Pompes à chaleur : air-air, air-eau et eau-eau (aérothermie et géothermie)

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La géothermie à « très basse énergie » (moins de 30 °C) permet de récupérer de la chaleur à une profondeur très faible. À 60 cm, la température n’est pas suffisante pour assurer le chauffage aussi il faut donc faire appel à une pompe à chaleur.

 

  • • Les différents types de pompes à chaleur électriques.

    • Historique.

    • Les pompes à chaleur à retenir.

    • Les pompes à chaleur déconseillées.

    • Le dispositif de captage.

    • Les avantages des pompes à chaleur.

    • Les inconvénients des pompes à chaleur.

    • Synthèse sur les pompes à chaleur.

    • Les pompes à chaleur à gaz.

    • Conclusion.

    Pompes à chaleur

    Les groupes électriques, éléments extérieurs de la pompe à chaleur. Photo ACQUALYS®

    Ci-dessous, l'extraction des calories dans la terre superficielle (rayonnement solaire et infiltrations d'eaux pluviales), dans l'air, et dans l'eau (nappe phréatique, etc.) permet d'obtenir un coefficient de performance (COP) lorsqu'il y a une production de chaleur et un coefficient d'énergie frigorifique (EER) traduit l’efficacité d’un système thermodynamique quand il produit du froid.

    La géothermie à « très basse énergie » (moins de 30 °C) permet de récupérer de la chaleur à une profondeur très faible. À 60 cm, la température n’est pas suffisante pour assurer le chauffage aussi il faut donc faire appel à une pompe à chaleur.

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      Les différents types de pompes à chaleur électriques.

    Récupérer l'énergie gratuite et inépuisable et s’en servir pour le chauffage, c’est possible grâce aux pompes à chaleur qui sont des équipements qui permettent d’économiser les énergies fossiles tout en limitant théoriquement nos rejets de gaz à effet de serre. Il en existe plusieurs types, qui puisent la chaleur soit dans l’air (pompes aérothermiques), soit dans le sol ou l’eau des nappes phréatiques (pompes géothermiques). Il existe plusieurs types de pompes à chaleur : AIR/AIR, AIR/EAU et EAU/EAU. (aérothermiques et géothermiques).

    Différents types de pompes à chaleur

     

     Les différents types de pompes à chaleur. Schéma Picbleu®

     1 Portail habitat Picbleu  Les pompes à chaleur AIR / AIR.

    1 : Récupèrent les calories dans l’air et les redistribuent par de l’air, appelé aussi climatisation réversible, Split ou système gainable.

     2 Portail habitat Picbleu  Les pompes à chaleur AIR / EAU.

    1 : Récupèrent les calories dans l’air et les redistribuent par un circuit d’eau (plancher chauffant, aérotherme, radiateur basse température ou Ventilo-convecteur). (Sens AIR / EAU). 2 : Récupèrent les calories dans l’eau (puits, forage, eau de ville, bassin ou plan d’eau) et les redistribuent par un circuit d’air. (Sens EAU / AIR)

     3 Portail habitat Picbleu  Les pompes à chaleur EAU / EAU.

    2 : Récupèrent les calories dans l’eau et les redistribuent par un circuit d’eau (plancher chauffant, appareil soufflant, aérotherme, radiateur basse température ou Ventilo-convecteur). 3 : Source de récupération des calories (puits ou forage).      

    4 Portail habitat Picbleu Les pompes à chaleur géothermiques

    4 : (thermodynamique appelée improprement géothermie) : récupèrent des calories dans la terre (Source de récupération issue des infiltrations d'eau pluviale et du réchauffement solaire dans la terre) et les redistribuent par un circuit d’eau (plancher chauffant, aérotherme, radiateur basse température ou Ventilo-convecteur). Le lieu dans lequel sont transmises les calories est constitué par un circuit d’eau.  5 : Plancher chauffant à trés basse température couvrant la zone habitable. GLYCOLEE : La source de chaleur est l’eau additionnée de glycol.

