Le principe d une pompe à chaleur (et d un réfrigérateur) POMPES À CHALEUR / ÉNERGIE KULAK

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e principe d’une pompe à chaleur (et d’un réfri- gérateur) est plus simple que vous ne le pensez.

Lorsque vous chauffez de l’eau et mesurez sa température à l’apparition des premières bulles de gaz, vous mesurez la même température qu’au moment où quasiment toute l’eau s’est évaporée. L’éner- gie de réchauffement est entièrement absorbée par la transition de l’eau de sa phase liquide vers sa phase gazeuse. À l’inverse, une quantité d’énergie se déga- gera lorsque ces particules d’eau passeront à nouveau de la phase gazeuse à la phase liquide.

La transition de la phase liquide à la phase gazeuse à basse température, comme c’est le cas dans le réfrigérateur, nécessite de l’énergie. Pour pouvoir à nouveau s’acquitter de la même tâche, c’est-à-dire extraire de la chaleur du réfrigérateur, les particules gazeuses doivent se débarrasser de l’énergie absor- bée pour redevenir liquides. Elles le font en libérant cette énergie dans leur environnement, la cuisine. Ce- pendant, pour libérer de la chaleur dans un environnement avoisinant les 20 °C, les particules doivent avoir une température supérieure. Les particules de

gaz doivent donc être réchauffées à une température supérieure à celle de la cuisine. Pour ce faire, elles sont entassées dans un volume plus petit. En d’autres termes, elles sont comprimées. En les comprimant, leur température dépasse celle de la cuisine. Cette compression réclame de l’énergie sous forme d’élec- tricité.

Les secrets de la géothermie

Sans le savoir, chacun possède en fait une pompe à chaleur dans sa maison : le réfrigérateur. Un réfrigérateur extrait la chaleur de son enceinte – raison pour laquelle il y fait froid – et relâche cette

chaleur dans la pièce, par l’arrière. Naturellement, faire passer un fluide du chaud au froid ne s’opère pas tout seul.

Le réfrigérateur utilise donc de l’électricité. Il en va de même pour les pompes à chaleur.

©Weishaupt

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^avril²⁰¹¹ _ je vais construire& rénover

Les particules de gaz doivent ensuite être refroidies jusqu’à une température inférieure à celle qui règne à l’intérieur du réfri- gérateur. À l’instar de la compression des particules qui a fait grimper la température, la détente, c’est-à-dire l’expansion des particules, fera baisser la température. Ce processus naturel ne réclame toutefois pas d’énergie.

La boucle est ainsi bouclée : extraction de la chaleur froide, compression jusqu’à obtenir de la chaleur chaude, émission dans un environnement chaud et détente pour faire baisser la température.

Le cycle que parcourent les particules dans le réfrigérateur

est donc similaire à celui de la pompe à chaleur. Toutefois, l’ob- jectif de cette dernière n’est pas de créer un environnement froid mais bien de réchauffer une pièce en y émettant de la chaleur à température élevée.

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A VÉRITABLE POMPE À CHALEUR

Dans le réfrigérateur décrit ci-dessus, un seul fluide de service traverse tout le cycle : évaporation, compression, refroidissement et expansion. En traduisant cela vers une application telle qu’une pompe à chaleur dans une maison, l’évaporation du fluide de service a lieu près de la source à basse température, par exem- ple le sol, tandis que sa condensation se passe dans la maison.

L’appareil qui se trouve dans la chaufferie ou la cave comprend le compresseur, la vanne d’expansion, la commande et le contrôle. De tels systèmes sont vendus sous la dénomination « à expansion directe ».

Lorsque la chaleur est émise par de l’eau à l’intérieur de la maison (chauffage par le sol, radiateurs), il faut prévoir un échan- ge de chaleur supplémentaire. Le fluide de service à haute tem- pérature ne délivre pas directement sa chaleur à la maison mais à l’eau de circulation du chauffage. Cette même stratégie est également appliquée pour l’échange de chaleur à l’extérieur : l’eau contenant un antigel extrait la chaleur de la source froide ; 1.Pompe à chaleur

2. Préparateur d’eau chaude sanitaire 3.Réservoir tampon

L’encombrement total d’une pompe à chaleur et du boiler d’eau chaude est tout à fait équivalent à celui d’une combinaison chaudière/boiler.

