Les pompes à chaleur

Les points principaux

  • De la chaleur est naturellement disponible dans l’air, l’eau et le sol de notre environnement.
  • Une pompe à chaleur est un système qui utilise cette énergie renouvelable pour le chauffage ou la climatisation d’un bâtiment avec une consommation d’énergie réduite.
  • L’efficacité d’une pompe à chaleur est exprimée grâce à un coefficient de performance : plus celui-ci est important, plus la quantité d’énergie fournie et supérieure à l’énergie consommée.
  • Différentes pompes à chaleur existent en fonction du milieu de captage de l’énergie et du moyen de sa restitution dans le bâtiment.

Résumé

Une pompe à chaleur est un système capable d’exploiter une énergie renouvelable, propre et disponible en de grandes quantités : une chaleur naturellement contenue dans l’environnement que ce soit dans l’air, l’eau ou le sol. Ainsi, cette fiche pratique présente, dans un premier temps, les pompes à chaleur en tant que systèmes renouvelables et détermine leur efficacité et leurs applications. Après, elle explique plus en détails son mode de fonctionnement et les différentes techniques qui lui sont associées. Elle passe ensuite en revue les différents avantages et inconvénients dont il faut tenir compte et termine en exposant les pistes de réflexion à mener pour le choix et le dimensionnement d’une pompe à chaleur dans le milieu domestique.


Introduction : présentation des pompes à chaleur

L’air, l’eau et le sol reçoivent et stockent continuellement de grandes quantités de calories grâce au rayonnement solaire, aux vents, aux pluies et au flux géothermique du centre de la Terre. Cette chaleur de notre environnement est disponible gratuitement et est exploitable grâce à une pompe à chaleur. Cette dernière est un système performant qui permet de puiser l’énergie dans un milieu et de la restituer dans un autre. Pour un bâtiment, une pompe à chaleur peut donc servir à chauffer des locaux, à climatiser un bâtiment ou à produire de l’eau chaude sanitaire.

Comme un réfrigérateur, mais en sens inverse, une pompe à chaleur est un équipement thermodynamique qui utilise un fluide frigorigène pour puiser, via un évaporateur, de la chaleur dans le milieu extérieur (source froide) à une température inférieure à celle du milieu intérieur (source chaude) auquel elle la restitue grâce à un condenseur. Elle utilise un compresseur pour élever la température de cette chaleur et, ainsi, pour pouvoir la transmettre au bâtiment. C’est donc une machine qui valorise la chaleur naturelle. En outre, même si le compresseur a besoin d’une énergie pour fonctionner, une pompe à chaleur fournit toujours plus d’énergie qu’elle n’en consomme.

Les pompes à chaleur possèdent généralement une désignation abrégée du type : W10/W45. Celle-ci signifie que la source froide est une eau à 10 °C et la source chaude une eau à 45 °C. Cette expression est surtout employée par les fabricants. Plus couramment, une source de chaleur telle qu’une nappe phréatique ou une eau de surface sera désignée par «eau», l’air atmosphérique ou des rejets gazeux par «air», le sol parcouru par un capteur à eau glycolée – eau additionnée de glycol, un antigel, pour permettre les transferts de chaleur sous 0°C sans risque de gel – par «eau glycolée» et finalement le reste du sol par «sol».

Les milieux et les techniques de captage tout comme ceux de restitution sont très diversifiés. Ainsi, les combinaisons entre sources froide et chaude déterminent les grandes familles de pompes à chaleur existantes (voir Tableau 1). Les pompes à chaleur les plus courantes sont les systèmes air/eau et sol/eau. Les pompes à chaleur eau/eau sont souvent soumises à autorisation et sont, dès lors, moins répandues en Belgique (Energie+, 2013).

