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Les pompes à chaleur: Un
réfrigérateur à l’envers
Dans un réfrigérateur, de la chaleur est puisée
à l’intérieur de celui-ci, ce qui en abaisse la température,
puis est rejetée à l’extérieur, dans l’air
de la cuisine.
Les pompes à chaleur fonctionnent selon le même principe,
mais c’est l’environnement extérieur (sol, air ou eau)
qui fournit la chaleur et l’intérieur du logement qui la récupère.
Le principe de base
Schéma de principe de la pompe à chaleur
1 : la chaleur prélevée à l’extérieur
est transférée au fluide frigorigène qui se vaporise.
2 : le compresseur électrique aspire le fluide frigorigène
vaporisé.
3 : la compression élève la température du fluide
frigorigène.
4 : le fluide frigorigène cède sa chaleur à l’eau
du circuit de chauffage ou directement à l’air du lieu à
chauffer.
5 : le fluide frigorigène se condense et revient à l’état
liquide.
6 : le détendeur abaisse la pression du liquide frigorigène
qui amorce ainsi sa vaporisation.
La pompe à chaleur ou PAC est constituée d’un circuit
fermé et étanche dans lequel circule un fluide frigorigène
à l’état liquide ou gazeux selon les organes qu’il
traverse. Ces organes sont au nombre de quatre : l’évaporateur,
le compresseur, le condenseur, et le détendeur.
Pour simplifier, on peut dire que la pompe à chaleur prélève
un peu de chaleur du sol du jardin, de l’air environnant ou de l’eau
d’une nappe, augmente son niveau de température et restitue
une chaleur à une température plus élevée
dans le logement.
Son fonctionnement est d’autant plus efficace que la différence
entre la température du milieu où est puisée la chaleur
et celle des émetteurs de chaleur du logement est réduite.
Les fluides frigorigènes sont pour la plupart nocifs pour l’environnement.
Ceux qui détruisent la couche d’ozone sont maintenant interdits
ou en cours d’élimination. C’est le cas du R22, qui a
longtemps été le fluide frigorigène le plus employé.
Ils sont remplacés par des fluides comme les HFC (R407C, R410A,
R417A), inoffensifs vis à vis de la couche d’ozone. Mais ces
fluides restent de puissants gaz à effet de serre.
Ses applications...
À partir du principe de base de la pompe à chaleur, différents
systèmes existent, avec des performances et des possibilités
d’application différentes. On peut regrouper les PAC destinées
au chauffage des particuliers en deux grandes familles :
• les PAC géothermiques qui
puisent la chaleur dans le sol ou l’eau d’une nappe par l’intermédiaire
d’un réseau de capteurs ou de forages;
• les PAC aérothermiques qui
la puisent directement dans l’air ambiant, extérieur ou intérieur
au logement.
On parle selon les cas de modèles air/air,
air/eau, sol/sol, sol/eau, eau/eau ou eau glycolée/eau.
Le premier terme désigne l’origine du prélèvement,
le second le mode de distribution de la chaleur. Seule exception : la
PAC eau glycolée / eau qui puise la chaleur dans le sol (avec des
capteurs enterrés contenant de l‘eau glycolée).
... et les procédés mis en oeuvre
Les constructeurs ont mis au point plusieurs procédés.
La principale différence tient à la nature des fluides circulant
dans les capteurs et les émetteurs de chauffage, et donc à
la technologie des PAC utilisées :
• dans les PACà détente directe,
un seul circuit : le fluide frigorigène circule en circuit fermé
dans la pompe, les capteurs et les émetteurs de chaleur. Ce type
de pompes à chaleur contient beaucoup de fluide frigorigène;
• dans les PAC mixtes, deux circuits
: celui du fluide frigorigène des capteurs et de la pompe à
chaleur et celui de l’eau chaude des émetteurs;
• dans les PACà fluides intermédiaires,
trois circuits : le circuit frigorifique de la pompe à chaleur,
le circuit des capteurs où circule de l’eau additionnée
d’antigel, le circuit qui alimente en eau chaude les émetteurs;
Les PAC géothermiques peuvent être à détente
directe, à fluides intermédiaires ou mixtes.
Les PAC aérothermiques sont toujours à détente directe
ou mixtes.
Les émetteurs de chaleur
Le chauffage ou le rafraîchissement du logement peut être
assurés par 4 solutions techniques :
1. Le plancher chauffant / rafraîchissant –
le bien-être à la carte !
Invisible et agréable, il est particulièrement adapté
aux maisons individuelles neuves. Il permet de chauffer ou rafraîchir
le logement selon les saisons. Placé dans une chape pouvant recevoir
différents revêtements de sols (le carrelage est le revêtement
le mieux adapté), un réseau de canalisations parcourt l'ensemble
du logement dans lequel circule de l'eau chauffée ou rafraîchie
par la pompe à chaleur, selon les besoins :
- en hiver, la chaleur de l'eau se diffuse dans les tubes à travers
la chape qui rayonne vers les corps, objets et parois environnant pour
réchauffer à leur tour l'air ambiant,
- en été, le plancher absorbe la chaleur du logement et
procure un rafraîchissement de l’ordre de 3 à 4°C
par rapport à l’extérieur. Cette chaleur est rejetée
à l'extérieur grâce à la pompe à chaleur.
