une installation près d’un mur, l’air doit être évacué à l’opposé du mur. Une installation dans une cuvette ou une cour fermée n’est pas possible car l’air refroidi s’accumule au sol et en cas de fonctionnement prolongé, est à nouveau aspiré par la pompe à chaleur. Le raccordement au chauffage départ et retour se fera avec des canalisations isolées. La longueur maximale de cette canalisation est de 50 m et il faut prévoir un passage de mur qui servira aussi à l’alimentation électrique et au câble de commande de la pompe à chaleur.

Il faut accorder une importance particulière au niveau sonore des pompes à chaleur installées à l’extérieur. Les émissions sonores maximales sont définies selon les localisations.

 

La chaleur issue de l'eau

 

Nappothermie

Captage sur eau de nappe

L’eau de nappe est une source de chaleur stable : elle ne nécessite donc aucun appoint pour compenser les besoins thermiques. La température de la nappe phréatique est constante et élevée toute l’année ( entre 8°C et 12° C ).

Les nappes phréatiques sont les meilleures sources d’énergie pour une pompe à chaleur en raison des faibles fluctuations de la température de l’eau (7 à 12 °C). Pour l’utilisation d’une pompe à chaleur destinée à exploiter la chaleur provenant de la nappe phréatique, il faut systématiquement disposer de l’accord des autorités compétentes. Cet accord est généralement délivré en-dehors des zones de protection des eaux. Il doit toujours remplir certaines conditions comme par exemple la quantité maximale prélevée ou l’analyse de l’eau. L’étude & la mise en place d’une installation de puits de puisage et de rejet doivent être réalisées par une entreprise spécialisée. Indépendamment des exigences normatives, la nappe phréatique ne doit contenir aucune substance susceptible de se déposer. Les valeurs limites de fer (< 0,2 mg/l) et manganèse (< 0,1 mg/l) doivent être respectées pour éviter un dépôt d’ocre dans l’installation (l’ocre de fer est souple & bouche les conduites). Les informations sur une exploitation éventuelle de l’eau de la nappe phréatique sont disponibles auprès des entreprises locales d’approvisionnement en eau.

L’eau de la nappe phréatique nécessaire à la pompe à chaleur est extraite du sol par un puits de puisage. Le circuit de puisage doit être dimensionné pour garantir le débit d’eau minimal nécessaire pour la pompe à chaleur. Le rendement d’un puits dépend des conditions géologiques locales. L’eau de la nappe phréatique refroidie par la pompe à chaleur est redirigée vers le sol par un puits de rejet. Ce puits doit être creusé à 10/15 m du puits de puisage dans le sens de l’écoulement de la nappe phréatique pour éviter le puisage d’eau refroidie. Le puits de rejet doit pouvoir absorber la même quantité d’eau que celle puisée.