Tableau 1 : Distinction des grandes familles de pompes à chaleur suivant leurs sources froide et chaude (source : SPW)

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Le coefficient de performance

Comme les autres systèmes de chauffe, une pompe à chaleur a une certaine efficacité. Mais dans son cas, au lieu de parler de rendement, on la caractérise au moyen d’un coefficient de performance (Coefficient Of Performance – COP) En effet, son utilisation n’entraine pas la dégradation d’énergie primaire puisqu’elle ne transforme pas de l’énergie mais transfère de l’énergie. Le COP est, donc, défini comme le rapport entre la quantité d’énergie fournie au bâtiment par la PAC et la quantité d’énergie nécessaire à ce transfert (SPW, 2009) :

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Ainsi, plus le COP est élevé, plus la pompe à chaleur est performante. De même, le COP sera toujours supérieur à 1 puisqu’il caractérise un système qui génère beaucoup plus d’énergie qu’il n’en consomme. Par exemple, une pompe à chaleur qui fournit 4 kWh de chaleur au bâtiment et qui consomme 1 kWh électrique pour le transfert a un COP de 4. Dès lors, 75% de l’énergie fournie provient d’une énergie gratuite et renouvelable et les 25% restants sont d’origine électrique. Le COP d’une pompe à chaleur est déterminé dans des centres de tests sous des conditions d’essais définis et normalisés (EN 14511 et EN 255), notamment sous certaines conditions de température aux sources froide et chaude et à un point de fonctionnement précis. Toutefois, l’efficacité réelle d’une pompe à chaleur lors de son utilisation va être fonction de plusieurs paramètres :

  • De la différence de température entre la source froide et la source chaude : plus la température du milieu où sont prélevées les calories est élevée et plus la température de chauffage demandée est basse, plus le COP sera élevé et meilleure sera l’efficacité de la pompe à chaleur. De plus, la variation au cours de l’année de cette différence de température est à prendre en compte.
  • Des pertes thermiques : des pertes de chaleurs sont inévitables dans les échangeurs, les différentes canalisations, etc. et diminuent, par là, la quantité de chaleur transférée.
  • Des auxiliaires : l’efficacité, le type et le nombre d’auxiliaire (pompe, circulateur, ventilateur, etc.) vont influencer la quantité d’énergie prélevée et la quantité d’énergie consommée et, de ce fait, la performance de la pompe à chaleur.
  • De la mise en œuvre : le dimensionnement et l’installation de la pompe à chaleur jouent également un rôle dans la variation du COP.

Dès lors, le COP d’une pompe à chaleur en utilisation ne sera jamais celui annoncé par les fabricants. C’est pourquoi on définit également un COP saisonnier qui permet de caractériser la performance de la pompe à chaleur en utilisation et sur une année complète permettant ainsi de tenir compte de ces paramètres qui jouent sur son efficacité. Finalement, le comportement de l’utilisateur influera aussi beaucoup sur la performance de la pompe à chaleur, on aura donc tendance à présenter un intervalle comprenant le COP saisonnier plutôt que de donner une valeur unique. Ainsi, le tableau suivant (voir Tableau 2) montre quelques grandeurs de COP saisonnier pour différentes pompes à chaleur en construction et rénovation.

Tableau 2 : Intervalle de performance annuel de différentes pompes à chaleur (source : OFEN)

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Pourquoi est-ce renouvelable ?

La chaleur prélevée dans l’environnement extérieur par une pompe à chaleur est naturellement présente et disponible constamment et en de grandes quantités. En effet, l’énergie du rayonnement solaire, des vents et des précipitations est stockée dans l’air, l’eau et le sol et permet le renouvellement de cette chaleur. De même, le flux géothermique constant provenant du centre de la Terre emmagasine aussi des calories dans le sol. Toutefois, la pompe à chaleur a besoin d’électricité pour puiser ces calories et donc, si la part d’énergie nécessaire devient trop importante par rapport à l’énergie puisée, son intérêt est fortement réduit. Mais un de ses avantages est justement sa performance thermique. En effet, la pompe à chaleur récupère beaucoup plus d’énergie qu’elle n’en consomme : c’est, dès lors, une solution renouvelable, plus économique et performante que d’autres systèmes de chauffage, d’autant plus si l’électricité utilisée est, elle aussi, d’origine renouvelable (voir Figure 1).

