Géothermie - Pompes à chaleur

Cf diaporama de la conférence du 10/12/2015 "Comment choisir une pompe à chaleur"
par Renaud Peisieu, conseiller Info Energie de l'ASDER.

Il est aussi possible de l'écoutez dans l'émission des Experts de ce mardi 8 décembre 2015.

 

1. Comment ça marche ?
2. Les différents types de COP
3. Comment améliorer le COP de sa pompe à chaleur ?
4. Aérothermie
5. Géothermie
6. PAC et eau chaude sanitaire
7. Des PAC adaptées aux maisons très basse consommation ou passives
8. Un impact environnemental non négligeable


1. Comment ça marche ?

Une PAC est une installation qui permet d’extraire des calories dans le milieu extérieur (air, sol, eau) appelé source froide et de les transférer à l’intérieur d’un bâtiment par l’intermédiaire d’un échangeur de chaleur (air, plancher chauffant, radiateur) appelé source chaude. Le transfert de chaleur s’effectue au travers d’un fluide frigorigène en circuit fermé. C’est le changement d’état du fluide, de l’état liquide à gazeux, qui permet la récupération de chaleur. Cela fonctionne sur le même principe qu’un réfrigérateur mais en sens inverse.

Pac

Le rapport entre l’énergie consommée et l’énergie thermique fournie par la PAC est appelé le coefficient de performance (ou COP). En effet, le compresseur fonctionne avec de l’électricité : si pour chaque kWh électrique consommé par celui-ci, le système émet 3 kWh thermiques (chaleur) dans le bâtiment, alors on dit qu’il a un COP de 3.

COP= kWh thermique / kWh électrique conseommé

L’objectif est donc d’avoir un COP le plus élevé possible.

Ci-dessous l’évolution du COP en fonction de la température de la source froide et de la température d’eau à chauffer (35°C correspondant aux départs basse température type plancher chauffant ou radiateurs basse température, 50°C pour les radiateurs haute température):

Pac

2. Les différents type de COP :

Le COP annoncé par le construc¬teur est calculé en condition normalisée de laboratoire. C’est celui-ci qui est demandé pour les critères d’obtention du crédit d’impôt. Il vous permettra aussi de comparer les performances des systèmes proposés par les installateurs.
Dans la réalité, il varie tout le temps en fonction des besoins de la maison et de la température de la source froide (air, eau, sol). Par exemple si on puise l’énergie dans l’air, la température oscillera considérablement tout au long de la saison de chauffe faisant varier du même coup le COP instantané.
Pour connaître la future consommation de chauffage, il faut connaître le COP moyen sur la saison de chauffe. Ci-dessous ceux fournis par l’ADEME issus d’une étude de relevés sur des installations.

COP

Pour une future installation, le COP peut être évalué par un bureau d’étude en fonction de l’appareil choisi, des caractéristiques de la maison et des conditions de la source froide (conditions météo pour l’aérothermie, l’étude de sol pour la géothermique et la ressource en eau pour l’aquathermie.)

Un mauvais fonctionnement de la pompe à chaleur peut passer inaperçu avant la prochaine facture (le compresseur travaillera plus et donc consommera davantage). Pour éviter ce problème, l’ASDER vous conseille d’équiper votre installation d’un compteur électrique dédié et d’éventuellement d’un compteur de calories distribuées sur le réseau de chauffage pour connaître le COP exact de votre installation.

3. Comment améliorer le COP de sa pompe à chaleur ?

Le COP est fonction de la différence de température entre la source froide et la source chaude : plus cette différence est faible, plus le COP est élevé. On cherche donc à augmenter la température de la source froide et à diminuer la température de la source chaude.
Comment faire ?

1.Diminuer la température du système d’émission de chaleur (source chaude)

  • lors d’une construction : faire le choix d’un plancher chauffant basse température (température de fonctionnement aux alentours de 35°C contre 60°C environ avec des radiateurs classiques).
  • lors d’une rénovation : effectuer des travaux sur l’isolation afin de diminuer la température d’émission des radiateurs existants.

