Les pompes à chaleur : histoire et définition
Largement répandues depuis des années, les pompes à chaleur prévues pour l’habitation sont devenues une référence en système de chauffage et de refroidissement et sont présentes dans notre quotidien depuis de nombreuses années. On les trouve dans de nombreuses installations comme les réfrigérateurs, les sèches linges ou encore les climatiseurs.
Unes des premières mentions de l'utilisation d’une machine thermodynamique pour le chauffage ou le rafraîchissement des bâtiments au moyen d'écoulements d'air date de 1852 avec la communication de William Thomson (Lord Kelvin) qui s’inspira de l’ouvrage de l’ingénieur français Sadi Carnot en 1842 et du brevet britannique déposé en 1835 par Jacob Perkins
Lord Kelvin déclara d’ailleurs en 1852 :
"Alors que les chutes du Niagara sont équipées pour fournir de l'énergie à l'Amérique du Nord via des câbles, il ne fait aucun doute que cette énergie sera largement utilisée pour le chauffage des logements dans une grande partie du Canada et des États-Unis. Mais il est possible qu'elle trouve aussi des applications à plus petite échelle dans d'autres pays froids, pour multiplier la chaleur issue du charbon et d'autres combustibles et pour utiliser le vent et l'hydraulique afin de chauffer les bâtiments résidentiels".
Ainsi, dès le milieu du 19ème siècle, Lord Kelvin avait présupposé l'utilisation des pompes à chaleur telles qu'elles ont été développées depuis. Il faudra attendre 1931 pour voir une première pompe à chaleur installée pour un immeuble de bureau.
Comment ça marche ?
Une pompe à chaleur (PAC), est un appareil électrique permettant de transférer l'énergie thermique d'une source froide vers une source chaude et inversement. Une pompe à chaleur peut être alors considérée comme un système de chauffage ou de réfrigération.
Lorsque le but du dispositif de pompage est à la fois de chauffer et de refroidir, le système est alors considéré comme une thermofrigopompe.
La pompe à chaleur permet donc de récupérer les calories ambiantes (dans l’air, le sol ou l’eau) et de les transférer à un fluide en les concentrant.
Par exemple avec de l’eau à 13°C, la PAC peut chauffer de l’eau à 50°C ou 60°C ! Cette concentration d’énergie se fait avec une certaine dépense d’énergie électrique liée au fonctionnement du compresseur notamment. Du point de vue technique, une pompe à chaleur est constituée de 4 éléments principaux :
Un échangeur pour capter l’énergie à l’extérieur (évaporateur) ;
Un compresseur ;
Un deuxième échangeur pour la restituer à l’intérieur (condenseur) ;
Un détendeur.
Le fonctionnement du transfert de calories de la pompe à chaleur étape par étape (pointillé rouge) :
Le schéma ci-dessus permet de visualiser le fonctionnement de la PAC, ici une AIR/EAU.
La source d’énergie est l’air, dans lequel nous puisons 3kW, que nous allons compresser à l’aide du compresseur (bien joué). La compression d’un fluide élève sa température, comme avec une pompe pour gonfler les pneus. C’est d’ailleurs ces deux phases de prélèvement et de compression qui nécessiteront l’apport en énergie électrique pour faire tourner le ventilateur et le compresseur.
Une fois comprimé, le fluide chaud du circuit primaire transmettra ses calories au circuit secondaire (distribution) grâce à l’échangeur (simplement une plaque permettant la conductivité thermique).
Finalement, après être passé dans l’échangeur, le fluide passera finalement par le détendeur pour retrouver sa pression initiale et ainsi être de nouveau capable de refaire le cycle.
Le fonctionnement
L'expression « pompe à chaleur » est générique car il regroupe de nombreux dispositifs réalisant des transferts thermiques. On peut classer les pompes à chaleur en fonction de 3 paramètres :
Les phénomènes physiques (modele de PAC) ;
Les sources d'énergies (milieu dans lequel la PAC puise les calories) ;
Le vecteur d’énergie (fluide chargé de restituer l'énergie à l'intérieur).
Les phénomènes physiques
On distingue les différentes machines thermodynamiques en premier lieu par les phénomènes physique qu’elles utilisent. Les pompes à chaleur dites « résidentiel » utilise le principe de la compression de vapeur, c’est à dire en compressant un fluide (gaz ou liquide). Cependant d’autres phénomènes existent pour l’industrie, via magnétisme, mécanisme ou en utilisant d’autre loi de la thermodynamique ayant des avantages selon les contraintes et leurs applications.
Ainsi on peut retrouver :
La machine à compression de vapeur ;
La pompe à chaleur à absorption de gaz ;
La pompe à chaleur à effet Peltier ;
La pompe à chaleur Stirling ;
La pompe à chaleur thermoacoustique ;
La pompe à chaleur thermomagnétique.
Les sources d'énergies
Quand on parle d’une PAC, il est nécessaire de préciser la source d’énergie de provenance des calories ainsi que le vecteur d’énergie par lequel elle va être redistribuée. C’est ce à quoi correspondent les notions :
AIR/AIR ;
AIR/EAU ;
EAU/EAU ;
EAU/AIR.
