Le fonctionnement

La pompe a chaleur fonctionne sur un principe thermodynamique semblable a celui d'un refrigerateur. Tout repose sur le changement d'etat d'un fluide frigorigene utilise en circuit ferme :

1. son evaporation entraine une production de froid par absorption de la chaleur;
2. sa condensation entraine le degagement de la chaleur.

Fugure 1 – Principe de fonctionnement

1. Evaporation : au contact des calories puisees dans l'environnement, le fluide frigorigene, grace a son faible point d'ebullition, d'etat liquide se transforme en vapeur.
2. Compression : cette vapeur est portee a haute pression.
3. Condensation : la vapeur va transmettre sa chaleur au circuit de chauffage. Le fluide frigorigene, toujours comprime, redevient liquide.
4. Detente : la pression du fluide frigorigene est reduite. Le fluide est pret a une nouvelle absorption des calories de l'environnement.
5. Reversibilite : le cycle peut etre inverse dans le cas d'une pompe a chaleur reversible ; celle-ci peut donc egalement rafraichir un logement en ete, en absorbant les calories de la piece et en les evacuant a l'exterieur.

Le fluide frigorigene

Le fonctionnement des machines thermodynamiques (refrigerateur, pompe a chaleur) est fonde sur la capacite des fluides frigorigenes a se vaporiser et se condenser a temperature ambiante.

Jusqu'a ces dernieres annees, le fluide frigorigene le plus employe etait le R22 dont l'emploi est de plus en plus proscrit. Il contient en effet du chlore dont les effets destructeurs sur la couche d'ozone sont aujourd'hui bien connus. C'est de plus un gaz a effet de serre puissant.

Le R22 sera progressivement remplace par des fluides de substitution, tels les HFC (R407C, R410A et R417A), inoffensifs vis a vis de la couche d'ozone et, pour certains, presentant un effet de serre plus faible.

Les differents systemes

Certaines PAC ont pour source froide l'air exterieur ou rejete par la ventilation (air-air ou air-eau), d'autres un circuit d'eau (eau-eau, plus rarement eau-air). La source chaude est definie par le deuxieme terme et consiste soit en un circuit d'eau, soit en l'air du volume habitable.

Pompe a chaleur geothermique

Les PAC utilisant la chaleur du sol sont appelees pompe a chaleur geothermique. Cette appellation peut preter a confusion avec le chauffage urbain geothermique qui utilise la chaleur a haute temperature du sous-sol profond, mais c'est un systeme tres different. Un capteur de sol est souvent constitue d'un circuit d'eau glycolee enterre en moyenne a soixante-dix centimetres de profondeur, en general sous un jardin. Ces systemes sont utilises pour transferer de l'energie du sol vers une habitation, pour les besoins en chauffage l'hiver. Ces systemes sont economiques par rapport au prix d'installation d'une PAC et plus performants.

Le chauffage au sol dans l'habitat (plancher chauffant), alternative aux radiateurs traditionnels, est une bonne source chaude car il ne necessite pas une temperature elevee. Dans le cas oppose, les radiateurs doivent etre surdimensionnes pour pouvoir fonctionner a basse temperature. S'ils ne le sont pas, une autre source d'energie sera necessaire pour augmenter la temperature du circuit et assurer leur fonctionnement (voir limitation de la temperature dans le chapitre precedent).

Pompe a chaleur a air/air

D'autres pompes a chaleur qui utilisent l'air comme source froide (refroidissement de l'air pour chauffer de l'eau de piscine par exemple) mais le rendement est moindre et la periode de fonctionnement est plus restreinte. Les risques de givrage peuvent etre importants lorsque la temperature de l'air exterieur est basse et l'hygrometrie elevee. L'investissement peut en revanche etre bien moins important.

Les systemes vendus au grand public ont une puissance thermique de 15 a 20 kW ce qui est equivalent a la gamme basse de puissances des chaudieres au gaz ou au fioul.

Certains modeles sont inversibles (ou, improprement: "reversibles"), c'est-a-dire capables de transferer de la chaleur de la maison vers l'exterieur. Ces machines ont l'avantage de pouvoir servir de climatisation si les echangeurs de chaleur s'y pretent : le plancher chauffant a une capacite relativement limitee a devenir plancher rafraichissant mais les radiateurs ne conviennent pas (question d'aire d'echange et de generation de condensats) : il faut les remplacer par des ventilo-convecteurs nettement plus couteux et generant d'autres contraintes (alimentation electrique, evacuation des condensats, bruit genere).

Les pompes a chaleur air/air peuvent utiliser l’air issu d’un puits canadien (ou puits provencal) pour alimenter l’entree d’air et ameliorer ainsi leur efficacite. Dans la pratique, le debit d'air brasse reduit tres fortement cet interet : le puits canadien ou provencal n'est efficace qu'avec un debit et une vitesse d'air limites.

En general, un puits canadien sert plutot a rechauffer un tant soit peu l'air neuf admis dans le batiment. Avec de tels debits d'air, il vaut mieux recuperer l'energie sur l'air rejete et, eventuellement, rechauffer l'air neuf avec l'energie recuperee. Il existe des PAC a double flux air-air qui realisent cet echange tout en assurant les debits d'air et donc le renouvelement d'air controle a l'interieur du batiment.

Une pompe a chaleur ordinaire fonctionne uniquement en mode tout ou rien, c'est-a-dire qu'elle s'arrete lorsque la temperature souhaitee est atteinte et redemarre des que l'installation demande de la chaleur. Par contre, une pompe a chaleur a variateur electronique (vendue sous le nom de inverter) adapte sa puissance en fonction des besoins thermiques de l'installation. Pour cela, elle fait varier la vitesse du moteur du compresseur.