S'orienter vers une PAC omyenne ou basse température qui offrira un COP plus performant.

2. Dimensionner la puissance du compresseur

Le rendement de la PAC est d’autant meilleur que les cycles de fonctionnement du compresseur sont longs, il faut donc choisir un compresseur adapté aux besoins de chauffage de la maison.

Dans le cas d’un système d’émission à faible inertie (radiateurs; ventilo-convecteur) ou pour pouvoir gérer 2 zones (radiateurs + Plancher Chauffant), l’installation d’un ballon tampon peut permettre d’allonger ces plages de fonctionnement et ainsi d’augmenter le COP.

Effectuer au préalable un bilan thermique afin de connaître la puissance nécessaire au logement.


3. Optimiser la source froide

Les calories peuvent être puisées soit :

- dans l’air extérieur ou l’air extrait sur VMC ? aérothermie,
- dans le sol par des capteurs horizontaux ou verticaux  ? géothermie
- dans l’eau de la nappe ? l’aquathermie

Au vu du climat de la Savoie, il faut être vigilant vis à vis des PAC aérothermiques dont la source froide est l’air extérieur, en effet, même si les technologies ont évolué et permettent désormais de fonctionner par températures négatives, le COP moyen ne sera pas optimal en altitude où les températures froides pénalisent les performances du système.
Les systèmes dans lesquels la source froide est à température plus stable (calories de la nappe phréatique ou du sol par forage vertical) obtiennent des COP plus élevés.

4. L’aérothermie :

Aujourd’hui il existe 3 principales technologies d’aérothermie indiquées ici par ordre croissant de performance :

« Inverter » : le compresseur est alimenté en intensité variable permettant :

  • d’adapter la puissance en fonction de « l’offre et de la demande » (meilleur COP, jusqu’à 40% d’économie d’énergie par rapport à un système aérothermique standard ON/OFF)
  • de diminuer la puissance appelée au démarrage, limitant ainsi les chutes de tensions sur le réseau EDF
  • de limiter les arrêts et redémarrage fréquents

Ce système maintient la puissance jusqu’à une température extérieure de –7°C sans appoint. Les limites de fonctionnement de la PAC sont repoussées jusqu’à -15°C extérieur, avec perte de puissance.

Cette technologie courante doit être l’option minimum. En cas de température négative, elle peut nécessiter un appoint.

« Power Inverter » :

Par un système de double détente du fluide frigorigène, il permet de récupérer plus de calories pour une même consommation d’électricité. Le COP est donc meilleur (+10% en moyenne par rapport à un système Inverter classique)

Cette technologie fonctionne de manière autonome jusqu’à –7°C puis avec appoint jusqu’à –15°C.

Technologie EVI ou Zubadan :

Ce système permet de se passer d’appoint jusqu’à –15°C et de fonctionner jusqu’à –25°C.
Attention cette technologie, vendue pour être adaptée à nos climats, est cependant gourmande en énergie lorsque les températures extérieures chutent puisque le COP diminue avec la température extérieure.

Pour en savoir plus : http://www.abcclim.net/

5. La géothermie :

La température de la terre est normalement régénérée par le rayonnement solaire intense en été, et la chaleur transmise par l’air chaud et la pluie.

Pac

Sur le graphe ci-dessous : les cycles quotidiens se font sentir à une profondeur de pénétration d’environ 0,5 à 1,0 mètre de profondeur.
Les cycles mensuels se font sentir à environ 3 mètres de profondeur et les fluctuations
annuelles à environ 9 mètres.

Il est primordial que la source froide (le sol ou l’eau de nappe) puisse fournir suffisamment de calories tout au long de l’année mais aussi puisse se régénérer en énergie. Pour cela, afin d’éviter les erreurs coûteuses, il est indispensable de faire appel à un bureau d’étude spécialisé pour le dimensionnement de la boucle de captage ainsi que pour vérifier la compatibilité du sol pour de la géothermie horizontale (de l’ordre de 500 à 1000€ pour l’étude de sol).