2. Les ventilo-convecteurs – une grande
réactivité et un confort d’été modulable
!
Dans ce cas, l’eau chaude ou l’eau froide produite par la pompe
à chaleur (suivant la saison) circule dans un réseau de
canalisations isolées qui viennent alimenter les ventilo-convecteurs.
Le ventilateur est là pour garantir une meilleure diffusion de
la chaleur ou de la fraîcheur dans toute la pièce. Ce type
d’émetteur permet de contrôler son confort dans chacune
de ses pièces. Il présente également l’avantage
de filtrer l’air intérieur de votre maison et de le déshumidifier
en été.
Il existe des appareils d'allège, des appareils plafonniers et
des appareils "cassettes" encastrés dans des faux plafonds.
Ces appareils sont le plus souvent utilisés dans des immeubles
de bureaux et des hôtels.
3. Des radiateurs à basse température
peuvent être utilisés selon le même principe mais uniquement
pour des besoins de chauffage !
Comme pour les ventilo-convecteurs, l’eau chaude produite par la
pompe à chaleur circule dans un réseau de canalisations
qui viennent alimenter les radiateurs. Ce système ne permet pas
d’assurer le rafraîchissement du logement.
Pour la mise en oeuvre de pompes à chaleur sur des installations
existantes, il sera nécessaire de vérifier que le dimensionnement
des radiateurs est compatible avec la température de sortie d'eau
qu'est capable de délivrer la pompe à chaleur.
4. La diffusion d’air – discrétion
et confort optimal !
Quelles que soient la saison et la température extérieure,
le système centralisé à air assure les besoins en
chauffage et en refroidissement du logement. Reliée à la
pompe à chaleur, l'unité située à l'intérieur
du logement est placée dans les combles, dans un garage, dans un
faux plafond ou encore dans un placard. L’air est diffusé
dans les pièces soit par l’intermédiaire d’un
réseau de conduits aérauliques, soit à travers un
plénum.
L'air du logement est chauffé ou refroidi, selon les saisons,
en traversant l'unité intérieure, avant d'être réparti
dans les pièces par les bouches de diffusion. Rondes ou rectangulaires,
les bouches de diffusion d'air chaud ou frais sont placées en partie
haute. L'air est ensuite repris de façon centralisée, en
partie basse, par l'intermédiaire de la grille de reprise et il
sera filtré avant de retourner à l'unité intérieure
pour subir un nouveau cycle.
Pour assurer la régulation pièce par pièce on pourra
moduler le débit d'air à l'aide d'un registre motorisé.
Le système centralisé à air a également l'avantage
de filtrer l'atmosphère intérieure et de la déshumidifier
l'été
Performances et certifications
Des coefficients à connaître : COP et EER
Les performances des pompes à chaleur s’expriment par des
coefficients qui rendent compte de leur efficacité en fonction
de l’énergie qu’elles consomment.
Pour 1 kWh d’électricité consommé, les PAC
restituent pour la plupart 2 à 4 kWh de chaleur. Par exemple, si
une PAC consomme 1 kWh d’électricité et restitue 3
kWh de chaleur, on dit que son COP est de 3.
Le rapport entre la quantité de chaleur produite et l’énergie
électrique consommée (par le compresseur) est le coefficient
de performance (COP) de la pompe à chaleur. Il traduit la performance
énergétique d’une pompe à chaleur en mode chauffage
Le COP est mesuré par le fabricant ; il est valable pour une température
d’essai donnée. Dans la pratique, quand le milieu est plus
froid que cette température d’essai, l’efficacité
énergétique de la pompe à chaleur diminue et devient
inférieure au COP annoncé. À l’inverse, elle
est supérieure à ce COP quand le milieu est plus chaud que
la température d’essai.
L’ADEME conseille donc l’installation d’une pompe à
chaleur présentant le COP le plus élevé possible
et en tout cas supérieur à 3,3.
L’appellation EER (coefficient d’efficacité frigorifique)
traduit l’efficacité d’un système thermodynamique
quand il produit du froid.
Des consommations annexes
Le compresseur de la pompe à chaleur est le principal consommateur
d’électricité, mais il n’est pas le seul. Les
PAC sont le plus souvent équipées d’auxiliaires qui
fonctionnent à l’électricité (circulateurs,
organe de dégivrage, ventilateurs, etc.). Enfin, les ventilo-convecteurs
sont eux aussi équipés de ventilateurs. Il faut tenir compte
de ces consommations annexes pour estimer la performance réelle
du système de chauffage.
Des certifications pour un matériel de qualité
Le marquage Eurovent garantit que les puissances, le COP et l’EER
des PAC réversibles sont conformes aux valeurs annoncées
par les constructeurs.
La marque NF PAC certifie, le COP, la puissance thermique et le niveau
de puissance acoustique des pompes à chaleur aérothermiques
et géothermiques de moins de 50 kW.
Le label Promotelec est attribué aux matériels qui satisfont
à un cahier des charges (fixant entre autres les performances des
appareils).
Dans les deux cas, les essais sont réalisés par des laboratoires
indépendants.
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