Pompe à chaleur : dossier complet pour installer une PAC

• Publié le 27 août 2015
• par Geoffroy
• dans Chauffage, Eau chaude sanitaire
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À travers ce dossier, vous allez découvrir les principaux types de pompes à chaleur, leurs modes de fonctionnement, leurs performances, et surtout leurs avantages. Vous verrez également les situations dans lesquelles l’installation d’une pompe à chaleur (PAC) s’impose, dans le cadre d’une rénovation, et le budget à prévoir pour ce projet.

Fonctionnement de la pompe à chaleur

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Une pompe à chaleur, ou PAC, est une machine dont le rôle est de chauffer un espace ou de produire de l’eau chaude sanitaire en faisant appel à une source de chaleur externe. Dans certains cas, le dispositif peut même contribuer à la climatisation. Bien que fonctionnant à l’électricité, la mise en place d’une pompe à chaleur permet de réduire de moitié la facture énergétique.

• Comment fonctionne une pompe à chaleur ?

Comme son appellation l’indique, une pompe à chaleur « pompe la chaleur ». Plus précisément, il s’agit d’un appareil thermodynamique qui extrait la chaleur naturellement présente à l’extérieur. Cette chaleur, qui provient d’un environnement à basse température, est ensuite transférée vers un environnement affichant une plus haute température. Dans le jargon, il est question d’un transfert depuis une source froide vers une source chaude. La source froide pouvant être l’air extérieur, l’eau (souterraine ou en surface) ou encore le sol. Les différents modèles de PAC se distinguent par les types de source froide et de source chaude qui sont combinés.

La transmission de la chaleur fournie par la pompe à chaleur se fait à travers un liquide frigorigène lequel change d’état suivant sa pression. Lorsque cette dernière est en hausse, le liquide entre en ébullition et se transforme en gaz. En cas de baisse de pression, c’est un phénomène de condensation qui se produit, le fluide devenant alors liquide. Durant la phase d’ébullition, la chaleur est aspirée. Celle-ci est libérée pendant l’étape de condensation.

La pompe à chaleur est alors constituée des éléments suivants : Compresseur – Condenseur – Détendeur – Évaporateur. Ces composants sont tous reliés entre eux, formant un circuit fermé à travers lequel passe le liquide frigorigène.

Les composantes d’une pompe à chaleur

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Le cycle de fonctionnement d’une pompe à chaleur

Étant constituée d’un circuit fermé, une pompe à chaleur fonctionne par cycle comportant chacune 4 phases bien précises :

a/Le liquide frigorigène traverse l’évaporateur dans un état liquide et à faible température. Durant cette phase, le fluide capture les calories au niveau de la source froide, à l’extérieur de la bâtisse (l’eau, l’air ou encore le sol). Extrayant la chaleur, le liquide chauffe petit à petit jusqu’à s’évaporer. Il est alors évacué de l’évaporateur dans un état gazeux, la pression ainsi que la température étant faibles, à ce stade.

b/En sortant de l’évaporateur, le liquide frigorigène passe par le compresseur au niveau duquel il est donc compressé. La pression augmentant, la température hausse également.

À souligner que le compresseur constitue le moteur même de la PAC. Fonctionnant généralement à l’électricité, il assure la circulation du liquide à travers le circuit fermé. Il faut noter qu’il existe également des modèles à gaz qui conviennent plutôt au secteur tertiaire.

c/Le fluide traverse ensuite le condenseur, toujours dans l’état gazeux, mais désormais à haute température. À ce niveau, les calories sont transférées à la source chaude. Concrètement, le liquide permet le chauffage d’une pièce ou de l’eau sanitaire. À la sortie du condenseur, le fluide perd en température et se transforme en liquide via un phénomène de condensation.

d/Le liquide frigorigène traverse maintenant le détendeur, un élément permettant d’ajuster le débit du fluide qui traverse le circuit fermé. Durant cette étape, la pression baisse, de même que la température. Il retrouve alors le même état qu’au début du cycle. Et, justement, un nouveau cycle peut démarrer au niveau de l’évaporateur où le liquide est de nouveau aspiré par le compresseur.

• La classification des pompes à chaleur

Les pompes à chaleur se déclinent en plusieurs modèles, que l’on peut classifier suivant leur utilisation, les types de sources chaudes ou froides et de la technologie usitée.

a/ Classification des pompes à chaleurs en fonction de leur utilisation

On peut faire la distinction entre trois principaux types d’utilisation d’une PAC. Ce dispositif peut être employé dans le but de chauffer les différentes pièces d’un bâtiment. Il peut également être exploité dans le but de produire de l’eau chaude sanitaire. Enfin, la pompe à chaleur peut combiner les deux fonctionnalités précédemment citées. Il s’agit alors d’une « PAC combinée ».