Ce mot inverter (qui signifie onduleur en anglais) prete a confusion avec reversible.

Fonctionnement de la PAC

La pompe a chaleur geothermique, aussi appelee geothermie domestique, utilise la chaleur contenue dans le sol pour alimenter un reseau de chauffage comme un plancher chauffant ou des radiateurs. Voir ci-dessous Circuit de captage.

Ce principe, connu depuis une vingtaine d'annees, a subi de notables evolutions techniques qui lui permettent de rivaliser avec les moyens de chauffage traditionnels. Une PAC dite reversible (ou inversible) permet notamment au plancher de devenir rafraichissant en periode estivale.

La pompe a chaleur a eau traditionnelle utilise une source d'eau : puits, riviere, lac, ruisseau, eaux souterraines, il faut verifier que cette source est disponible en quantite suffisante, que son utilisation est autorisee (administration des eaux et services sanitaires) et que le rejet ou retour d'eau refroidie s'effectue dans des conditions acceptables pour l'environnement. Neanmoins, un echangeur est conseille entre la source d'eau brute et le circuit source froide pour des questions de corrosion et d'encrassement.

La pompe a chaleur a air utilise l'air exterieur, toujours disponible en abondance et sans problemes de rejet, mais son brassage peut etre bruyant et sa temperature est tres variable et handicape le systeme quand les besoins de chauffage sont grands.

Circuit de captage

Pour les habitations individuelles ou les petits immeubles, la plupart des pompes a chaleur geothermiques captent l'energie du sol par un circuit constitue de tuyaux de polyethylene. Il existe deux types de captage :

1. capteurs horizontaux : enterre a environ un metre sous la surface, le circuit est constitue de boucles (par exemple sous le jardin). La surface occupee par les capteurs depend de la nature du sol, il peut occuper environ deux fois la surface a chauffer, soit par exemple 400 m2 pour une surface a chauffer de 200 m2. Cet espace peut etre plante de gazon ou de petits arbustes, mais ne peut accepter d'arbres aux longues racines.
2. capteurs verticaux : le circuit comporte un tuyau formant une seule boucle verticale. Il necessite un forage en profondeur (environ 80 m), ou en faible profondeur (environ 30 m) dans le cas d'un captage a detente directe. Plus couteux, il presente l'avantage d'occuper moins de surface au sol. Les capteurs verticaux sont egalement appeles sondes geothermiques.

Le circuit de captage de la pompe a chaleur a air est generalement absent quand la pompe est exterieure: elle aspire et rejette dans son environnement; certains modeles interieurs ou dans des locaux techniques aspirent et rejettent par des conduits. Les capteurs distant doivent neanmoins etre raccordes par le circuit frigorifique charge de freon.

Le circuit de captage de la pompe a chaleur a eau est constitue d'une pompe de circulation, d'un point de prelevement avec crepine et filtre et d'un rejet.

Le circuit de chauffage

On utilise principalement trois types d'emetteurs de chauffage :

1. Le plancher chauffant
2. Les ventilo-convecteurs
3. Les radiateurs basse temperature

Il est important de retenir que les pompes a chaleur n'offrent une efficacite interessante qu'a la condition d'etre reliees a des emetteurs dimensionnes pour des temperatures basses. En effet, les coefficients de performance annonces par certaines publicites a des temperatures d'eau elevees sont fantaisistes. Les radiateurs peuvent parfois etre reutilises s'ils sont adaptes au chauffage a basse temperature ; ce peut etre le cas pour des installations anciennes dimensionnees pour un fonctionnement en thermosiphon : les dimensions de canalisations et de radiateurs peuvent permettre de chauffer a basse temperature avec un debit tres superieur a celui du thermosiphon grace aux accelerateurs modernes. Il est egalement possible de redimensionner certains radiateurs en fonction du besoin propre au local concerne afin de compenser la baisse de temperature par une surface d'emission superieure. C'est la solution retenue le plus couramment en cas de renovation d'une installation existante.

Fugure 2 – Fonctionnement d'une pompe a chaleur geothermique a fluides intermediaires

La pompe a chaleur gaz naturel

La PAC a absorption gaz fonctionne sur la base d'un cycle thermochimique avec l'energie gaz : principe: La pompe a chaleur a absorption gaz fonctionne sur le principe de l’absorption. Le chauffage direct au gaz permet le transfert de chaleur d’une source froide vers une source chaude via un fluide frigorigene, comme la pompe a chaleur electrique. La difference est que le cycle n’est pas a compression mecanique comme pour la pompe a chaleur electrique, mais de type thermochimique. Le fluide frigorigene est tout d’abord un fluide compose d’un melange eau/ammoniac, sans impact sur l’effet de serre, et le compresseur est si l’on peut dire remplace par un bruleur gaz identique a une chaudiere.

Le rendement est de l'ordre de 140 % a 170 % sur PCI et est relativement stable en fonction des conditions exterieures. Pour le moment les gammes de puissances sont de l'ordre de 20 a 70 kW, ce qui oriente ce type de pompe a chaleur vers l'habitat collectif et le petit tertiaire.

Le coefficient de transformation d'energie primaire etant de 1 pour le gaz naturel, (2,58 pour l'electricite), la pompe a chaleur gaz naturel presente une etiquette energetique et environnementale interessante pour les batiments BBC. Pompe a chaleur gaz pour le collectif BBC- aout 2010.