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POMPES À CHALEUR Une technologie adaptée aux préoccupations environnementales

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POMPES À CHALEUR Une technologie adaptée aux préoccupations environnementales

Le volume tampon est souvent plus important en capacité que le ballon de stockage d’eau chaude sanitaire. Les deux sont livrés en général avec leurs jaquettes calorifugées.

© (Doc. AWP.)

Favorisées par des aides fiscales, les pompes à chaleur connaissent un très fort développement, principalement dû à l’amélioration technique des produits.

Capables désormais de fonctionner comme de véritables équipements de production de chauffage autonomes, les pompes à chaleur conviennent à tout type de bâtiment. De la maison à rénover, à la maison neuve basse consommation d’énergie (dans laquelle elle est incontournable), leur domaine d’application s’étend aux immeubles collectifs, aux bureaux, hôtels, écoles… et aux bâtiments industriels. Que ce soit en chauffage seul, en production de chauffage et d’eau chaude sanitaire ou comme équipement réversible permettant en plus le rafraîchissement des locaux.

En construction neuve, elles alimentent aussi bien des planchers chauffants (températures de fonctionnement départ et retour 40/35 °C), des ventilo-convecteurs et aérothermes (60/40 °C), des batteries chaudes ou, pour les pompes à chaleur réversibles, de planchers chauffants rafraîchissants (18/22 °C) ou de ventilo-convecteurs avec batteries froides (8 décembre° C). Il est possible de faire fonctionner plusieurs circuits avec des émetteurs différents (avec des lois de températures départ/retour différentes) à partir de la même pompe à chaleur. Il est dans ce cas nécessaire d’installer un ballon-réservoir de stockage tampon. Plus sa contenance est importante, plus souple sera le fonctionnement de l’installation.

Si les besoins des installations calculées pour fonctionner avec des chauffages basse température sont entièrement couverts par une pompe à chaleur, en cas de rénovation simple d’une chaufferie collective, il faut définir si la pompe a chaleur vient en complément d’un système existant ou si elle est prévue pour fonctionner seule. En effet, les systèmes installés sont souvent calculés pour fonctionner à des températures d’eau élevées (classiquement 90/70 °C, puis 70/55 °C dans les années 80) et la taille des émetteurs (généralement, des radiateurs) est dimensionnée en conséquence.

Des pac à haute température

A contrario, dans le domaine d’emploi des pac, la température obtenue de nos jours est de 35/50 °C, au maximum de 55/65 °C. Ce qui nécessite alors de remplacer les radiateurs.

Il est également possible de conserver l’ancienne installation en chaufferie (sans remplacer les radiateurs), de faire fonctionner en priorité la pompe à chaleur tout en conservant la chaudière initiale en apport pour les jours de très grand froid. Un appoint électrique est aussi possible si on ne conserve pas les chaudières. La performance globale de la pompe à chaleur n’en est que peu amoindrie. Inversement, la pac peut aussi venir en appoint de la chaudière, on parle alors de « relève de chaudière ». Il est aussi possible en installation collective, de monter deux pompes en chaleur en cascade, la première fonctionnant alors par exemple au R404A et la seconde au R134A, afin de profiter des caractéristiques distinctes de transformation physique de ces deux fluides frigorigènes.

Ou se servir de la technique des pompes à chaleur EVI, c’est-à-dire à injection de vapeur, qui permettent d’atteindre maintenant 65 °C. Les pac équipées de ce genre de « turbo » sur leurs compresseurs Scroll sont dénommées « haute température » par les fabricants. Dans ces deux cas, on peut alors remonter la température de l’eau de chauffage produite de 50 à 65 °C. Si la rénovation de la chaufferie ou du système de chauffage complet s’accompagne simultanément d’une rénovation thermique du bâti, ces pac n’ont aucune limite d’emploi en rénovation.

Une énergie gratuite qui devient exploitable

En apportant une énergie d’appoint, les pompes à chaleur démultiplient l’énergie contenue naturellement dans l’air, le sol ou l’eau, ou encore le soleil. Elles puisent dans le milieu naturel les trois quarts de l’énergie totale qu’elles restituent. Une pompe à chaleur permet, au moyen d’un compresseur électrique et d’un liquide frigorigène qui est successivement compressé et détendu, de passer de la récupération de ces calories à leur cession, sous une forme exploitable, à une température plus élevée. Il existe des systèmes à compressions thermique ou chimique fonctionnant au gaz ou à l’électricité. Actuellement, une pac employée dans la construction fonctionne principalement à l’électricité en compression thermique.

