La pompe à chaleur, est un appareil thermodynamique qui permet de capter l'énergie contenue dans une source appelée "source froide" pour la transférer vers une "source chaude"...mais quelles sont ces différentes sources ? .
Sources froides et captage de l'énergie
On appelle source froide la source où l'on va capter la chaleur ou l'énergie. Les trois principales sources utilisées sont le sol, l'air et l'eau (nappe phréatique, lacs, rivière). Cette énergie est renouvelée constamment par le rayonnement solaire, le vent, pluie et même la neige.
Le sol, l'énergie de la terre !
Le sol se charge petit à petit d'énergie (soleil, pluie..) et grâce à son inertie, il garde une bonne stabilité au niveau des températures.
Les températures du sol sont stables, mais varient quand même et ceci est fonction des saisons, de la profondeur et de la conductivité thermique du sol.
Une partie de l'énergie vient du magma en fusion, mais elle est relativement faible, cette émission est de l'ordre de 0,06W/m² . Le gradient thermique (variation de température) est d'environ 3°C par 100 mètres mais suivant sa nature (calcaire, argile, sable) les échanges thermiques seront différents. Le puisage dans le sol permet l'utilisation des pompes à chaleur aussi en mode rafraîchissement (la température de la source froide étant en moyenne de 10 à 12 °C) .
Types de capteurs
Capteur horizontaux : Ce capteur est un circuit constitué de tuyaux en PEHD (tuyauterie souple) ou circule un fluide caloporteur (eau glycolée) enterré à 1 mètre de profondeur formant une nappe horizontal .La surface occupée par les capteurs dépend de la nature du sol, généralement une fois et demie la surface à chauffer.
Capteur verticaux : Le circuit comporte une sonde géothermique formant une seule boucle verticale. Nécessite un forage en profondeur ,entre 30 et 100 m. Parfois très coûteux, il présente l'avantage d'occuper moins de surface au sol.
L'air
L'énergie contenue dans l'air est facile à extraire, mais ses caractéristiques physiques peuvent être un handicap. Les températures de l'air peuvent fluctuer considérablement au sain d'une même saison.
Aux périodes les plus froides, lorsque la température de l'air extérieure approche 0 °C et que celui-ci est chargé d'humidité, du givre peut apparaître sur l'échangeur extérieur de la PAC. La température d'évaporation du fluide frigorigène étant plus basse que la température de l'air, l'humidité se transforme donc en givre. Le givre obstrue partiellement ou complètement l'échangeur extérieur, ce qui déclenche des dégivrages, entraînant une consommation d'énergie supplémentaire. Les dégivrages successifs réduisent le COP (coefficient de performance) de la PAC.
La faible chaleur spécifique de l'air (0,34 Wh/m3.K) est un facteur défavorable, car il faut une grande quantité d'air et une grande surface d'échange pour obtenir un bon échange thermique. Le besoin d'un grand volume d'air nécessite l'utilisation d'un ventilateur puissant, qui consomme évidemment de l'énergie.
L'eau
Comme le sol, les nappes phréatiques, les rivières et les lacs sont de bons réservoirs d'énergie, car leurs températures restent relativement stables tout au long de l'année. Le principal problème est la difficulté de pouvoir capter cette énergie, car il faudra creuser un puits (nappe phréatique) parfois de grandes profondeurs, entraînant un surcoût financier (la construction d'un puits est soumise à autorisation). Ou puiser dans une étendue d'eau, avec tous les problèmes que cela comporte (crépine, pompe, entretien). De plus, certaines nappes sont très chargées en minéraux, ce qui risque d'endommager les échangeurs des pompes à chaleur.
Dans tous les cas, il est préconisé d'installer un échangeur à plaques intermédiaire (eau glycolée) avec un filtre (à l'entrée d'eau) pour protéger la pompe à chaleur et la nappe phréatique contre tout risque de pollution par le fluide frigorigène.
Les PAC eau/eau ont des coefficients de performance bien plus élevés que les PAC air/eau, car la chaleur spécifique de l'eau est plus importante (l'eau transporte plus de 3000 fois plus d'énergie que l'air).
Source chaude et système diffusion de la chaleur
La chaleur (énergie) capter dans la source froide et porter à haute température par le travail de compression doit pouvoir être diffuser vers la source chaude (l'intérieur de l'habitation). Les trois principaux systèmes de diffusion utilisés dans les installations de pompe à chaleur sont : les ventilo-convecteurs, les radiateurs et le plancher chauffant.
Les ventilo-convecteurs
Les ventilo-convecteurs se composent d'une batterie d'échange thermique, d'un ventilateur qui pulse l'air dans le local et d'un filtre à l'aspiration. L'utilisation de ventilo-convecteurs avec une PAC pose un problème car c'est l'émetteur qui a la contenance en eau la plus faible et le moins d'inertie. L'emploi d'un ballon tampon est donc conseillé pour éviter les courts cycles de la PAC (démarrages et arrêts fréquents du compresseur). L'avantage déterminant des ventilo-convecteurs est qu'ils peuvent aussi être utilisés pour climatiser une habitation (PAC réversible).
Les radiateurs
Les radiateurs ont eux aussi une inertie assez faible, ce qui induit la pose d'un ballon tampon. De fait, les radiateurs en tôle d'acier ont une inertie et une contenance en eau bien plus faible que ceux en fonte. Pour l'utilisation de radiateurs avec une PAC fonctionnant en mode mono-énergétique (pompe à chaleur seule), ils devront être dimensionnés en basse température, c'est-à-dire avec une différence de température par rapport à l'air ambiant de 25 °C, donc un départ de 45 ou 50 °C. Pour un bon fonctionnement de la PAC, la chute entre le départ et le retour ne devra pas être supérieure à 7 °C.
Le plancher chauffant
Le chauffage au sol ou plancher chauffant remonte à l'Antiquité (les Romains utilisaient déjà un système équivalent). C'est l'émetteur idéal pour l'utilisation d'une PAC mono-énergétique.
Il a une forte inertie, ce qui induit des longs cycles pour la PAC et augmente donc le COP. Si les pas de pose du serpentin sont conformes au DTU, la répartition de la température sera homogène. Dans certains cas, la contenance en eau de l'installation permet d'éviter la pose d'un ballon tampon.
Le plancher chauffant a besoin d'une température de départ plus faible que les autres émetteurs. Le gain en COP de la PAC est de l'ordre de 3 % par degré d'abaissement de la température de départ. Le plancher chauffant doit être calculé avec une température de départ maximale de 30 à 35 °C et la différence de température entre le départ et le retour devra être de l'ordre de 5 °C. Un plancher chauffant peut être réversible .