Chaleur issue de la terre (captage horizontal)

Chaleur issue de la terre (captage vertical)

Chaleur issue des eaux souterraines

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ce mélange délivre alors de la chaleur à basse température au fluide de service de la pompe à chaleur qui va ainsi s’évaporer. La pompe à chaleur comprend donc deux échangeurs de chaleur supplémentaires et des pompes de circulation annexes pour la distribution de l’eau de chauffage et la circulation du mélange eau-antigel.

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A SOURCE FROIDE

La pompe à chaleur peut en fait fonctionner avec quasiment toute source inépuisable à basse température : l’air extérieur, le sol, l’eau souterraine ou tout autre « réservoir » d’eau (rivière, lac...). Pour minimiser la consommation élec- trique du compresseur, il est important que cette source se trouve à une température la plus proche possible de la tem- pérature d’émission souhaitée à l’intérieur. Sinon, le compresseur doit davantage comprimer les particules, opéra- tion qui consomme plus d’électricité. À cet égard, l’air pré- sente l’inconvénient que sa température est basse au moment où la demande de chaleur est la plus grande. Avec le sol, les choses sont différentes. À partir d’environ cinq mè- tres de profondeur, la température du sol est constante quasiment toute l’année (elle varie entre 10 °C et 12 °C). Les influences saisonnières sont encore perceptibles dans les _▼ Comme pour les chaudières, le boiler d’eau chaude peut aussi être incorporé à la pompe à chaleur, dans un élément unique.

©Vaillant

A natural way of heating

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À CHALEUR

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premières couches, mais plus on descend en profondeur, plus les variations de température sont faibles (on considère généra- lement une hausse de la température de 0,15 °C à 0,30 °C par tranche de profondeur de 10 mètres). De même, la température de l’eau souterraine subit peu de variations dans ces couches (en général, des valeurs constantes entre 10 °C et 14 °C). Les ri- vières ou les grands lacs offrent également une température pour ainsi dire constante, avec des valeurs qui dépendent notamment de la profondeur et de la vitesse du courant.

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A CHALEUR DU SOL

La chaleur peut être extraite du sol via un réseau de conduites enterrées. En extrayant de la chaleur au sol, la température au- tour des capteurs de chaleur descendra au cours de la saison.

Elle remontera progressivement après l’hiver.

Il faut pouvoir extraire suffisamment de chaleur à basse tem- pérature pour fournir la quantité de chaleur souhaitée à tempéra- ture plus élevée. Le bon dimensionnement des capteurs de chaleur est donc primordial. Les capteurs de chaleur peuvent être posés horizontalement ou verticalement dans le sol.

Pour un capteur de chaleur vertical, les conduites sont en- fouies dans le sol au moyen d’une grande foreuse. Un tel forage peut descendre à plus de 100 mètres de profondeur. Cela per-

met d’installer une surface d’échange de chaleur correcte sur une petite surface de sol. Le calcul des profondeurs exactes, de la distance entre les trous de forage et du nombre de trous de forage est un travail de spécialiste et dépend notamment du type de sol et des épaisseurs de couche que doit traverser le capteur de chaleur. Les tubes pour l’échange de chaleur sont placés dans les trous de forage. L’espace libre à côté de ces tuyaux est rempli de sable, de gravier ou d’un mélange spécial. Si des couches d’argile sont traversées, elles doivent être comblées par un mélange de bentonite et de granulés d’argile pour éviter le mé- lange d’éventuelles couches d’eau souterraine. Les différents capteurs de chaleur sont raccordés et leur étanchéité est testée avant de les remplir avec le fluide de service final (soit un mélan- ge eau-antigel, soit un réfrigérant).

Un réseau de conduites horizontalest enterré à une profondeur de minimum 1 mètre, c’est-à-dire sous la limite de gel. À cet endroit, la température du sol varie sensiblement moins que dans les couches plus proches du niveau du sol. Pourtant, la dé- pendance saisonnière y est naturellement plus grande que dans le cas d’un forage vertical. La pose est toutefois moins compli- quée et réclame moins d’équipement spécialisé, mais nécessite par contre une grande surface au sol et le terrassement du jardin. Pour déterminer la surface au sol nécessaire, prenez comme _▼

L’installation d’un système de captage vertical nécessite l’accès au terrain pour un lourd camion de forage, mais ne demande qu’une surface limitée.