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Figure 1 : Comparaison de systèmes de chauffage en fonction de la source d’énergie (source : OFEN)

En plus, trois facteurs déterminants influencent et limitent les émissions de CO2 d’une pompe à chaleur par rapport à un système de chauffage traditionnel (Rognon et Phillips, 2009) :

  • Le coefficient de performance : plus il est élevé, moins la quantité d’électricité consommée sera importante.
  • Le type de combustible utilisé pour produire l’électricité nécessaire au fonctionnement et l’efficacité de sa production et de sa distribution : par exemple, l’électricité peut être produite par des panneaux solaires, ce qui en ferait alors un système totalement efficace énergétiquement et 100% renouvelable.
  • Le type de fluide frigorigène utilisé : certains fluides sont nocifs pour l’environnement et dégagent du CO2.

Globalement, l’impact de l’utilisation d’une pompe à chaleur sur l’environnement en termes d’émission de CO2 sera moindre que dans le cas d’un autre système de chauffage (voir Figure 2).

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Figure 2 : Comparaison des émissions de CO2 de différents systèmes de chauffe (source : SPW)

Application des pompes à chaleur

Une pompe à chaleur comme son nom l’indique permet la production de chaleur. Elle permet donc le chauffage d’un logement, la production d’eau chaude sanitaire ou les deux simultanément (PAC combinée). Elle est employée autant dans le milieu résidentiel que dans le tertiaire (chauffage du bassin d’une piscine, par exemple) et que pour certaines applications industrielles. Finalement certaines pompes à chaleur sont réversibles et permettent donc également la climatisation des locaux : la chaleur est, alors, puisée à l’intérieur du bâtiment et rejetée dans l’environnement extérieur.

La puissance d’une pompe à chaleur est adaptée au secteur d’activité dans lequelle elle est employée. On peut, ainsi, classer les pompes à chaleur en fonction de leur puissance de la manière suivante (source : ADEME) :

  • 0-30 kW pour les applications individuelles
  • 30-50 kW pour le secteur du petit tertiaire et du petit collectif
  • 50-250 kW pour le tertiaire et le collectif
  • 250-1000 kW pour le grand tertiaire et le grand collectif
  • Supérieur à 1 MW pour le secteur industriel et le froid commercial

Les technologies de la pompe à chaleur

Cycle frigorifique et mode de fonctionnement

Une pompe à chaleur est une machine thermodynamique qui fonctionne comme un réfrigérateur mais en sens inverse : un fluide frigorigène parcourt le système selon un cycle frigorifique. Ce sont les propriétés physiques du fluide qui sont utilisées pour le transfert des calories. En effet, un fluide frigorifique est un fluide capable de passer de l’état liquide à l’état de vapeur, et inversement, sous des pressions supérieures à la pression atmosphérique. Ainsi, lors de ces changements d’états, de grandes quantités d’énergies sont dégagées ou absorbées. Les différents éléments principaux de la pompe à chaleur que sont l’évaporateur, le compresseur, le condenseur et le détenteur profitent donc des caractéristiques de ce fluide pour transférer de la chaleur d’un milieu à basse température, la source froide, à un milieu à température plus élevée, la source chaude (voir Figure 3).

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Figure 3 : Principe de fonctionnement d’une machine thermodynamique (source : AFPAC)

  • Dans l’évaporateur, le fluide frigorigène arrive liquide et à basse pression. Il capte alors l’énergie de la source froide plus chaude que lui (l’air, l’eau ou le sol de l’environnement extérieur), en augmentant sa température et en s’évaporant. À la sortie, il est donc toujours à basse pression mais est passé de l’état liquide à l’état de vapeur, est échauffé et est chargé en énergie.
  • Dans le compresseur, le fluide frigorigène entre sous forme de vapeur à basse pression. Il est comprimé mécaniquement et voit donc sa pression et sa température augmenter mais reste à l’état de vapeur.
  • Dans le condenseur, le fluide frigorigène arrive sous forme de vapeur à haute pression. Il cède son énergie à la source chaude plus froide que lui (le fluide à réchauffer à l’intérieur du bâtiment), en diminuant sa température et en condensant. À la sortie, il est donc toujours à haute pression mais est passé de l’état de vapeur à l’état liquide, est refroidi et a déchargé son énergie.
  • Dans le détendeur, le fluide frigorigène entre liquide et à haute pression. Il est détendu et voit donc sa pression et sa température diminuer mais reste à l’état liquide. Il peut donc recommencer le cycle dans l’évaporateur.