La première notion correspond à la source d’énergie tandis que la deuxième correspond au vecteur d’énergie. Avec une PAC, on peut récupérer les calories de 3 sources d’énergies :
1. L’air
Les pompes à chaleur aérothermiques canalisent l’air extérieur, l’injectent dans le système de chauffe et diffusent la chaleur dans l’habitat via des ventilo-convecteurs, des radiateurs basse température ou des planchers chauffants.
2. L'eau
La pompe à chaleur hydraulique puise l’énergie dans les sources d’eau – nappes phréatiques et autres cours d’eau – à proximité de l’habitation. Grâce à un système de puits de forage, les calories extraites de l’eau via un générateur sont introduites dans le circuit de chauffe. La chaleur est diffusée au travers de planchers chauffants ou de radiateurs à eau.
3. La terre
La pompe à chaleur géothermique utilise les calories disponibles dans les sols et les convertit en énergie pour chauffer l’air ou l’eau sanitaire et/ou refroidir un logement. Quelques prérequis à son installation : il faut disposer d’un terrain conséquent pour pouvoir construire un réseau de canalisation (sonde géothermique verticale ou horizontale) dans les sols autour du logement.
Le vecteur d’énergie
Concernant les vecteurs thermiques, on utilisera soit l’eau, soit l’air pour distribuer les calories à l’intérieur. Néanmoins, ce ne sont pas les seuls vecteurs employés et employables, tout fluide au sens large peut servir de vecteur énergétique.
Que ce soit en air soufflé pour une PAC, ou de l’eau à l’intérieur de radiateur ou d’un plancher chauffant, le vecteur thermique transmet la chaleur. Lors d’une étude de dimensionnement de chauffage, on étudiera notamment le régime de température de la pompe à chaleur en faisant correspondre le COP (coefficient de performance) avec le besoin de chauffe et la dissipation de chaleur de l’émetteur.
Le dimensionnement d’une PAC
Le choix - mais également le dimensionnement - d’une pompe à chaleur seront déterminés en fonction des facteurs ci-dessous. En effet, sous-évaluer le dimensionnement d’une PAC nécessitera de faire appel à une consommation d’électricité plus importante et le recours à un appareil de chauffage d’appoint.
Nous prenons en compte les points suivants :
La zone climatique : dans un secteur géographique où le climat est très froid en hiver, la pompe à chaleur aura besoin de consommer plus d’électricité pour élever la température puisée dans l’air, l’eau ou le sol.
Le niveau d’isolation thermique : avoir une isolation optimale de son logement garantit de consommer moins. Il est donc important - pour pouvoir bénéficier de tous les avantages apportés par une pompe à chaleur - de procéder aux travaux de rénovation nécessaires. Ce principe s’applique également au système de chauffage classique.
Les besoins en chauffage : fonction de la taille du logement, des habitudes de consommation, le nombre de personnes composant le foyer et l’usage de la PAC pour déterminer le besoin de chauffage du bâtiment.
Il est nécessaire de faire appel à un bureau d'étude thermique pour dimensionner au mieux sa pompe à chaleur. Un sous-dimensionnement induira un inconfort thermique et un surdimensionnement conduira à une usure prématurée de la PAC et particulièrement de son compresseur.
Les coefficients
1. Le COP
Pour caractériser l’efficacité de fonctionnement d'une pompe à chaleur, on utilise le rapport du débit d'énergie thermique utile transférée (puissance thermique) sur le débit d'énergie « payée » (puissance « payée »). Ce rapport s'apparente à une efficacité est par convention nommé coefficient de performance (ou « COP ») et est un nombre sans dimension compris entre 0 et l'infini.
Une pompe à chaleur lutte contre le sens naturel du transfert de l'énergie thermique, ce qui explique pourquoi, dans la grande majorité des cas, le COP baisse lorsque la différence de température entre la source chaude et la source froide augmente. En fonction du besoin, la puissance thermique utile peut être celle prélevée de la source froide (on parle alors de COP froid ou EER) ou celle fournie à la source chaude (on parle de COP chaud). En pratique, les pompes à chaleur étant principalement connues du public pour le chauffage, on omet de préciser que le COP mentionné est un COP chaud.
La puissance consommée peut être sous forme de puissance électrique (dans les cas d'un moteur actionnant une pompe, du courant dans un module Peltier ou du courant du vibrateur dans une pompe à chaleur acoustique), d'une puissance mécanique ou bien d'une puissance thermique (dans le cas d'une pompe à chaleur par absorption fonctionnant au gaz naturel).
Le COP est donc un calcul standardisé qui permet connaître la dépense énergétique nécessaire en fonction d’une température ambiante définie (en général +7°C pour l’air) et d’une température de sortie de l’eau fixée également (en général +35°C pour alimenter un plancher chauffant).