Comment procéder :

1. Tout d’abord, réaliser un Bilan thermique. Il sert à dresser un état des lieux, à préconiser des solutions de maîtrise de l’énergie et à dimensionner la puissance de chauffage voire les futures consommations. Il peut être réalisé par l’installateur, par  l’ASDER ou plus de manière plus approfondi par un Bureau Thermique spécialisé (liste disponible).

2. Déterminer le système approprié  sur air, eau ou sol. Pour cela vous pouvez vous renseigner :

3. sur le site http://www.geothermie-perspectives.fr Pour connaître la ressource de votre terrain, ( bientôt disponible) dans la rubrique la géothermie en région. Pour connaître en détail les caractéristiques du sol de votre région, vous pouvez également consulter le site http://www.brgm.fr/cartegeol.jsp

4. faire appel à un bureau d’étude spécialisé pour réaliser une étude liste disponible

5. Réaliser plusieurs devis, l’ASDER met à votre disposition une liste des points de vigilance afin d’affiner votre cahier des charges auprès de l’artisan.

6. Suivre et entretenir les éléments de votre installation :

  • pour l’aérothermie : Nettoyer les ailettes de l’échangeur extérieur 1 à 2 fois / an en rinçant à l’eau. Pour les PAC air/air : nettoyage des grilles et des gaines de ventilation tous les 3 mois
  • pour toutes les installations : réaliser le contrôle réglementaire d’étanchéité du circuit frigorigène suivant la contenance en fluide de l’installation au delà de 2 kg de charge : contrôle d’étanchéité annuel

6. PAC et eau chaude sanitaire

L’eau chaude sanitaire peut être réalisée soit :

  • par une PAC chauffage avec un complément électrique,
  • par une PAC dédiée appelée chauffe eau thermodynamique
  • par une PAC haute température assurant le chauffage et l’eau chaude sanitaire : Attention, ce système n’est pas conseillé lorsque le système d’émission de chauffage est en basse température (environ 35 C°), car cela consistera à surdimensionner la PAC uniquement pour les besoins d’eau chaude (60 C°) ce qui engendrera un moins bon COP.

7. Des PAC adaptées aux maisons très basse consommation ou passives

Des systèmes de PAC peuvent être couplées à une VMC double flux et permettre le chauffage du logement en finissant de réchauffer l’air neuf impulsé dans celui-ci. La source froide sera l’air extrait de l’habitat. De tels systèmes même s’ils offrent un COP élevé sont réservés à des bâtiments très isolés nécessitant une faible puissance (de l’ordre de quelques kW) car le fonctionnement et l’énergie fournie par la PAC sont limités par le débit d’air extrait.

8. Un impact environnemental non négligeable

Tout d’abord, une PAC ne peut être considérée comme une énergie renouvelable car elle nécessite de l’électricité (pour le compresseur), énergie réalisée en France à prés de 90 % par des sources d’énergies fissiles ou fossiles non renouvelables (uranium, pétrole, gaz, charbon).

D’autre part, pour chaque kWh électrique distribué, il aura fallu prés de 3 kWh d’énergie pour sa production, lié au rendement des centrales nucléaires ou thermiques et aux pertes de distribution lors du transport. Pour être valable énergétiquement, il faudra donc que le COP moyen soit bien supérieur à 3 ** (Cf les PAC concernées dans le tableau ci-dessus).

Ensuite, en hiver,  une partie de l’électricité est fabriquée par des centrales thermiques (fuel, gaz, charbon) en France ou de pays voisins fortement émettrices de CO² (les centrales nucléaires ne peuvent fournir toute l’électricité à ces périodes de pointe). Une PAC aura donc alors un impact négatif sur l’effet de serre.

Enfin, la plupart des PAC contiennent un fluide frigorigène ayant un pouvoir de gaz à effet de serre allant de 1300 à 3600 fois plus élevé que le CO2. Des fuites de ce fluide peuvent être constatées tout au long de sa vie (de 3 à10 % suivant le système) et lors de son recyclage (25 %).

 

Plaquettes d'information

Site ADEME : guide pratique