    Banner gauche Portail habitat Picbleu Types de bâtiments pour l'implantation de pompes à chaleur

    Différents types de pompes à chaleur peuvent être installés sur les logements anciens ou à construire :

     Sur bâtiments neufs

     Sur bâtiments existants : en rénovation complète (plancher).

      Les différents types de pompes à chaleur AIR/AIR, AIR/EAU et EAU/EAU.
    Type
    Source froide - Captage dans le milieu naturel
    Source chaude - Restitution dans le bâtiment
    air/air
    air
     air
    air/eau
    air
     eau
    eau/eau
     eau (nappe phréatique, rivière, étang)
     eau
    Eau glycolée/eau
    sol (capteurs horizontaux ou sondes verticales)
     eau
    sol/eau
    sol (Evaporation directe - capteurs horizontaux) 
     eau
    sol/sol
     sol (Evaporation directe - capteurs horizontaux)
     sol
    (Condensation directe - plancher chauffant)
     

    Pompe à chaleur équipant un bâtiment public

    Pompe à chaleur air/air protégée par un cadre métallique donnant un aspect peu esthétique à la façade. Photo Picbleu®
      Historique : l'évolution du principe de l'absorption/évaporation 
    Le premier élément du principe absorbant, l'évaporation, a été découvert par les Égyptiens. Les conteneurs de poteries de vin et d'autres liquides étaient exposés la nuit afin que des brises fraîches accélèrent l'évaporation en refroidissant le contenu. 
    L'évolution scientifique de rafraîchissement par absorption a démarré en 1774 avec le scientifique anglais Joseph Priestly qui a effectué des recherches sur l'isolement de l'ammoniac, de l'oxygène et des gaz de dioxyde de carbone. Un autre scientifique, Michel Faraday, a utilisé un tube fermé avec une partie chauffée pour augmenter la pression tandis que l'autre partie était rafraîchie. Il a observé que le chlorure d'argent a une propension particulière à absorber l'ammoniac. 
    Pendant les 70 ans suivants d'autres scientifiques, des ingénieurs et des individus créateurs ont fait évoluer le principe d'absorption.
    En 1846, Ferdinand Carré a inventé le cycle fermé et a construit une machine pratique utilisant l'ammoniac à deux pressions. En 1850, il crée un réfrigérateur à eau et acide sulfurique. En 1866, Ferdinand et son frère Edmond ont commercialisé des machines qui ont été principalement utilisées pour faire la glace pendant la Guerre civile.
    Banner gauche Portail habitat Picbleu L'absorption de gaz
    Le 18 août 1922, en Suède, Carl G. Munters et Baltzar von platen  ont fait breveter un réfrigérateur à absorption de gaz, qui se refroidit par l'utilisation d'une source de chaleur, aujourd’hui, ce système très fiable et efficace est utilisé dans les maisons qui ne sont pas reliées au réseau électrique et dans des camping-cars.
    Un autre scientifique prestigieux, Albert Einstein, a travaillé sur un réfrigérateur absorbant. Le réfrigérateur d'Einstein est un type unique de réfrigérateur co-inventé en 1926 par Albert Einstein et un ancien étudiant Leó Szilárd, en 1927, il a reçu un brevet.
    Servel a déposé plus de 250 brevets sur la réfrigération absorbante, ses efforts ont abouti à la production de plus de quatre millions de réfrigérateurs absorbants et à la conception et à la commercialisation d'unités de climatisation absorbantes.

    En 1933, le système de Munters/ Baltzar von platen  a été amélioré,  le cycle fermé a été remplacé par un refroidissement aérien. Le condensateur était directement refroidi par air tandis que l'absorbant était rafraîchi par un circuit secondaire contenant du Chlorure de méthyle, de la chaleur était rejetée à l'air. Avant 1940, l'absorbant aussi bien que le condensateur sur le cycle d'absorption de réfrigérateur était directement refroidi par air, à partir de 1939, Servel a présenté  un procédé à refroidissement par eau, à deux pressions. Depuis, les améliorations dans la réfrigération absorbante n'ont pas cessé de s'améliorer.