Prenons l'exemple d'une pompe à chaleur Aérothermique (ou air-eau) alimentée à l’électricité affichant un COP de 4. Cela signifie que la pompe à chaleur va consommer 1kWh d’électricité pour produire 4kWh de chaleur dans des conditions de température d’air extérieur de 7°C et pour alimenter un plancher chauffant avec de l’eau à 35°C. Le COP sera d’autant plus élevé que l’écart entre la température de l’air et celle de l’eau de chauffage sera faible.
Changeons maintenant un petit peu les paramètres de l’exemple, pour se rapprocher des conditions réelles. Imaginons une période hivernale un peu plus fraîche avec une température de l’air qui tombe à 0°C. Le COP peut alors descendre en dessous de 3, soit une consommation de 1kWh d’électricité pour une production de chaleur inférieure à 3 kWh. Ces variations saisonnières sont donc à prendre en compte lors du choix d’un appareil et ce pourquoi à été créé le SCOP.
2. Le SCOP
Le SCOP est le coefficient de performance saisonnier. Il définit les performances d'un appareil de climatisation réversible en mode chaud ou d'une pompe à chaleur sur la période d'utilisation.
Pour le calculer, il faut prendre la somme d'énergie calorifique produite sur la saison en kilowatt par heure (kWh) et la diviser par la somme d'énergie consommée sur cette même période, là aussi en kWh. De manière plus simple, il s'agit de ce que l'appareil produit sur ce qu'il vous coûte : c'est le rendement saisonnier.
Le SCOP prend en compte trois climats européens différents. Les villes de références sont Athènes pour le climat chaud, Strasbourg pour le climat tempéré, et Helsinki pour le climat froid. Ce classement donne les conditions d'essai et de charge partielle en fonction de la température extérieure. En effet, que l'on se situe à Athènes ou Helsinki, la rigueur de l'hiver ne sera pas la même, donc la chute de température extérieure non plus.
Le SCOP est très utile pour choisir un climatiseur réversible ou une pompe à chaleur et comparer leurs performances. Il est utilisé pour définir la classe énergétique, représentée sur l'étiquette énergie. Il donne les performances de chauffage, c'est le rapport entre l'énergie produite et celle consommée. Généralement mis en valeur avec des lettres allant de A+++ à G, le SCOP un excellent moyen de s’assurer que le produit que vous achetez est aussi performant qu’économique. En décidant de prendre en compte cet indicateur, vous êtes sûr de faire un bon investissement.
De plus, la loi stipule que le fabricant doit obligatoirement faire figurer l’indice SCOP sur ses produits, puisqu’il s’agit d’une information essentielle, voire déterminante.
3. Le SEER
Le SEER (Seasonal Efficiency Energy Ratio en anglais) ou efficacité frigorifique saisonnière, selon la traduction, définit les performances d'un appareil de climatisation sur la période d'utilisation.
Pour le calculer, il faut prendre la somme d'énergie frigorifique produite sur la saison en kiloWatt par heure (kWh) et la diviser par la somme d'énergie consommée sur cette même période, là aussi en kWh.
De manière plus simple, il s'agit de ce que l'appareil produit sur ce qu'il vous coûte : c'est un rendement saisonnier.
Le SEER correspond donc au coefficient d’efficacité frigorifique saisonnier à l’instar du SCOP qui correspond au coefficient d’efficacité saisonnier en mode chauffage.
Pompe à chaleur et énergie renouvelable
L’Europe a soulevé la question de savoir si les pompes à chaleur sont un source directe d’énergie renouvelable. Et la réponse est « non, mais oui »…
Il est un amalgame récurent quand on parle de pompe à chaleur, qui est souvent qualifié comme une source énergie renouvelable. Bien qu’elle utilise les atouts des lois de la thermodynamique pour créer une valorisation d’énergie et ainsi améliorer largement son rendement, l'énergie principale de fonctionnement d’une PAC est bien l’électricité.
En bref, pas d’électricité, pas de PAC, ce qui ne peut être donc considéré ni comme « une source » puisque qu’elle ne produit pas, ni même « d’énergie renouvelable » puisqu’elle consomme de l’électricité.
Pour trancher, l’Europe a décidé de définir des seuils, permettant ainsi de favoriser l’apport des pompes a chaleur comme énergie renouvelable et permettre leurs développement avec des équipement très performant énergiquement.
C’est grâce à ces derniers coefficients (le SCOP et le SEER) que l’Europe classe ou non les pompes à chaleur en tant qu’énergie renouvelable. Pour une pompe à chaleur alimentée à l’électricité, il faut que le SCOP soit au minimum de 2,9 (ou 4,6 pour le SEER pour le refroidissement) pour qu’elle soit considérée comme une énergie renouvelable directe.
Dans les autres cas, elle est décrite comme un outil favorisant certaines énergies renouvelables. Donc une pompe à chaleur ne doit pas systématiquement être considérée comme une énergie renouvelable ! Malheureusement, aujourd’hui, ce coefficient moyen annuel d’exploitation n’est pas mentionné dans les documents de présentation des appareils.