Pour pouvoir comparer les ­performances et quantifier la restitution, suivant les fabricants et les différents matériels, on parle de coefficient de performance (COP). Cette valeur approche par exemple pour les matériels actuels la valeur de 3  1/1 = 4. C’est le rapport entre la chaleur apportée et la chaleur restituée : 4 kW obtenus pour 1 kW fourni. On parle dans ce cas d’un COP de 4. Cette valeur indiquée par le fabricant est définie par la norme EN 14511-2 pour les pompes à chaleur à compression et elle est déterminée et certifiée en laboratoire (selon l’ancienne norme EN 255). Pour une pac de type air/eau, le point de référence principal donné par la EN 14511 pour le calcul est la puissance nécessaire pour obtenir 35 °C de température départ eau chaude, à partir d’une température extérieure de  7 °C. Pour les pompes eau glycolée/eau, il s’agira de la puissance nécessaire pour obtenir ces 35 °C pour une température d’entrée d’eau glycolée de 0 °C. Pour les pompes eau/eau, on part de 10 °C de la source extérieure, pour obtenir ces 35 °C. Ces valeurs sont les mêmes pour tous les fabricants.

Les COP actuels varient de 2,5 à 4,5, voire davantage. Les meilleurs COP pour les systèmes à eau sont toujours sur nappe phréatique à cet égard car la température de la source est presque constante et élevée toute l’année.

L’équivalent du COP pour la partie production froide des pac réversibles est appelé EER.

Il est aussi parfois question d’Eseer. Il s’agit de la performance énergétique moyenne à charge partielle obtenue à partir de 4 conditions de fonctionnement définies par Eurovent.

On parle également de coefficient de travail annuel ou de COP d’exploitation annuel, ou encore COP saisonnier. C’est une valeur de mesure annuelle obtenue par une installation complète équipée d’une pac. Cette valeur prend en compte non seulement l’énergie consommée par la pompe à chaleur, mais aussi celle de tous les matériels annexes (régulations, pompes…), nécessaires à son bon fonctionnement.

Différents types d’installations, selon le système

L’énergie naturelle est captée par des tuyauteries du sol, pompée sous sa forme naturelle (rivières, nappes phréatiques), ou directement dans l’air. C’est la partie extérieure du système. Cette énergie est restituée par un système d’échange et de compression-détente, la pompe à chaleur elle-même, au circuit que l’on veut réchauffer. Cet ensemble correspond à la partie intérieure du système.

La récupération de la chaleur naturelle du sol a une efficacité élevée. Ce dernier est effectivement un bon accumulateur de chaleur puisqu’il y règne une température relativement constante tout au long de l’année. Le captage, appelé circuit primaire, est enterré à l’horizontale, sous forme d’un réseau de tubes en matériau de synthèse disposé en nappes, ou enterré verticalement. Il s’agit alors d’une géosonde composée de plusieurs tubes en U. Dans une pac eau glycolée-eau, la nappe (ou la géosonde) capte et véhicule la chaleur à l’aide d’un mélange d’eau et d’antigel (eau glycolée) qui circule à l’intérieur des tuyaux vers l’intérieur des locaux. Cette chaleur est extraite par le premier échangeur de la pompe à chaleur, et restituée à son deuxième échangeur, au circuit eau du chauffage : le système secondaire. Il existe aussi un équivalent, appelé communément sol/eau en détente directe, ou simplement sol/eau. Dans ce cas, le réseau enterré verticalement ou horizontalement véhicule directement du fluide frigorigène au lieu de l’eau glycolée. Ce système sort du cadre de cette enquête.

Côté eau, il est également possible de récupérer directement l’énergie thermique dans l’eau courante (rivière ou nappe phréatique), par captage sous forme de tuyauteries. L’eau qui circule à l’intérieur du circuit primaire est cette fois l’eau puisée directement et non de l’eau glycolée en circuit ­fermé. Ce principe, qui s’appelle simplement eau-eau, nécessite alors un forage plus ou moins profond.

Il existe également des capteurs solaires alimentés en eau glycolée et reliés à une pac. En ­France, ces systèmes réchauffent essentiellement l’eau chaude sanitaire.

