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Un refrigérateur à l'envers

Dans un réfrigérateur, de la chaleur est puisée à l’intérieur de celui-ci, ce qui en abaisse la température, puis est rejetée à l’extérieur, dans l’air de la cuisine.

Les pompes à chaleur fonctionnent selon le même principe, mais c’est l’environnement extérieur (sol, air ou eau) qui fournit la chaleur et l’intérieur du logement qui la récupère

Le principe de base

La pompe à chaleur ou PAC est constituée d’un circuit fermé et étanche dans lequel circule un fluide frigorigène à l’état liquide ou gazeux selon les organes qu’il traverse. Ces organes sont au nombre de quatre : l’évaporateur, le compresseur, le condenseur, et le détendeur.

Pour simplifier, on peut dire que la pompe à chaleur prélève un peu de chaleur du sol du jardin, de l’air environnant ou de l’eau d’une nappe, augmente son niveau de température et restitue une chaleur à une température plus élevée dans le logement.

Son fonctionnement est d’autant plus efficace que la différence entre la température du milieu où est puisée la chaleur et celle des émetteurs de chaleur du logement est réduite.

Les fluides frigorigènes sont pour la plupart nocifs pour l’environnement. Ceux qui détruisent la couche d’ozone sont maintenant interdits ou en cours d’élimination. C’est le cas du R22, qui a longtemps été le fluide frigorigène le plus employé. Ils sont remplacés par des fluides comme les HFC (R407C, R410A, R417A), inoffensifs vis à vis de la couche d’ozone. Mais ces fluides restent de puissants gaz à effet de serre.

Schéma de principe de la pompe à chaleur

1 : la chaleur prélevée à l’extérieur est transférée au fluide frigorigène qui se vaporise.
2 : le compresseur électrique aspire le fluide frigorigène vaporisé. 
3 : la compression élève la température du fluide frigorigène.
4 : le fluide frigorigène cède sa chaleur à l’eau du circuit de chauffage ou directement à l’air du lieu à chauffer.
5 : le fluide frigorigène se condense et revient à l’état liquide.
6 : le détendeur abaisse la pression du liquide frigorigène qui amorce ainsi sa vaporisation

Ses applications

À partir du principe de base de la pompe à chaleur, différents systèmes existent, avec des performances et des possibilités d’application différentes. On peut regrouper les PAC destinées au chauffage des particuliers en deux grandes familles :

• les PAC géothermiques qui puisent la chaleur dans le sol ou l’eau d’une nappe par l’intermédiaire d’un réseau de capteurs ou de forages;

• les PAC aérothermiques qui la puisent directement dans l’air ambiant, extérieur ou intérieur au logement.

On parle selon les cas de modèles air/air, air/eau, sol/sol, sol/eau, eau/eau ou eau glycolée/eau. Le premier terme désigne l’origine du prélèvement, le second le mode de distribution de la chaleur. Seule exception : la PAC eau glycolée / eau qui puise la chaleur dans le sol (avec des capteurs enterrés contenant de l‘eau glycolée).

Et les procédés de mis en oeuvre

Les constructeurs ont mis au point plusieurs procédés. La principale différence tient à la nature des fluides circulant dans les capteurs et les émetteurs de chauffage, et donc à la technologie des PAC utilisées :

• dans les PACà détente directe, un seul circuit : le fluide frigorigène circule en circuit fermé dans la pompe, les capteurs et les émetteurs de chaleur. Ce type de pompes à chaleur contient beaucoup de fluide frigorigène;

• dans les PAC mixtes, deux circuits : celui du fluide frigorigène des capteurs et de la pompe à chaleur et celui de l’eau chaude des émetteurs;

• dans les PACà fluides intermédiaires, trois circuits : le circuit frigorifique de la pompe à chaleur, le circuit des capteurs où circule de l’eau additionnée d’antigel, le circuit qui alimente en eau chaude les émetteurs;

Les PAC géothermiques peuvent être à détente directe, à fluides intermédiaires ou mixtes.

Les PAC aérothermiques sont toujours à détente directe ou mixtes.

Les emetteurs de chaleur

Selon le type de pompe à chaleur, différentes sortes d’émetteurs équipent l’installation.

Un plancher chauffant basse température

Il est formé de tubes noyés dans une dalle de béton. Sa surface diffuse une chaleur douce et régulière (jamais supérieure à 28° C), qui apporte une grande sensation de confort. Dans les tubes circule l’eau du circuit de chauffage (PACà fluides intermédiaires ou mixtes) ou du fluide frigorigène (PAC à détente directe). Le dimensionnement des tubes et leur pose sont différents selon le fluide qui y circulera.

Des radiateurs basse température

Ils fonctionnent avec une eau entre 45 et 50° C, ce qui est le cas dans un circuit de chauffage alimenté par une PAC mixte ou à fluides intermédiaires. Ils procurent une chaleur douce très agréable. Cette solution convient si on ne peut (ou ne veut) pas installer de plancher chauffant qui peut être difficile ou coûteux à mettre en oeuvre en rénovation.

Les radiateurs d’une précédente installation de chauffage central peuvent convenir, à condition de vérifier leur dimensionnement.

Les émetteurs basse température Ces émetteurs (planchers chauffants, radiateurs basse température) engendrent des économies et valorisent les équipements performants que sont les pompes à chaleur.

Des ventilo-convecteurs à eau

Ce sont des émetteurs de chaleur par air, raccordés au circuit d’eau de chauffage d’une PAC mixte ou à fluides intermédiaires. Ils filtrent et diffusent ’air des pièces grâce à un ventilateur.