    Banner gauche Portail habitat Picbleu Les pompes à chaleur à gaz

    Aujourd'hui, ce système a subi des modifications de conception en utilisant de nouvelles technologies. Cette conception de cycle augmentée exigeant moins d'énergie thermique — 30 % pour accomplir le même effet de rafraîchissement. L'absorption rafraîchissante est devenue une technologie alternative efficace et saine pour rafraîchir les locaux résidentiels, facile à mettre en œuvre  mais peu connue et peu diffusée hors processus industriel. Le cycle refroidi par air, d'eau d'ammoniac offre beaucoup d'avantages pour l'industrie avec un impact faible sur l'environnement. L’efficacité énergétique est d’environ 40 % plus élevée que les meilleures chaudières disponibles sur le marché. 

    Pompes à chaleur absorption hybrides à gaz naturel et propane GPL

      Les pompes à chaleur à retenir : sur sol ou eau.

    Le sol en profondeur (captage vertical) est utilisé comme un capteur pour puiser l'énergie. Le système est constitué d’un circuit fermé parcouru par un fluide frigorigène. La puissance d'absorption est d'environ 50 watts (W) par mètre. Deux forages verticaux de moins de 100 mètres permettent de chauffer une habitation (une déclaration en préfecture est obligatoire).
    Sol en surface (captage horizontal). Le circuit fermé est enterré (à 1 mètre de profondeur) sur une superficie d'environ 1,5 fois la surface à chauffer. Le terrain doit faire une superficie suffisante et il est impératif de respecter une distance d'au moins 40 centimètres entre les boucles qui serpentent sinon le sol finira par geler n'ayant pas le temps de se réchauffer d'une année sur l'autre.
    Dans une nappe alluviale (à faible profondeur), l'eau est prélevée puis rejetée dans la rivière après passage par la pompe à chaleur. Une nappe phréatique, au renouvellement beaucoup plus lent, exige d'y réinjecter l'eau par un second puits ce qui constitue une source de contamination qui n’est pas acceptable.

      Les pompes à chaleur déconseillées : les modèles air/air

    Autre système électrique, les pompes à chaleur sur air n'ont pas besoin de circuit de captage, ce qui constitue leur attrait principal. Mais, comme l'air contient peu de calories, il faut en aspirer de grands volumes, causant du bruit (l’une des sources de litiges concernant le voisinage) et le rendement n'est pas intéressant pour les modèles dont le COP est inférieur à 3.3.

    OK Portail habitat Picbleu Avantages des pompes à chaleur sur air.

    - Économie d’énergie et climatisation dans certains cas : usage possible dans des régions à climats très doux : Sud est de la France.(en faisant abstraction de la pollution engendrée par l’usage de la climatisation en été période pendant laquelle les cours d’eau sont au plus bas et des fluides frigorigènes influant sur la couche d’ozone. Exemple : Pour un compresseur de 1000W consommé, la puissance restituée est de 3500W en moyenne d’où un gain de 2500W.

    OK non Portail habitat Picbleu Inconvénients des pompes à chaleur sur air.
     Le COP se dégrade à l’approche de + 5 ° et à 0 °, le givre s’installe sur l’appareil nécessitant un dégivrage par une résistance électrique (comme dans un réfrigérateur) système consommateur d’énergie.
     Le bruit continuel est une source de discorde avec le voisinage.
     Les performances de ces appareils demandent une résistance électrique d’appoint.

     Beaucoup de modèles ont un COP théorique inférieur ou égal à 3.3 % insuffisant pour assurer un rendement correct.

    Aide Portail habitat Picbleu  Le dispositif de captage des pompes à chaleur :

    Il existe deux types de capteurs pour récupérer l’énergie : 

    - les capteurs horizontaux sont des tubes de polyéthylène ou de cuivre gainés de polyéthylène. Ils sont enterrés et leur parcours forme des boucles. Ils doivent être espacés d’environ 60 cm. 

    - les capteurs verticaux ou sondes géothermiques sont des tubes de polyéthylène formant un U installés dans un forage, généralement jusqu’à 80 m de profondeur et scellés dans celui-ci par du béton.