L’évaporateur et le condenseur sont donc des échangeurs de chaleur entre la source froide, le fluide frigorigène du circuit de la pompe à chaleur et pour finir la source chaude. On distingue 3 familles de pompes à chaleur en fonction du fluide qui circule dans les circuits de captage et de restitution de la chaleur :

  • Les pompes à chaleur « directes » – avec un seul circuit – font passer le fluide frigorigène à la fois dans la pompe à chaleur mais aussi dans le capteur et l’émetteur. C’est lui qui capte directement l’énergie dans l’environnement extérieur et qui émet directement à l’intérieur du bâtiment. C’est le cas des pompes à chaleur sol/sol ou air/air.
  • Les pompes à chaleur « mixtes » – avec deux circuits – emploient, au contraire de la pompe à chaleur « directe », un circuit distinct dans l’émetteur de chaleur intérieur. Dans ce cas-ci, le fluide frigorigène cède son énergie dans le condenseur au fluide du circuit interne, généralement de l’eau, qui à son tour cède la chaleur à l’ambiance intérieure grâce à des émetteurs. C’est le cas des pompes à chaleur sol/eau ou air/eau.
  • Les pompes à chaleur à « fluides intermédiaires » possèdent trois circuits : un pour le captage dans la source froide, un pour la pompe à chaleur proprement dite et un pour l’émission de la chaleur dans la source chaude. Dans ce cas-ci, le fluide frigorigène échange la chaleur avec deux autres fluides dans l’évaporateur et le condenseur, respectivement, et non directement avec la source froide et chaude. C’est le cas des pompes à chaleur eau/eau ou eau glycolée/eau.

Le compresseur est l’organe principal de la pompe à chaleur, c’est son « moteur ». Il est responsable de la circulation du fluide frigorigène dans le système. Il consomme donc une certaine quantité d’énergie pour fonctionner. Il est généralement actionné par l’électricité mais des pompes à chaleur au gaz existent. Celles-ci sont attachées à un moteur à gaz qui entraine le compresseur. La chaleur du moteur est également transférée, avec celle de la pompe à chaleur, vers le circuit de chauffage. Les pompes à chaleur électriques sont les plus courantes et conviennent pour les secteurs résidentiel et tertiaire. Les pompes à chaleur au gaz sont surtout utilisées pour des applications dans le secteur tertiaire qui demandent des puissances importantes. Différents types de compresseurs existent : les compresseurs volumétriques (à piston, spiro-orbital, à vis, rotatif), et les compresseurs centrifuges.

Le détenteur permet de régler le débit du fluide frigorigène. C’est cette modulation du débit qui fait baisser la pression du fluide. Il ne nécessite aucun travail et son fonctionnement ne produit pas d’échange de chaleur avec le milieu extérieur. Il existe plusieurs sortes de détenteur : le détenteur thermostatique, le capillaire de détente, le détenteur électronique, l’orifice calibré, etc.

Finalement, une pompe à chaleur peut également contenir une vanne 4 voies réversible. C’est la vanne qui permet l’inversion du cycle et donc de passer d’un mode de production de chaleur à un mode de climatisation de l’ambiance intérieure. Dans ce dernier cas, le fluide parcourt le système dans l’autre sens et la source froide devient la source chaude et inversement. Dès lors, l’évaporateur et le condenseur échangent aussi leur rôle (voir Figure 4).

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Figure 4 : Inversion du mode d’une pompe à chaleur grâce à une vanne 4 voies réversible (source : abcclimat.net)


Les sources froides

La source froide est le milieu dans lequel les calories sont puisées par la pompe à chaleur grâce à l’évaporateur. Pour ce faire, plusieurs techniques de récupération de chaleur existent et permettent de capter les calories dans l’air, l’eau ou le sol. Suivant le type de milieu dans lequel le capteur est placé, on parlera d’une pompe à chaleur aérothermique, hydrothermique ou géothermique. Chaque technique a ses propres avantages et inconvénients (voir Tableau 3) mais dans tout les cas une étude réalisée par un professionnel est nécessaire pour déterminer la plus adaptée à la situation.