Outre ces usages courants, la PAC propose également d’autres applications, répondant ainsi à des besoins variés. Cette machine permet notamment de chauffer l’eau d’une piscine. On peut également y faire appel dans le domaine de l’industrie, dans le but de récupérer de la chaleur notamment.

Par ailleurs, il est possible que la pompe à chaleur soit réversible. Dans ce cas, elle peut être utilisée pour produire de la fraîcheur, faisant alors office d’appareil de climatisation. De façon générale, lorsqu’une construction est bien conçue, utiliser une PAC dans ce dessein se révèle superflu.

b/ Classification en fonction des types de source chaude et de source froide

La seconde manière de classifier les PAC tient compte des types de source froide (qui constitue la source d’énergie) et de source chaude. Les principaux groupes sont classés en fonction de la source froide utilisée. On peut alors faire la distinction entre la PAC aérothermique (exploitant les calories présentes dans l’air), la PAC hydrothermique (extrayant la chaleur de l’eau) et la PAC géothermique (exploitant l’énergie du sol).

Par convention, l’appellation d’une pompe à chaleur se base sur celle de la source froide suivie de celle de la source chaude. Et il faut noter qu’il existe plusieurs façons d’exploiter une source d’énergie. D’où les nombreuses configurations possibles de la PAC :

• PAC aérothermique :

Ici on peut faire la distinction entre le PAC air/air et le PAC air/eau. Dans les deux cas, la chaleur est puisée dans l’air extérieur, lequel peut être statique ou dynamique. La différence se situe au niveau de la diffusion de la chaleur dans la bâtisse. Pour le PAC air/air, celle-ci se fait via un système de distribution centrale ou d’un dispositif local « multi-split ». Pour le modèle air/eau la distribution de la chaleur peut se faire de différentes manières : plancher rayonnant, ballon d’eau chaude, radiateur ou encore mur chauffant…

• PAC hydrothermique :

En matière de PAC hydrothermique, on retrouve seulement le modèle eau/eau. La source froide est donc constituée d’eau, que ce soit la nappe phréatique, un étang ou encore une rivière. Comme pour le PAC aérothermique air/air, la source chaude se matérialise sous diverses formes : plancher rayonnant, ballon d’eau chaude, radiateur ou encore mur chauffant…

• PAC géothermique :

En matière de PAC géothermique, trois configurations sont possibles : eau glycolée/eau, sol/eau et sol/sol. Dans le cas du PAC eau glycolée/eau, l’énergie du sol est capturée grâce à des sondes verticales ou des capteurs horizontaux contenant de l’eau glycolée. Avec le PAC sol/eau, la capture de l’énergie géothermique est assurée par des capteurs horizontaux renfermant un liquide frigorigène. Dans ces deux cas, la restitution de la chaleur se fait grâce à différents dispositifs : plancher rayonnant, ballon d’eau chaude, radiateur ou encore mur chauffant…

Parmi les PAC géothermiques, il y a également la pompe à chaleur sol/sol. La PAC puise l’énergie du sol grâce à des capteurs horizontaux dans lesquels circule un liquide frigorigène. La diffusion de la chaleur ainsi captée se fait également via le sol, à travers un plancher chauffant contenant aussi un fluide frigorigène.

PAC géothermique

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c/ Classification en fonction de la nature du fluide qui circule dans le système

Les pompes à chaleurs peuvent également être classées en fonction de la nature du fluide qui circule dans le ou les circuits fermés. Suivant le modèle concerné, il peut s’agir d’un liquide frigorigène ou d’un liquide caloporteur tel que l’eau ou encore l’eau glycolée. En tenant compte de ce paramètre, on peut alors faire la distinction entre trois catégories de PAC :

• La pompe à chaleur à détente directe :

Ce modèle utilise uniquement un fluide frigorigène. C’est alors l’évaporateur qui joue le rôle de capteur tandis que le condenseur fait chauffer. Ces deux éléments sont alors respectivement en contact direct avec la source froide et la source chaude. Dans cette catégorie, on retrouve la PAC air/air et la PAC sol/sol.

Principe de la pompe à chaleur à détente directe

• La pompe à chaleur mixte :

Cette fois-ci, le liquide frigorigène se déplace en circuit fermé, au niveau de la pompe à chaleur et du capteur. On retrouve, par ailleurs, un second circuit fermé au niveau de l’émetteur qui est traversé par de l’eau. Cette catégorie rassemble la PAC air/eau et la PAC sol/eau.