     Les capteurs horizontaux des pompes à chaleur géothermiques

    OK Portail habitat Picbleu Avantages.
    - Pour 1 kWh d’électricité consommé, la pompe à chaleur restitue de 3 à 4 kW/h en fonction des modèles et de l’écart de température.
    - Le coût des capteurs et installation est moins onéreux que pour les capteurs verticaux. (85 à 135 € HT/m2 chauffés)
    - La mise œuvre est simple.
    - Il n’y a pas de rejet et donc pas besoin d’un conduit d’évacuation.
    OK non Portail habitat Picbleu Inconvénients.

    - Le prix de l’installation est relativement onéreux 85 à 135 € par m2 chauffé et est fonction des caractéristiques et des performances des appareils. Un réseau de tubes est enterré à environ 60 centimètres du sol de votre jardin sur une surface une à deux fois plus importante que la surface habitable de votre maison. Il faut avoir un terrain de taille suffisante. Il n’est pas possible de planter des arbres à proximité de ce réseau. Attention, l’avantage de la réversibilité peut devenir coûteux et anti écologique si elle est utilisée abondamment pendant l’été et les périodes de mi-saison.

    - Les capteurs demandent de la place : pour 120 m2 chauffés, il faut 200 à 300 m2 de capteurs
    - La pose du réseau de tubes enterrés nécessite des travaux de génie civil (terrassement, déplacement de volumes de terre, etc.)
    - Coût du génie civil :           - 1500 € pour une maison neuve. 
                                            - 4500 € pour une maison en rénovation.
    - Ce type de capteurs ne convient pas à tous les types de terrains (nécessité de combler avec de la terre rapportée).

    - Obligation parfois au bout de quelques années de fonctionnement de décaper le terrain surplombant et entourant les capteurs enterrés pour remplacer la terre qui subit un phénomène de calcification.

    Banner gauche Portail habitat Picbleu Les capteurs verticaux des pompes à chaleur géothermiques
    OK Portail habitat Picbleu Avantages des capteurs verticaux.

    - Il n'est pas utile de posséder une grande surface de terrain car un forage d’une profondeur de 70 à 100 mètres est réalisé dans le jardin afin d’y insérer des tubes.

    - Le COP est plus élevé.  COP Coefficient de performance énergétique d'une pompe à chaleur électrique

    OK non Portail habitat Picbleu Inconvénients des capteurs verticaux.

    - La recherche d'une nappe phréatique peut nécessiter plusieurs forages.

    - Le coût est élevé : de 70 à 120 € HT/m de forage, en fonction de la nature du sol (7000 à 12000 euros pour 100 mètres carrés, à multiplier si le forage n'a pas un débit suffisant).

    - Obligation d’une étude sérieuse de l’eau de forage pouvant générer au bout de quelques années des dysfonctionnements ou une dégradation des échangeurs (eau calcaire, ferrugineuse ou chargée, etc.)

    Aide Portail habitat Picbleu Les avantages et les inconvénients des pompes à chaleur :

    OK Portail habitat Picbleu  Avantage de chaque système de pompe à chaleur.

     AIR / AIR (Split ou multiSplit)
    - Mise en œuvre facile, maintenance et accès simplifié, une régulation par unité, modulable, pas de gros travaux, économie d’énergie importante.
     AIR / EAU
    - Mise en œuvre facile, adaptabilité sur plancher existant, performance intéressante, économie d’énergie importante.
     AIR / EAU et EAU / EAU

    - Performance et rendement très intéressant, pas de bruit à l’extérieur.

    OK non Portail habitat Picbleu  Inconvénients de chaque système de pompe à chaleur.
     AIR / AIR (Split ou multiSplit)

    - Performances très variables selon les modèles, bruit de soufflerie, esthétique selon les modèles.

    - Pollution par germes pathogènes de l’unité extérieure et système de distribution intérieur demandant une grande vigilance et un entretien annuel obligatoire par professionnel spécialiste.