Tableau 3 : Intérêts et contraintes des différentes sources de chaleur exploitables par une pompe à chaleur (Source : SPW)

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Les pompes à chaleur aérothermiques utilisent l’air comme source d’énergie. L’air est à la fois partout et son énergie est illimitée et gratuite mais il présente des variations de températures importantes. Toutefois, le climat tempéré belge permet des résultats corrects en regard de faibles investissements. Ce type de pompe à chaleur convient aussi bien en construction neuve qu’en rénovation. On distingue deux types de capteurs :

    • Le capteur air « dynamique » est composé de multiples ailettes écartées de quelques millimètres fixés aux tuyaux du fluide frigorigène. Un ventilateur brasse l’air pour favoriser l’échange thermique avec le fluide dans l’évaporateur. Un cycle de dégivrage automatique permet de se prémunir du gel qui, sous certaines conditions de température et d’humidité, apparait sur les ailettes et bouche le passage de l’air.
    • Le capteur air « statique » est de plus grande dimension et toujours constitué d’ailettes entre lesquelles l’air circule naturellement sans l’aide d’un ventilateur. Le dégivrage se fait naturellement lorsque l’évaporateur est placé sans entrave à l’ensoleillement et au passage de l’air.

Les pompes à chaleur hydrothermiques utilisent l’eau comme source d’énergie. Dans ce cas-ci, afin d’assurer la performance et la fiabilité de la pompe à chaleur, deux conditions doivent être vérifiées : le débit d’eau doit être suffisant tout au long de l’année et les caractéristiques physiques et chimiques de l’eau (pH, concentration en fer, en sulfate,…) doivent être satisfaisantes. L’eau peut être puisée en sous-sol dans une nappe phréatique ou en surface dans un lac, un étang ou un cours d’eau :

      • L’eau souterraine, de part sa température élevée et constante tout au long de l’année, est la source d’énergie la plus adéquate pour une pompe à chaleur. Néanmoins, les frais d’installations (puits de captage, électricité de la pompe,…) sont importants et son exploitation est strictement réglementée et soumise à autorisation.
      • L’eau de surface est moins avantageuse que l’eau souterraine même si elle garde une température relativement constante. On distingue comme pour l’air une exploitation « statique » ou « dynamique » suivant la position de l’évaporateur. Dans le premier cas, il se trouve noyé dans l’eau et, dans le deuxième, c’est l’eau qui est pompée juqu’à lui.
      • Les pompes à chaleur géothermiques utilisent la terre comme source d’énergie. La température du sol est variable sur ses premiers mètres surtout en fonction de la saison (voir Figure 3) mais elle se stabilise rapidement autour de 10-12°C. Ainsi, la terre offre une chaleur et une température quasi constante car elle n’est pas influencée par la température de l’air extérieur. Pour récupérer cette chaleur, des capteurs parcourus par un fluide (frigorigène ou eau glycolée) sont enterrés dans le sol horizontalement ou verticalement :
      • La captation horizontale nécessite en moyenne une surface de terrain 1,5 à 2 fois la surface chauffée. Plusieurs principes de pose sont à respecter : espacer les tuyaux d’au moins 40 cm entre eux pour éviter de trop refroidir le sol ; éviter les arbres à moins de 2 mètres et les fondations à moins de 3 mètres ; laisser la surface supérieur du terrain perméable pour assurer le renouvellement de la chaleur ; enterrer les tuyaux à environ 80 cm pour éviter la zone ou le sol gèle en hiver ; pour finir, remblayer la zone avec précaution pour éviter d’endommager les capteurs. Le potentiel du sol est estimé à 10 W/m² pour un sol sec et 40 W/m² pour un sol humide (selon la norme VDI 4640).
      • La captation verticale limite les contraintes de place mais est plus coûteuse à cause du forage. La sonde est composée de tubes en double « U » parcourus par de l’eau glycolée. Leur nombre et la profondeur dépendent des besoins de chauffage du bâtiment. Verticalement, on estime en effet le potentiel thermique du sol entre 25 et 80 W/m (selon la norme VDI 4640). Une fois les tuyaux insérés dans le forage, les interstices sont comblés avec un mélange de ciment et de bentonite (sorte d’argile) de manière à assurer la stabilité de la sonde et un bon transfère thermique.