Des ventilo-convecteurs à détente directe

Ce système peut comporter une unité par pièce ou une unité centrale (installée dans un faux plafond, des combles ou un placard et reliée à un réseau de gaines de distribution d’air chaud). Chaque unité pulse dans le logement l’air réchauffé par passage sur une batterie d’échange où circule le fluide frigorigène de la PAC à détente directe.

Le chauffage, mais aussi

Les pompes à chaleur sont avant tout des systèmes de chauffage. Elles peuvent également remplir d’autres fonctions.

Pour l’eau chaude sanitaire, un appoint ou une

installation indépendante sont nécessaires On peut obtenir de l’eau chaude sanitaire de deux façons avec une pompe à chaleur :

• avec la PAC qui assure le chauffage de la maison. L’eau du ballon est chauffée en récupérant une partie de la chaleur du fluide frigorigène. Quand la PAC ne fonctionne pas, une résistance électrique chauffe l’eau sanitaire ;

• avec un chauffe-eau thermodynamique. C’est un système indépendant muni d’une pompe à chaleur autonome. Il peut donc fonctionner toute l’année.

Le rafraîchissement d’un bâtiment en été

En inversant le cycle du fluide frigorigène, la pompe à chaleur puise des calories dans le logement et les rejette à l’extérieur.

Les PAC munies de ce dispositif sont dites « réversibles ». Elles assurent une baisse modérée de la température, de l’ordre de 3 à 4° C de moins qu’à l’extérieur. Il s’agit donc d’une fonction de rafraîchissement et non de climatisation.

Par ailleurs, certains climatiseurs individuels réversibles assurent une fonction « chauffage ». Ils ne sont en général pas adaptés aux besoins de chauffage d’hiver car ils ne sont pas dimensionnés pour cela.

Rafraîchissement et condensation Si votre pompe à chaleur alimente un plancher chauffant / rafraîchissant, la température de celui-ci ne doit pas descendre trop bas par rapport à celle de l’air ambiant. Sinon, il y aura condensation de l’humidité de l’air sur le plancher. Pour éviter cela, une régulation appropriée assure ce contrôle.

L’installation d’un système réversible incite à la consommation d’électricité tout au long de l’année pour les besoins d’un certain confort thermique alors qu’une pompe à chaleur uniquement dédiée au chauffage n’en utilise que l’hiver…

Performances et Certifications

Des coefficients à connaître : COP et EER Les performances des pompes à chaleur s’expriment par des coefficients qui rendent compte de leur efficacité en fonction de l’énergie qu’elles consomment.

Pour 1 kWh d’électricité consommé, les PAC restituent pour la plupart 2 à 4 kWh de chaleur. Par exemple, si une PAC consomme 1 kWh d’électricité et restitue 3 kWh de chaleur, on dit que son COP est de 3.

Le rapport entre la quantité de chaleur produite et l’énergie électrique consommée (par le compresseur) est le coefficient de performance (COP) de la pompe à chaleur. Il traduit la performance énergétique d’une pompe à chaleur en mode chauffage

Le COP est mesuré par le fabricant ; il est valable pour une température d’essai donnée. Dans la pratique, quand le milieu est plus froid que cette température d’essai, l’efficacité énergétique de la pompe à chaleur diminue et devient inférieure au COP annoncé. À l’inverse, elle est supérieure à ce COP quand le milieu est plus chaud que la température d’essai.

L’ADEME conseille donc l’installation d’une pompe à chaleur présentant le COP le plus élevé possible et en tout cas supérieur à 3,3.

L’appellation EER (coefficient d’efficacité frigorifique) traduit l’efficacité d’un système thermodynamique quand il produit du froid.

Des consommations annexes

Le compresseur de la pompe à chaleur est le principal consommateur d’électricité, mais il n’est pas le seul. Les PAC sont le plus souvent équipées d’auxiliaires qui fonctionnent à l’électricité (circulateurs, organe de dégivrage, ventilateurs, etc.). Enfin, les ventilo-convecteurs sont eux aussi équipés de ventilateurs. Il faut tenir compte de ces consommations annexes pour estimer la performance réelle du système de chauffage.

Des certifications pour un matériel de qualité

Le marquage Eurovent garantit que les puissances, le COP et l’EER des PAC réversibles sont conformes aux valeurs annoncées par les constructeurs.

La marque NF PAC certifie, le COP, la puissance thermique et le niveau de puissance acoustique des pompes à chaleur aérothermiques et géothermiques de moins de 50 kW.

Le label Promotelec est attribué aux matériels qui satisfont à un cahier des charges (fixant entre autres les performances des appareils).

Dans les deux cas, les essais sont réalisés par des laboratoires indépendants.

Il y a de la chaleur… dans le sol, l’eau et l’air

Notre environnement : le sol sous nos pieds, l’eau des nappes, l’air qui nous entoure, stockent chaque jour l’énergie que nous dispense le soleil.

Récupérer cette énergie gratuite et inépuisable et s’en servir pour le chauffage, c’est possible grâce aux pompes à chaleur.

Ce sont des équipements qui permettent d’économiser les énergies fossiles tout en limitant 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).

L’ADEME encourage le choix des pompes à chaleur les plus performantes, quelle que soit la technologie, en insistant en particulier sur la qualité de mise en oeuvre du système complet (capteur, pompe à chaleur, émetteur de chaleur).