• La pompe à chaleur à fluides intermédiaires :

Avec ce type de PAC, le liquide frigorigène est diffusé en cycle fermé, exclusivement au niveau de la pompe à chaleur. On retrouve aussi un second puis un troisième circuit fermé au niveau de l’émetteur et du capteur. Il y circule respectivement de l’eau ou de l’eau combinée ou non avec du glycol (un antigel).

Principe de la pompe à chaleur géothermique à fluides intermédiaires

• La performance d’une pompe à chaleur

La performance d’une pompe à chaleur se mesure en COP ou « COefficient de Performance ». Ce COP mesure la capacité d’une PAC à faire augmenter la température. Elle s’obtient alors par le rapport entre l’énergie diffusée par l’appareil et l’énergie nécessaire pour cela. Plus la valeur obtenue est élevée, plus le dispositif est performant.

À titre d’illustration, si une PAC affiche un COP de 5,0, cela veut dire qu’elle diffuse 5 kWh de chaleur vers l’intérieur en consommant 1 kWh d’électricité pour le transfert d’énergie. Dans ce cas, 4/5e de la chaleur est issu d’une source à la fois gratuite et renouvelable tandis que 1/5e seulement est fournie grâce à l’électricité.

Comment connaître le COP d’une pompe à chaleur ?

À l’achat d’une PAC, on retrouve généralement le COP correspondant en parcourant le catalogue du fabricant. Il faut savoir que ce coefficient de performance est déterminé en tenant compte de conditions normalisées. Ces dernières impliquent notamment des températures spécifiques par rapport à la source froide et à la source chaude. En général, un COP élevé est le reflet d’une différence importante entre les deux sources. L’idéal serait alors d’avoir des températures importantes au niveau de la source froide et des températures faibles au niveau de la source chaude. Cela en sachant qu’une baisse de 1 °C de la température de la source chaude équivaut à une performance améliorée de près de 2 %.

Au-delà du COP délivré par le fabricant, on tiendra plutôt compte du COP saisonnier ou SPT (Seasonal Performance Factor). Il existe différentes raisons à cela.

D’abord, le COP n’est pas une valeur absolue. Celui-ci fluctue en fonction de différents paramètres. Au final, le COP réel est moindre par rapport au COP du fabricant. Ce dernier est notamment minoré par les pertes thermiques (tuyaux, échangeurs), aux auxiliaires (système de ventilation, circulateur, pompe) sans oublier les conditions d’installation.

Ensuite, tout au long de la saison, les températures des sources (froide et chaude) varient selon les systèmes de captation et de chauffage. C’est surtout la température extérieure qui a un impact sur la performance. Cet impact est plus prononcé, au niveau de la source froide, pour les modèles de pompe à chaleur aérothermiques (air/air et air/eau).

D’où la notion de COP saisonnier ou SPF. Ce dernier est obtenu en effectuant le rapport entre l’énergie diffusée durant une saison de chauffe et celle utilisée pour le fonctionnement de la PAC (auxiliaires inclus). Le COP saisonnier est généralement compris entre 2,8 et 3,5 pour une pompe à chaleur aérothermique. Il oscille entre 3 et 4,5 pour les deux autres types de PAC (hydrothermique et géothermique).

Il convient de remarquer que le SPF peut être évalué par un professionnel en la matière, notamment par l’installateur. Sa valeur est intéressante du moment où elle est supérieure à 3. Dans tous les cas, le spécialiste doit procéder à l’installation de telle sorte que les différences de températures entre les sources (froide et chaude) soient aussi faibles que possible. Le dimensionnement doit être très précis tandis que la régulation doit être optimisée.

Maintenant vous connaissez mieux la pompe à chaleur : son fonctionnement, les catégories existantes mais aussi les facteurs influant sur ses performances. Vous disposez ainsi des éléments de base pour vous décider.

Et pour vous faciliter la vie, je vous ai préparé un guide complet sur les éléments à prendre en compte pour la mise en place d’une pompe à chaleur, que ce soit dans le cadre d’une construction ou d’une rénovation. Vous découvrirez

• comment choisir le bon dispositif pour capter la chaleur à l’extérieur et pour ensuite la diffuser vers l’intérieur,
• quel type de pompe à chaleur installer
• quel est le budget est à prévoir en fonction des spécificités de votre projet.

Vous pouvez dès maintenant télécharger gratuitement ce guide juste en-dessous de cet article. Il ne vous restera plus qu’à cliquer sur le bouton ou remplir le formulaire et je vous envoie immédiatement ce guide pour l’installation d’une pompe à chaleur dans une nouvelle construction ou pour une rénovation.

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