     AIR / EAU

    - Performance inférieure au modèle eau/eau ou terre/eau selon modèle, une seule régulation.

    - Esthétique des échangeurs extérieurs. Pollution par germes pathogènes de l’unité extérieure et système de distribution intérieur demandant une grande vigilance et un entretien annuel obligatoire par professionnel spécialiste.

     AIR / EAU et EAU / EAU

    - Mise en œuvre compliquée.

    - Consommation d’eau très élevée.

    - Maintenance complexe et d’un coût élevé.

    - Impossibilité d’installation selon qualité de l’eau, car risque d’encrassement ou de dégradation rapide des échangeurs.

    - Esthétique des échangeurs extérieurs.

    - Pollution par germes pathogènes de l’unité extérieure (pour les passants) et système de distribution intérieur demandant une grande vigilance et un entretien annuel obligatoire par professionnel spécialiste.

    - Obligation d’une demande pour la pose d’une unité visible sur la voie publique.

      Synthèse sur les pompes à chaleur.

    Les coûts d'investissement et de fonctionnement, sur le tableau de synthèse ci-dessous sont rapportés au mètre carré chauffé. Ils sont tirés de la documentation de l'ADEME. Le prix des machines seules est une péréquation extraite d'une moyenne des tarifs sur les catalogues de fabricants de pompes à chaleur.

    Les pompes à chaleur (PAC) ont un impact sur le réseau de distribution électrique

    Plus le différentiel entre la température de la source de chaleur et la température souhaitée à l'intérieur des logements augmente, plus la pompes à chaleur (PAC) aura besoin d’électricité (en particulier pour les PAC aérothermiques ayant recours à un appoint effet Joule). La capacité du réseau électrique dans certaines régions est à prendre en considération afin de privilégier d’autres modes de chauffage pour ne pas peser davantage sur le réseau.

    Pompes à chaleur électriques : les prix et les coûts

      Les pompes à chaleur à gaz.

    Une nouvelle génération de pompes à chaleur apparaît sur le marché offrant des avantages tant en termes environnementaux qu'en termes de ressources disponibles : les pompes à chaleur à gaz. Il existe 3 types de pompes à chaleur à gaz, le système à moteur à gaz, le système par absortion, les pompes à chaleur à absorption-diffusion à gaz. Un cycle absorbant est un processus par lequel un effet rafraîchissant est produit à l'aide de deux liquides et une certaine quantité de chaleur. Cet effet de rafraîchissement est accompli avec le déplacement de chaleur par l'évaporation d'un liquide (le réfrigérant) à basse pression et le rejet de chaleur par la condensation d'un réfrigérant liquide (fluide) à une pression plus haute. Ce type de pompe à chaleur n'est appelé à se développer qu'à moyen terme et permettra d'améliorer les installations existantes.

    Pompes à chaleur hybrides chaudières gaz et électricité hybrides

     

      Conclusion sur les pompes à chaleur.

    Les pompes à chaleur dans leur version pompes à eau ou à sol qui sont mises en avant par les énergéticiens et fabricants comme systèmes « écologiques » sont intéressantes sur le bilan strict de la consommation chez l’usager à l'heure actuelle mais il faut cependant nuancer les avantages des pompes à chaleur en étudiant le bilan global qui démontre qu’elles ne sont malheureusement pas exemptes de défauts :

     Le prix de l'investissement est coûteux et même si des crédits d'impôts abaissent le prix final, l'amortissement est long et risque d'avoir la même durée que le matériel : il ne faut pas oublier qu'une pompe à chaleur n'est un gros « frigo inversé » dont l'unité extérieure est soumise aux aléas climatiques et avec une durée de vie limitée.

    Crédit d'impôt et aides des travaux d'économie énergie

     Les fluides frigorigènes ont un impact sur l'effet de serre. Les pompes à chaleur réversibles incitent les usagers à  consommer de l’électricité pour la climatisation au moment des fortes chaleurs en été, mais aussi en mai, juin, septembre et octobre, mois représentant 43 % de la consommation annuelle, augmentant par le fait la facture énergétique et environnementale. Elles participent à l’effet de serre, car elles emploient des fluides frigorigènes à pouvoir réfléchissant, les produits suivants : le fréon (fréon 22 CHF2 C1, R11, R502) l’ammoniaque, le dioxyde de soufre ou le dioxyde de carbone ont été abandonnés et remplacé par des arcanes* qui ne sont également pas sans impact sur l'environnement car étant de puissants gaz à effet de serre.