Quant à l’air extérieur comme source primaire (on parle alors de système air-eau), il représente une disponibilité remarquable pour les pompes à chaleur. De faible coût d’installation puisqu’il s’affranchit des tuyauteries de captage, il nécessite souvent un appoint électrique lorsque la température extérieure devient trop basse.

L’enfouissement : horizontal ou vertical 

C’est souvent la place disponible pour le réseau de nappes qui conditionne le choix du type de captage, horizontal ou vertical. Le coût de la pose de tubes enterrés horizontalement en rénovation, gourmands en espace, est en revanche bien réduit en cas de construction neuve et de fouilles, nécessaires quoi qu’il en soit. Il faut compter 1 à 1,5 fois en superficie l’équivalent de la surface à chauffer en système à eau glycolée. Plus le terrain contient d’eau (terres aquifères), meilleur est le rendement. On compte en général une puissance soutirée de 10 à 15 W/m en sol sablonneux sec, 20 à 30 W/m en sol argileux (du sec à l’humide), et jusqu’à 35 W/M. en sol aquifère. Les tubes en matériau de synthèse, de diamètre 25 ou 32 mm , sont enterrés horizontalement en plusieurs circuits, à une profondeur variant de 0,6 à 1,5 m, suivant la limite hors-gel de la région. Le pas des tubes (l’écart entre eux) est de 0,40 cm, et la longueur totale de chaque circuit ne doit pas dépasser 100 m afin de limiter la perte de charge hydraulique et la puissance électrique de la pompe de circulation. On améliore ainsi le rendement. Il faut toutefois éviter de planter des végétaux à racines profondes, aux endroits où passent les circuits.

Si la pose horizontale est trop coûteuse, voire impossible en milieu urbain bâti, la mise en place d’une géosonde verticale est à conseiller. Cependant, la détermination de l’emplacement et la profondeur du forage nécessaire sont des données cruciales. Le concepteur devra impérativement faire appel à un géologue ou à des sociétés spécialisées. Ces installations avec géosondes en U sont par ailleurs soumises à l’autorisation de l’Agence de l’eau ou du BRGM (1). Les techniques actuelles de mise en œuvre permettent un forage en quelques heures, à l’aide de matériels spécialisés. Le coût d’un forage varie suivant la nature du sol de 35 à 65 EHT/m, sachant qu’il faut environ 90 à 100 m de sonde en eau glycolée pour obtenir une puissance de 6 kW, correspondant à la puissance moyenne nécessaire au chauffage d’une maison à basse énergie de 100 m2. Dans cet exemple précis, il est nécessaire d’ajouter une production distincte électrique pour l’eau chaude sanitaire. Notons qu’il est possible d’arriver à une récupération de 70 W/m de sonde dans la roche, le gneiss plus précisément.

Dans une installation eau/eau, le captage impose un échangeur supplémentaire du fait de la nature très variable des eaux puisées. Fortement minéralisées en géothermie, ces eaux sont de ce fait colmatantes. D’où l’emploi d’un échangeur intermédiaire en protection de la pac. Fabriqué en inox de type spécial (Z5 CND 17.12) et muni de filtres, sa présence ­diminue le rendement de l’installation. Il devra donc être pris en compte dans les calculs de puissance.

Le coût d’un forage est différent puisqu’il nécessite deux puits, (aspiration et rejet) et une autorisation de l’Agence de l’eau ou du BRGM. Notons également que chez certains fabricants, un échangeur coaxial à enveloppe souple ou un échangeur tubulaire (souvent sur mesure) sont directement installés dans la pac comme échangeur primaire. Sa présence permet de se passer de l’échangeur supplémentaire en inox.

Des modèles qui fonctionnent avec l’air extérieur

Les pompes à chaleur avec médium primaire air, appelées air-eau, sont actuellement en plein essor. Avec l’air, c’est le volume d’air nécessaire, et donc la taille et l’implantation des gaines de transfert et des grilles d’aspiration, qui devra être considéré en installation collective, si la pompe à chaleur est située à l’intérieur des locaux. Elle est aussi parfois installée de manière monobloc directement en terrasse ou en pied des bâtiments. En habitat individuel, le captage de l’air et une partie de son traitement par la pompe à chaleur se fait avec un caisson situé à l’extérieur de la maison. L’impact du bruit éventuel est cependant à considérer, le débit nécessaire à brasser pour un besoin moyen en habitat individuel approchant par exemple les 3 000 à 4 000 m3/h. Plus économique, facilement implanté en milieu urbain, un système air-eau moderne fonctionne maintenant à des températures extérieures très basses pour couvrir de manière autonome des besoins en chauffage normaux, certains d’entre eux pouvant encore produire du chauffage à – 20 °C, avec cependant une baisse du COP. Des solutions d’appoint du chauffage sont très souvent nécessaires, dans les régions à climat moyen ou rigoureux, par exemple, en installant une épingle électrique sur un ballon tampon couplé à une sonde de température extérieure, dans le plus simple des cas. Les systèmes air/eau et air/air sortent du cadre de cette enquête et seront traités ultérieurement.