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Figure 5 : Evolution de la température du sol selon la profondeur (source : Dimplex)

Les sources chaudes

Comme pour la source froide, la diffusion de la chaleur à l’intérieur du bâtiment peut s’effectuer suivant l’air, l’eau ou le sol. Ainsi, différentes techniques existent en fonction du choix de la source froide (voir Tableau 1). La première utilise l’air :

      • La diffusion d’air permet de restituer la chaleur puisée dans l’environnement extérieur à l’intérieur du bâtiment. Cette restitution peut ce faire de deux manières différentes : soit centralisée, un seul condenseur alimente un réseau de distribution aéraulique ou un plénum ; soit décentralisée, plusieurs ventilo-convecteurs chauffent les pièces pour un seul évaporateur extérieur (système « multi-split »). La faible inertie de l’air permet d’atteindre rapidement la température voulue mais amène aussi rapidement une sensation de froid à l’arrêt du système. En général, la diffusion d’air a l’avantage d’être discrète, d’offrir un confort optimal, d’assurer le chauffage ou le refroidissement quelques soit la température extérieure, de réguler les débits d’air et finalement, de filtrer, contrôler, déshumidifier et renouveler l’atmosphère intérieure.

Dans le cas de l’eau comme source chaude, le chauffage par une pompe à chaleur utilise idéalement des systèmes émetteurs fonctionnant à basse température comme les ventilo-convecteurs ou le plancher rayonnant. Ceci permettant d’élever le COP le plus possible. Sous certaines conditions, des radiateurs peuvent également être utilisés :

      • Les ventilo-convecteurs sont des sortes de radiateurs couplés à un ventilateur qui sont alimentés grâce à un réseau d’eau chaude (ou froide) par la pompe à chaleur pour chauffer (ou refroidir) les pièces d’un bâtiment. Le ventilateur permet un filtrage de l’air et une déshumidification en été. Leur grande réactivité et leur faible inertie thermique rendent possible des variations de températures rapides et donc un confort modulable pièce par pièce.
      • Le plancher rayonnant à basse température est un réseau de canalisations d’eau chaude produite par la pompe à chaleur qui parcourt le sol (dans une dalle de béton ou une chape anhydride) d’un bâtiment. Il permet de chauffer ou refroidir l’ambiance intérieure. À l’inverse de l’air, ce système présente une inertie thermique importante et limite ainsi les variations rapides de température. Des murs ou plafonds chauffant existent sur le même principe mais sont moins répandus dans le secteur résidentiel.
      • Les radiateurs sont alimentés par des canalisations d’eau chaude produite par la pompe à chaleur. Certaines pompes à chaleur sont compatibles avec un réseau de radiateur à haute température (55°C à 65°C) mais plus la température de la source chaude augmente plus le COP diminue. Des solutions basse température (45°C à 50°C) existent aussi mais, au contraire des ventilo-convecteurs, elles ne peuvent pas assurer le rafraichissement du bâtiment. Donc, dans le cas d’une rénovation avec la réutilisation du réseau et des radiateurs, comme dans le cas d’une nouvelle construction des vérifications du dimensionnement et des régimes de températures doivent être réalisées pour assurer le rendement optimal.

Finalement, un dernier système utilise le sol comme source chaude :

      • Le plancher rayonnant à détente direct fonctionne de la mêle façon qu’un chauffage au sol mais c’est le fluide frigorigène de la pompe à chaleur qui parcourt directement les conduites à la place de l’eau. Ainsi, ce système constitue directement le condenseur.

Avantages et inconvénients des pompes à chaleur

La pompe à chaleur présente de nombreux avantages (AFPAC, 2014 ; Rognon et phillips, 2009) :

      • Elle permet de s’affranchir en partie des énergies fossiles : elle ménage les réserves limitées de ces combustibles ; elle ne dépend pas de l’évolution des prix pétroliers ; elle libère l’espace occupé par les citernes ; elle réduit les transports de mazout et de gaz, et les risques de pollution et d’accident qu’ils représentent.
      • Il s’agit d’un système de chauffage performant : il s’adapte sur tous les types de chauffages existants ; il possède une durée de vie de plus de 15 ans ; il ne nécessite pas de cheminée, pas de ramonage ni de contrôle du chauffage ; pour terminer, il accroît la valeur ajoutée de l’immobilier et favorise l’innovation.
      • Finalement, comme déjà dit plus haut, c’est une énergie renouvelable disponible partout qui ne pollue pas l’environnement grâce à une réduction de la consommation d’énergie et une diminution des émissions de CO2 et, en plus, l’énergie est rendue à sa source.