    Les polluants atmosphériques extérieurs et intérieurs

     Le prix de l'électricité est amené à augmenter de façon substantielle. Les pompes à chaleur fonctionnent par compression et sont grosses consommatrices d’électricité. L'Angleterre et l'Irlande ont eu des augmentations du prix de leur électricité respectivement de 54 % et 45 % aprés la libéralisation des tarifs de l'énergie.

    Pourquoi les tarifs et le prix de l'électricité vont augmenter

     Selon le magazine consumériste Que Choisir, leur mise en œuvre demande des compétences que peu d’entreprises possèdent. En effet, de nombreux dysfonctionnements dus à des entreprises non qualifiées sont générateurs de dérives et de conflits et occupent de plus en plus les associations de consommateurs et cabinets d’avocats (étude d’eau non réalisée, fonctionnement anormal, températures de chauffe insuffisantes, panne, coût, etc.)

    Pourquoi faut-il limiter le chauffage électrique ?

     L’électricité serait en France Nucléaire à 76.9 % (source RTE) à 85.7 % (source EDF) et ne produirait pas de CO2, de ce point de vue là cette énergie pourrait être considérée comme une énergie propre, si les centrales nucléaires ne produisaient pas des déchets radioactifs gazeux, liquides, solides et ne consommaient pas des millions de litres d’eau  réchauffés de 10° puis rejetés à + 7 ° dans les cours d’eau, tout en évaporant une autre partie dans l’atmosphère. 

    Atôme : risques nucléaires radioactivité déchets protection

    D’après Gaz de France, le cycle de l’uranium par exemple montre que si l’on additionne le bilan carbone concernant l’extraction du minerai, le transport, la fabrication du combustible la valeur du Kwh consommé est égal à 603 en analyse de cycle de vie.

    Analyse de cycle de vie : ACV

    Nous aurions effectivement un moyen de chauffage peu polluant si l’électricité utilisée était d’origine énergies renouvelables comme par exemple l'énergie  hydraulique ressource renouvelable sans impact sur la planète. En France, la part fournie par les centrales hydroélectriques n’est que de 11.1 % soit 61.6 TWh. (Source observatoire de l’énergie 2006) c’est pourtant dans la voie des vraies énergies renouvelables (biomasse, hydraulique, photovoltaïque, éolienne) qu’il faudrait porter nos efforts afin de ne pas faire peser sur les générations futures le poids des erreurs passées et également dans l'information et dans la pédagogie pour inciter les habitants de la planète à devenir éco raisonnables dans tous leurs actes d'achat et de consommation. Des éléments à peser et à étudier sérieusement avant de se lancer dans des types de projet qui engagent des dépenses sur de longues années à la fois pour l’usager et pour le contribuable.

     *Arcane : nom masculin, sens : mystère, secret.

      Autres articles sur les pompes à chaleur :

    Pompe à chaleur air eau sol aérothermie chauffage géothermie

    Pompes à chaleur électriques aérothermiques et géothermiques

    Pompes à chaleur électriques principe de fonctionnement

    Pompes à chaleur électriques : les prix et les coûts

    Pompes à chaleur : air-air, air-eau et eau-eau (aérothermie et géothermie)

    Les avantages et inconvénients des pompes à chaleur électriques

    Pompes à chaleur à gaz naturel et gaz propane en citerne GPL

    Qualipac label qualité installation de pompe à chaleur

    Pompes à chaleur hybrides chaudières gaz et électricité hybrides

    COP Coefficient de performance énergétique d'une pompe à chaleur électrique

     
     Par respect pour l'environnement, merci de n'imprimer cette page qu'en cas de nécessité. Pourquoi ?
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