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Fonctionnement des pompes à chaleur

Pompes à chaleur ou chauffage thermodynamique

Le chauffage dit thermodynamique est basé sur la récupération de chaleur gratuite dans l’environnement extérieur, que ce soit l’air gratuit et abondant, le sol dont la masse inerte est réchauffée par le soleil, ou l’eau présente dans le sous-sol de nos maisons et de nos immeubles.

La pompe à chaleur puise donc les calories dans cet environnement abondant et gratuit et le restitue au logement à un coût très économique. Cet équipement équipé d’un compresseur électrique qui permet des économies d’énergies jusqu’à 70% par rapport à une solution classique de chauffage.

Le schéma ci-après montre bien le cycle de fonctionnement d’une pompe à chaleur :

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source Promotelec

L’économie d’énergie est donc très conséquente par rapport à un système de chauffage électrique standard. Des pays - comme la Suède pourtant située dans l’Europe du Nord - se placent depuis des années aux premiers rangs des utilisateurs.

La Suisse, de plus en plus consciente et engagée dans la préservation de l’énergie et de l’environnement, connaît une croissance remarquable comme le montre le graphe joint :

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source Afpac

Economies réalisées

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source pac.ch

En utilisant 1 kWh d‘électricité pour faire fonctionner la pompe à chaleur, vous pouvez récupérer gratuitement jusqu'à 3 kWh naturellement présents dans l'environnement, tout en le préservant.

Ce passage de 1 à 3 est appelé COP (coefficient de performance de la pompe à chaleur), c’est pour ainsi dire le rendement. Oui, le rendement d’une PAC, pompe à chaleur, est bien supérieur à 1, il est dans cet exemple de COP = 3 !

Autrement dit, en moyenne selon les caractéristiques de votre projet, du type de pompe à chaleur installée, de la zone géographique..., la chaleur nécessaire pour chauffer votre habitat provient grâce à une pompe à chaleur pour 2/3 de l'environnement (et donc peut être considéré comme gratuit), et pour 1/3 de l'énergie électrique pour faire fonctionner la pompe à chaleur.
 

Comment ça marche ?

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source lycos

L’air, ou le sol, voire l’eau souterraine possèdent donc une quantité de chaleur sans cesse renouvelée grâce au rayonnement solaire et à la capacité thermique du sous-sol. Puiser de la chaleur pour la transférer dans un autre milieu, est un principe bien connu des industries frigorifiques. Principe selon lequel un fluide frigorigène, à l’intérieur d’un circuit frigorifique, lorsqu’il est compressé ou détendu, permet :

  • D’absorber de la chaleur de l’air, en se vaporisant dans l’évaporateur (l’évaporateur est le dispositif extérieur dans le cas d’une pompe à chaleur),
  • De restituer de la chaleur absorbée en se condensant dans le condenseur (le condenseur est la partie chaude, qui va céder des calories dans la pièce à chauffer).

L’énergie mécanique nécessaire au déplacement du fluide frigorigène et à ses changements d’état, est apportée par un compresseur, lui-même fonctionnant à l’électricité ;

Ce cycle est appelé cycle frigorifique

Pour réaliser ce transfert de calories, seul le compresseur et les ventilateurs (ou pompes) du système sont raccordés électriquement. Comme les calories prélevées dans le milieu naturel sont gratuites et qu’une grande partie de l’électricité fournie au compresseur est transformée en chaleur, un chauffage thermodynamique consomme moins d’énergie qu’il n’en fournit.
Ce phénomène est défini par le Coefficient de Performance ou COP. C’est le rapport entre la puissance nominale de chauffage et la puissance absorbée par la PAC.

Si nous appelons :

E l’évaporateur, et PE, la puissance en kW absorbée à l’évaporateur,
C le condenseur, et PC, la puissance en kW évacuée au condenseur,
Et P, le compresseur, et PP la puissance en kW apportée ou consommée par le compresseur.
Par exemple, nous avons :

PE, la puissance en kW absorbée à l’évaporateur = 2 kW
PP la puissance en kW consommée par le compresseur = 1 kW
PC, la puissance en kW évacuée au condenseur = donc 2 + 1 = 3 kW
C’est la puissance récupérée dans la pièce à chauffer; le COP, coefficient de performance de la machine = PC/PP = 3 !

Le fonctionnement de la PAC est réversible grâce à une vanne quatre voies : l’évaporateur devient condenseur et vice-versa.
En été, la PAC devient un climatiseur : elle absorbe alors la chaleur pour refroidir les pièces et l’évacue dans l’air extérieur, de l’eau ou le sol.

Chauffage et climatisation, deux fonctions en un seul appareil  

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source Daikin

Comme nous l’avons expliqué dans le paragraphe précédent, la pompe à chaleur « pompe de la chaleur » du milieu extérieur, et restitue plus de chaleur vers le logement.
Si vous inversez dans cette explication « extérieur » et « logement », alors la pompe à chaleur fonctionne comme un climatiseur, puisqu’elle enlève de la chaleur au logement et donc le refroidi et libère de la chaleur à l’extérieur.

Autre exemple, le climatiseur fonctionne sur le même principe que votre réfrigérateur. D’un côté il produit du froid (puise des calories) et de l’autre, au dos de votre frigo il évacue du chaud, des calories.
Le petit bruit que vous entendez dans votre frigo est le compresseur électrique qui "comprime" un fluide dit réfrigérant qui a la capacité par ses changements d’état (gazeux/liquide) de transférer l’énergie frigorifique et calorifique.