Néanmoins, plusieurs points sont à prendre en compte dans l’étude des pompes à chaleurs : la nocivité du fluide frigorigène pour l’environnement, les frais d’installation et d’utilisation peu avantageux et, pour finir, les différentes nuisances acoustiques dues aux dispositifs d’une pompe à chaleur.

La nocivité des fluides frigorigènes

Le fluide frigorigène d’une pompe à chaleur est l’élément essentiel pour transférer les calories de la source froide à la source chaude. C’est lui qui assure le bon fonctionnement du processus. Toutefois, certains fluides ont des impacts négatifs sur l’environnement comme l’appauvrissement de la couche d’ozone et provoque des émissions de CO2. En effet, la majorité des fluides utilisés contiennent des atomes de chlore et, par exemple, les molécules des CFC (chaines carbonées fluorochlorées) utilisées comme fluide frigorigène sont 20 000 fois plus destructrices de la couche d’ozone que de simples molécules de dioxyde de carbone (eF4, 2009). Ainsi, les fluides frigorigènes font l’objet d’une réglementation stricte et d’un contrôle législatif depuis le Protocole de Montreal de 1987. Cette législation vise à arrêter la production et l’utilisation des CFC (chaines carbonnées fluorochlorées) et des HCFC (hydrochlorofluorocarbures) et à les remplacer progressivement par des HFC (hydrofluorocarbures). Ces derniers, ne contenant pas de chlore, n’ont pas d’effet direct sur la couche d’ozone, sont ininflammables et non toxiques. Par contre, dans une moindre mesure, ils participent tout de même à l’effet de serre et il est donc probable que leur usage soit légiféré dans les années à venir (eF4, 2009).

D’autres fluides existent et sont aussi utilisés dans le domaine des pompes à chaleur comme les hydrocarbures (propane, butane et isobutane) ou les composés inorganiques (CO2, eau et ammoniac). Les premiers sont inoffensifs pour l’environnement et ont de bonnes propriétés thermodynamiques mais sont inflammables et explosifs. Des mesures de sécurités doivent donc être prises. Les seconds sont aussi inoffensifs pour l’environnement et facilement disponibles mais : le dioxyde de carbone n’a pas de bonnes capacité thermodynamique ; l’eau ne permet pas de produire du froid sans consommer de grandes quantités d’énergie et nécessite un évaporateur très grand dû à sa masse volumique importante ; l’ammoniac est toxique, corrosif et inflammable dans certaines conditions (eF4, 2009).

Le coût d’investissement et d’utilisation

Théoriquement, l’utilisation d’une pompe à chaleur comme système de chauffage permet de réaliser des économies puisque la majeure partie du besoin de chaleur est fourni par une source gratuite : l’environnement. Néanmoins, la partie restante est couverte par l’énergie électrique, soit pour un prix en c€/kWh 2 à 5 fois supérieur que des combustibles comme le gaz naturel, le mazout ou le bois. Ainsi, le coût d’utilisation annuel, malgré la performance du système, reste dans la même tranche que celui des systèmes plus traditionnels tels que les chaudières et les poêles. De même, le coût d’investissement va être 3 à 5 fois supérieur à un appareil de production de chaleur classique (Obyn, 2012).

Les nuisances sonores

La pompe à chaleur est une machine et certains éléments comme le compresseur avec son moteur, les capteurs d’air dynamique ou encore les tuyaux d’air génèrent du bruit qui peut représenter une nuisance pour l’environnement extérieur ou intérieur. Toutefois, certaines règles d’implantation et de conception peuvent être appliquées pour se prémunir de ces nuisances. Ainsi, il faudra faire attention (AFPAC, 2013a et 2013b) :