La pose d’un réseau de captage horizontal à faible profondeur exige une très grande surface de terrain libre. Outre la surface utile, il faut aussi tenir compte de l’espace nécessaire au stockage provisoire des terres.

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première approximation une fois et demie la surface intérieure à chauffer. Le jardin est excavé sur cette surface jusqu’à la profondeur souhaitée et le réseau de conduites, dont l’étanchéité sera testée, est posé. Ensuite, le tout est recouvert. La présence du réseau de conduites à cette faible profondeur limite le choix des plantations et l’emplacement éventuel d’une piscine. Ici aussi, le dimensionnement correct dépend en grande partie du type de sol et des éventuels courants d’eau souterraine. Mieux vaut confier ce travail à des spécialistes.

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A CHALEUR DE L

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EAU

L’eau souterraine a une température quasi constante de 10 °C à 14 °C. Contrairement au sol qui se refroidit durant la saison de chauffe, la température de l’eau souterraine descend à peine puisque son volume est important. On utilise souvent deux puits de pompage : un puits d’aspiration et un puits de retour. Étant donné que les couches d’eau souterraine ne peuvent être mélan- gées, le puits d’aspiration et le puits de retour doivent aboutir dans la même couche d’eau souterraine. La bonne exécution re- quiert des connaissances techniques poussées qui doivent sur- tout offrir des garanties de non-remontée de l’eau souterraine le long du tube de forage du puits de retour. Ici aussi, le bon dimensionnement relève du travail d’un spécialiste.

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ENDEMENTS

La pompe à chaleur retire de l’environnement une part d’énergie, à savoir la chaleur à basse température nécessaire pour faire passer les particules du fluide de service de l’état liquide à l’état

gazeux. Il faut ensuite de l’énergie supplémentaire pour augmenter la température des particules à une valeur utile pour le chauffage intérieur. Plus la température de sortie est élevée, plus il faut comprimer les particules, et plus le compresseur réclamera d’énergie.

Selon la définition classique, le rendement fait le rapport entre la puissance utile et la puissance fournie. Ici, la puissance utile est la chaleur délivrée à température plus élevée. La puissance fournie correspond à l’électricité que vous consommez et payez pour comprimer les particules. Vous ne payez rien pour l’énergie que les particules tirent de l’environnement à basse température, puisque celle-ci est gratuite et quasiment inépuisa- ble. Voilà pourquoi le rendement calculé selon la définition classique donnera une valeur sensiblement supérieure à 100 %. Ce qui heurte notre esprit cartésien. Raison pour laquelle nous ne parlons pas, dans le cas d’une pompe à chaleur, de rendement mais de coefficient de performance ou COP.

Le COP désigne la performance de l’appareil à un moment donné et pour une température de source et une température de sortie données. La valeur est déterminée dans des conditions de test. Les documentations techniques donnent des valeurs de COP classiques pour diverses températures de source et de sortie. Vous verrez ainsi le COP d’une pompe à chaleur à eau souterraine descendre de 4,6 à 2,8 lorsque la température de sortie augmente de 35 °C à 50 °C. À l’inverse, l’effet d’une hausse de la température de la source de 0 °C à 10 °C, pour une température de sortie constante de 35 °C, est de l’ordre de 1,1, soit un passa-

ge de 4,5 à 5,6. _▼

La pompe à chaleur est moins performante lorsqu’elle doit fournir des températures d’eau élevées. Le compresseur doit alors travailler proportionnellement plus pour pouvoir atteindre cette température supérieure. Le choix des systèmes d’émission de chaleur doit donc tenir compte d’une émission de chaleur optimale à des basses températures. Mais cela ne constitue plus un problème à l’heure actuelle. On trouve bien sûr le traditionnel chauffage par le sol ou les murs, requérant des températures d’ali- mentation maximales avoisinant les 35 °C. Mais les constructeurs de radiateurs surfent eux aussi sur la tendance des basses tempé- ratures en proposant des produits spécifiquement développés pour ces applications et pouvant par- faitement travailler aux mêmes températures que le chauffage par le sol ou les murs : convecteurs à lamelles, ventilo-convecteurs...