En résumé, les pompes à chaleur dites "réversibles" vous permettent de chauffer ou de rafraîchir votre logement selon le confort souhaité en un seul équipement.
Il vous suffit de modifier le sens de fonctionnement de la pompe à chaleur grâce à une commande (ou télécommande) qui en fait va inverser le cycle de la PAC (pompe à chaleur).

Dans ce cas la PAC est dite réversible

Energie et environnement

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source Inra

La pompe à chaleur fonctionne avec de l’électricité, qui doit faire tourner son compresseur.

L’électricité étant également nécessaire pour faire fonctionner les auxiliaires; pompes, et/ou ventilateurs, …, utiles au transport et à l’émission de chaud ou de froid dans la pièce et vers l’extérieur.

Note importante : Attention sur ce point car ces consommations sont certes faibles, mais continuent durant toute la saison de chauffe, voire toute l’année, dans le cas d’une PAC réversible. De ce fait le COP ou rendement prévu de 3, est réduit lors que l’on considère le COP ou rendement global annuel (consommations de ces auxiliaires prises en compte).

Les pompes à chaleur utilisent à l’intérieur un fluide réfrigérant ou frigorifique appelé couramment "fréon". Certains fluides dits "HCFC" sont nocifs pour la couche d’ozone et leur émission dans l’atmosphère a un effet destructif. C’est pourquoi la Communauté Internationale et plus particulièrement la Communauté Européenne a réglementé leurs utilisations et interdits certains.

Désormais, la réglementation interdit d’utiliser des HCFC pour la production de tout équipement de froid ou de conditionnement d’air et les fluides dits "verts" disponibles sur le marché sont les seuls autorisés. Ce sont les R 407C, R 410A, …, qui sont sans effets nocifs sur la couche d’ozone. Soyez donc vigilants lorsque vous récupérez du matériel dans une maison ancienne.

Toutefois pour les anciennes installations achetées avant le 1er janvier 2004, l’interdiction d’utiliser des HCFC autrement dits anciens fréons, est portée après le 1er janvier 2015, pour les opérations de maintenance et d’entretien.

En ces périodes d’économies d’énergie et de sauvegarde de l’environnement, la pompe à chaleur est une solution de chauffage et de climatisation qui peut diviser par 3 notre consommation d’électricité pour le chauffage, et qui, quand elle est associée à une technique comme la géothermie, contribue au développement durable par l’utilisation d’une énergie renouvelable.

Aperçu des différents systèmes de pompe à chaleur

Pompe à chaleur AIR/AIR ou AIR/EAU

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Source France Géothermie

La pompe à chaleur récupère la chaleur de l’extérieur et la transfère à un niveau de température plus élevé dans l'air ambiant du logement ou dans le circuit d'eau chaude de l'installation du chauffage.
La pompe à chaleur est généralement installée en extérieur. Attention car le COP ou le rendement chute cruellement quand la température extérieure descend en dessous de -5°C. Selon les régions, la température extérieure de base en hiver peut atteindre –15°C comme à Strasbourg, il est donc indispensable soit d’opter pour du matériel de qualité prévu pour, soit prévoir un appoint complémentaire : élec, bois, …, qui ne sera sollicité que lorsque les températures deviendront négatives (inf. à 0°C).
Cette solution de pompe à chaleur AIR/AIR ou AIR/EAU récupérant la chaleur dans l'air extérieur demande une mise en œuvre très simple (PAC AIR/AIR), voire simple (PAC AIR/EAU : raccordement sur l’installation de plancher chauffant par exemple.

Pompe à chaleur géothermique – PAC SOL/EAU

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Source France Géothermie

La pompe à chaleur sur capteurs enterrés ou pompe à chaleur géothermique prélève la chaleur dans le sol, qui va être transférée à un niveau de température plus élevé dans la pièce ou la maison à chauffer.

Ce système fonctionne :

  • Soit avec un capteur horizontal composé d'un réseau de tubes enterré dans le sol à faible profondeur à 1 mètre environ. Pour cela, vous devez disposer d'une surface de terrain d'environ 1.5 fois la surface à chauffer sur laquelle aucune plantation avec des racines profondes ne pourra être réalisée. 
  • Soit avec un capteur vertical composé de sondes qui peuvent atteindre une profondeur d'environ 100 mètres.

Exemples :

  • Pour une maison de 150 m², le capteur occupera entre 200 et 300 m² de votre jardin. 
  • Pour les capteurs verticaux, deux sondes géothermiques de 50 m de profondeur conviennent pour chauffer une maison de 120 m² habitables. L'emprise au sol est minime par rapport à des capteurs horizontaux.

Cette solution de pompe à chaleur SOL/EAU récupérant la chaleur dans le sol demande une mise en œuvre par un professionnel. Les économies d’énergies sont supérieures à un système pompe à chaleur

AIR/AIR ou AIR/EAU. Le raccordement s’effectue sur l’installation de chauffage de plancher chauffant par exemple, ou tout autre chauffage dit à basse température.

Récupération de la chaleur dans l'eau - PAC EAU/EAU

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source France Géothermie

La pompe à chaleur prélève la chaleur dans une nappe phréatique, un lac ou un cours d'eau, …, et la transfère à un niveau de température plus élevé dans le circuit du chauffage.
Cette solution de pompe à chaleur EAU/EAU récupérant la chaleur dans le sol demande une mise en œuvre par un professionnel, afin de bien maîtriser la qualité et le régime de l’eau dans laquelle on veut puiser les calories. Les économies d’énergie sont supérieures à un système pompe à chaleur AIR/AIR ou AIR/EAU. Le raccordement s’effectue sur l’installation de chauffage de plancher chauffant par exemple, ou tout autre chauffage dit à basse température.

Source : climamaison.com

Autre lien : Pompe à chaleur réversible.
 

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