Utilisée principalement pour produire du chaud, une pac sert aussi à rafraîchir un bâtiment. On peut le faire de deux façons. À partir d’une machine réversible, il suffit d’inverser le cycle de fonctionnement, manuellement ou automatiquement. L’autre système consiste à faire fonctionner la pac en free cooling, le rafraîchissement se faisant alors en prélevant la fraîcheur relative du sol extérieur. Dans cette configuration, la compression est arrêtée. Il n’y a donc pas de valeur EER. Le dimensionnement des composants de l’installation, et en particulier de ceux situés dans la maison, doit être soigneusement étudié pour éviter les dysfonctionnements et les problèmes de condensation. Cette solution économique de rafraîchissement est impossible avec une installation air-eau. Notons que la chaleur prélevée dans l’habitat en fonctionnement « froid » ou « été » d’une pac peut servir à réchauffer un circuit d’eau chaude sanitaire au lieu d’être réévacuée dans le sol ou dans une nappe phréatique.

Un bruit perçu diminué par 4

Côté fonctionnement, le cœur de la pompe à chaleur est son compresseur. Celui-ci assure la montée en puissance d’un ­liquide de transfert (un fluide frigorigène) qui circule depuis un premier échangeur où il capte la chaleur extérieure sous sa forme air ou eau ou eau glycolée vers un deuxième échangeur, où il réchauffe le circuit secondaire à réchauffer, l’eau de chauffage en l’occurrence.

En cédant sa chaleur, le ­liquide frigorigène sous forme de vapeur chaude se détend et ­retourne sous forme liquide vers le premier échangeur. Ces compresseurs sont aujourd’hui de type Scroll, hermétiques. Ils assurent en comparaison des anciens compresseurs à piston un service plus durable et plus silencieux. Le bruit perçu est diminué par 4 – soit environ 6 d (B) – ce qui rend ce type de pac guère plus bruyant qu’un réfrigérateur. Autres nouveaux types de compresseurs, à qualité équivalente aux Scroll de forme hélicoïdale, les rotatifs Rotary, et, encore plus durables, les Twin rotatifs, respectivement cylindriques et bicylindriques.

De ce fait, sur les machines de type air/eau, la source sonore qui devient prédominante est celle du ou des moteurs des ventilateurs.

Le fluide de travail est un ­liquide frigorigène qui ne doit plus contenir de CFC ni de HFC. Ces fluides frigorigènes dénommés « verts » (R407C, R410A, R404A et le R134A) sont non toxiques, biodégradables, respectueux de la couche d’ozone, et ininflammables. Cependant, ils ne sont pas inoffensifs, ce qui pousse les bureaux d’études des constructeurs à travailler actuellement à leur remplacement par du CO2. Les matériels de petites puissances fonctionnant à des pressions basses seront équipés de R410A, ou de R407C. Ce dernier remplace aussi le R22 dans les machines anciennes. Le R404A remplaçant le R502 est plutôt dédié aux basses températures (froid commercial et industriel) et le R134A dans les groupes de climatisation de forte puissance (production d’eau glacée) ou les installations centralisées. Citons enfin le R290 (propane frigorifique) employé avec des pac à compresseurs à piston pour atteindre de hautes températures d’eau (65 °C) tout comme les pompes EVI.

Enfin, l’ancien point noir des pac, la régulation, présente les mêmes caractéristiques que celles d’une chaudière moderne : régulation en fonction de la température extérieure, programmation d’une marche réduite, affichages en clair de messages de fonctionnement ou d’erreur, commandes par menu déroulants ou par liaisons BUS. Elles peuvent aussi être communicantes avec des GTB. Alors que le système Inverter assure une régulation progressive, et non par paliers, du compresseur, il faut s’attendre à l’adaptation et à l’intégration dans les pac d’optimiseurs et autres raffinements, ce qui est déjà le cas pour certains matériels.

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