Le vaste choix vous permet de sé- lectionner l’appareil qui cadre le mieux avec votre mode de vie et vos préférences, et qui vous ap- porte un agréable confort en tou- tes circonstances.

QUELS SYSTÈMES D’ÉMISSION DE CHALEUR ?

©Isotrie ©Vasco

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ÉNERGIE / POMPES À CHALEUR

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En tant que consommateur, vous vou- driez naturellement savoir ce que vous pouvez escompter sur l’ensemble de la période de chauffe. Le COP ne vous four- nit pas les bonnes informations car votre température de source, et éventuellement votre température de sortie, varient. On utilise dès lors le facteur de performance saisonnier ou SPF. Cette valeur est déter- minée sur l’ensemble de la période de chauffe et tient compte également de consommations supplémentaires pour les auxiliaires comme les pompes de circulation, la commande et le contrôle. De ce

fait, le SPF sera inférieur au COP mais donnera une image plus correcte de ce que vous pouvez attendre en termes de consommation électrique et de frais.

Pour comparer les performances des pompes à chaleur, il est donc préférable d’utiliser le SPF qui nous donne une image tenant compte de la saison. Il en ressort que, malgré les différences de systèmes, le SPF est similaire pour tous les types de pompes abordés dans cet article. Diverses études récentes montrent qu’on obtient toujours un SPF variant entre 3,0 et 4,5. La valeur sera d’autant plus basse que la pompe servira à une production importante d’eau chaude sanitaire, et inversement.

À

QUEL PRIX

?

Le coût de la pompe à chaleur est principalement lié à sa puissance. À l’instar des chaudières, vous pouvez obtenir ces appareils dans toute une série de puissances maximales, avec ou sans dispositif pour la préparation de l’eau chaude sanitaire. Outre les appareils électriques, il en existe aussi qui fonctionnent au gaz. Plusieurs études na- tionales et internationales ont tenté d’estimer le prix d’une installation de pompe à chaleur, avec ou sans système d’émission de chaleur et production d’eau chaude sanitaire.

Ces études ne donnent toutefois que des valeurs indicatives car il est important d’exa- miner les spécificités de la maison et du terrain.

Pour une nouvelle construction classique de 200 m²disposant d’un chauffage par le sol au rez-de-chaussée et de quatre ventilo-convecteurs à l’étage, une pompe à chaleur avec capteur horizontal revient à environ 130 euros/m²de surface chauffée, y com- pris le coût du système d’émission de chaleur. Si vous optez pour un capteur vertical dans les mêmes conditions, vous arriverez plutôt à un prix avoisinant les 140 euros/m². L’utilisation de l’eau souterraine comme source à basse température fera légèrement augmenter le prix (143 euros/m²). Ces prix ne tiennent pas compte des éventuels subsides et réductions d’impôts. Les gestionnaires de réseau, les régions et certaines com- munes accordent des subsides si votre pompe à chaleur ne peut être utilisée que pour chauffer et non pour refroidir. Tenez compte également du temps nécessaire pour de- mander les permis – et du coût que cela entraîne – si vous optez pour un forage vertical et/ou des agents réfrigérants ou antigels spécifiques. Demandez plus d’informations à votre commune. ■

Pour connaître les adresses utiles, reportez-vous en page 128.

Région wallonne

•

Portail de l’énergie en Wallonie : http://energie.wallonie.be

•

Énergie Facteur 4 : www.ef4.be

Région de Bruxelles-Capitale

Bruxelles Environnement : www.ibgebim.be

Région flamande

•

Organisatie durzame energie (ODE) : www.ode.be –

www.warmtepompenplatform.be

•

Kenniscentrum IDEG : www.ideg.info

SITES WEB UTILES

1, 2 & 3.Les pompes à chaleur se présentent de plus en plus comme des armoires compactes contenant l’ensemble de la technique, ce qui les rend facilement intégrables dans des espaces réduits. Tenez compte toutefois du bruit généré par les compresseurs : il est préférable d’installer votre pompe à chaleur dans un local de service.

www.jevaisconstruire.be

En savoir plus ? Vous trouverez divers textes

rédactionnels récents sous la rubrique « Énergie/

Pompes à chaleur ».

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