      • À l’emplacement : pour éviter la réflexion et l’accentuation du bruit (émis ou reçu), il faut éviter au maximum les angles et cours intérieures qui vont réfléchir le bruit de même qu’éviter de placer la PAC sous une fenêtre qui a une moins bonne isolation acoustique que le mur et qui peut, en plus, être ouverte.
      • À l’orientation : pour éviter de diriger les nuisances acoustiques vers les constructions voisines, il faut s’éloigner des limites de propriétés et ne pas orienter les ventilations vers les voisins.
      • Au support : pour éviter la transmission des vibrations par le support, deux cas sont possibles : soit grâce à un socle en béton qui apportera un socle d’inertie ; soit grâce à un châssis métallique (type chaise) très rigide, lourd et robuste qui est ancré sur un mur porteur. Dans les deux cas, des dispositifs anti-vibrations (plots sous le socle ou sur la chaise) seront également utiles.
      • Au réseau et tuyaux : pour éviter les turbulences du fluide, il faut respecter certains principes de conception comme favoriser les connections en « Y » plutôt qu’en « T » et proscrire les changements brusques de diamètre ; pour éviter les transmissions des vibrations, il faut prévoir un matériau souple et résistant pour les traversées de parois et un support antivibratile pour les fixations. Diverses recommandations spécifiques existent suivant qu’il s’agisse de tuyaux d’eau, de fluide frigorifique ou d’air.

Dans le cas où ces principes ne peuvent être appliqués ou ne suffisent pas à réduire les nuisances sonores, des dispositifs d’atténuation acoustique peuvent être installés tels que des écrans ou murs anti-bruit, des matériaux absorbants, un encoffrement, etc. Aussi, pour réduire l’impact sur le voisinage, des dispositifs d’intégration (haies, canisses, …) sont toujours bénéfiques.


Comment choisir une pompe à chaleur ?

Comme pour n’importe quelle énergie renouvelable, il convient, avant de penser à installer une pompe à chaleur, de réduire sa consommation d’énergie en ayant des comportements responsables vis-à-vis de l’énergie et en isolant correctement son logement. L’installation d’une pompe à chaleur nécessite de maitriser bon nombre de paramètre et elle sera donc plus aisée dans une nouvelle construction que lors d’une rénovation. Dans tous les cas, pour déterminer le système le plus adéquat à la situation, plusieurs questions sont donc à se poser (source : SPW) :

Quel mode de captation est applicable dans votre cas ?

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Dans le cas d’une nouvelle construction, quel type d’émetteurs de chaleur est prévu dans votre bâtiment ?

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Dans le cas d’une rénovation, quel type d’émetteur de chaleur est prévu dans votre bâtiment ?

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Quel est le mode de fonctionnement le mieux adapté à votre situation ?

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Quel est votre budget ?

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Une fois le choix du système de pompe à chaleur réalisé, il convient de faire appel à des professionnels pour validé sa faisabilité et, évidemment, pour la phase de dimensionnement et d’installation. Le dimensionnement de la puissance de chauffe nécessaire peut se faire aisément sur base des besoins thermiques du bâtiment et des graphiques fournis par les fabricants qui expriment les performances de la pompe à chaleur en fonction de la température de la source froide.


Références

      • AFPAC [2012]. La pompe à chaleur au cœur de votre confort, Association Française pour les Pompes A Chaleur, janvier 2012.
      • AFPAC [2013a]. Pompes à chaleur & environnement acoustique, Fiche technique n°1, Commission acoustique de l’AFPAC, Association Française pour les Pompes A Chaleur, octobre 2013.
      • AFPAC [2013b]. Pompes à chaleur & recommandations d’installation, Fiche technique n°2, Commission acoustique de l’AFPAC, Association Française pour les Pompes A Chaleur, octobre 2013.
      • AFPAC [2014]. Association Française pour les Pompes A Chaleur : http://www.afpac.org/, consulté en juin 2014.
      • eF4 [2009]. Energie Facteur 4 Asbl, Facilitateur pompes à chaleur pour la Région wallonne : http://www.ef4.be, consulté en mai 2014.
      • Energie+ [2013]. Energie+, version 8, Architecture et Climat, Université catholique de Louvain (Belgique) 2013, réalisé avec le soutien de la Wallonie - DGO4 - Département de l’Énergie et du Bâtiment Durable. Disponible sur : http://www.energieplus-lesite.be
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Architecture et Climat

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