Pompes à chaleur

Pour schématiser, le principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur s’apparente à celui du réfrigérateur. Elle prélève de l’énergie dans un milieu (l’intérieur du réfrigérateur, le sous-sol, l’air extérieur…) et elle restitue cette énergie dans un autre milieu à une température plus élevée (échangeur extérieur sur le dos du réfrigérateur, radiateurs, plancher chauffant… ).

Principe des pompes à chaleur - PAC (source   : site Géothermie-perspectives)

Une pompe à chaleur est un système thermodynamique dont le principe consiste à transférer des calories d’un milieu (l’intérieur du réfrigérateur, le sous-sol, l’air extérieur…) vers un autre milieu (échangeur extérieur sur le dos du réfrigérateur, radiateurs, plancher chauffant…,) à un niveau de température supérieur. Ce transfert se fait via un fluide caloporteur (fluide frigorigène) et ne peut se réaliser que s’il y a apport d’énergie sous forme de travail (dans le cas des PAC à compression).
Il existe deux grandes familles de pompes à chaleur : les pompes à chaleur à compression et les pompes à chaleur à absorption (utilisation moins répandue).
La pompe à chaleur à compression capte les calories naturellement présentes dans l’environnement (air, sol, eau…) grâce au fluide caloporteur (à faible point d’ébullition) au niveau de l’évaporateur. Le fluide change d’état et se transforme en vapeur. Le compresseur comprime cette vapeur, augmentant ainsi sa température. C’est au niveau du condenseur que la vapeur transmet sa chaleur au milieu à chauffer en se condensant. La température du condenseur s’abaisse ainsi fortement le rendant prêt pour une nouvelle absorption de chaleur et le cycle peut recommencer.

Principe de fonctionnement d'une PAC à compression (©ADEME-BRGM)"
Principe de fonctionnement d’une PAC à compression (©ADEME-BRGM)

Une pompe à chaleur permet de produire :

  • du chaud pour assurer le chauffage et/ou de l’eau chaude sanitaire. Les PAC permettant d’atteindre des températures de 65°C sont dites « à haute température »,
  • du froid, c’est la pompe à chaleur dite « réversible » car il est alors possible d’inverser le cycle du fluide frigorigène. Pour assurer cette fonction, la pompe à chaleur est équipée d’une vanne d’inversion de cycle. Le condenseur devient évaporateur et l’évaporateur devient condenseur,
  • simultanément du chaud et du froid, c’est la thermofrigopompe.

A noter, en by-passant la pompe à chaleur, il est possible de produire du rafraîchissement par géocooling (ou freecooling), la température du sous-sol est « directement » transmise au fluide circulant dans les émetteurs avec interposition d’un échangeur de chaleur.

Les différents types d’installations

Il existe 3 types principaux d’installations :

  • les sondes horizontales
  • les sondes verticales
  • les pompes à chaleur sur aquifère  

Sondes géothermiques horizontales (source   : site Géothermie-perspectives)

Les échangeurs (ou capteurs horizontaux) permettent une installation rapide et à moindre coût, mais ils nécessitent une surface importante de terrain à mobiliser. Ils sont constitués de tubes de polyéthylène ou de cuivre gainés de polyéthylène installés en boucles enterrées horizontalement à faible profondeur (de 0,60 m à 1,20 m). Dans ces boucles, l’eau additionnée d’antigel ou le fluide frigorigène, suivant le type de pompe à chaleur, circule en circuit fermé.

Chiffres clés : pour une maison de 150 m2, les échangeurs occuperont entre 150 m2 de votre jardin, s’il s’agit d’une maison BBC, et 300 m2 pour une maison traditionnelle.

Sonde géothermique horizontale : réglementation et réglementation (©ADEME-BRGM)"
Sonde géothermique horizontale : réglementation et réglementation (©ADEME-BRGM)

Sondes géothermiques verticales (source   : site Géothermie-perspectives)

Ce système exploite par échange la chaleur du sous-sol à des profondeurs de plusieurs mètres.
Au-delà de 100 m, une autorisation administrative est requise. Généralement, leur profondeur n’excède pas cette limite.
Les sondes ne nécessitent pas la mobilisation d’un aquifère   et sont donc applicables pratiquement partout. L’échangeur enterré dans le sous-sol est constitué d’une ou de plusieurs sondes verticales composées en général de deux tubes en U en matériaux synthétiques placés dans le forage  . Le contact entre le capteur et le sous-sol se fait par l’intermédiaire d’un mélange de ciment et de bentonite appelé « cimentation ». La réalisation de la cimentation est donc une opération cruciale pour la bonne performance de l’installation et la protection des aquifères traversés.
Ces capteurs enterrés verticaux sont parcourus par un liquide antigel, mis en mouvement par une pompe de circulation.

Chiffres clés : deux sondes géothermiques de 60 m de profondeur conviennent pour chauffer une maison de 100 m2 habitables.

Sonde géothermique verticale : principes et usages (©ADEME-BRGM)"
Sonde géothermique verticale : principes et usages (©ADEME-BRGM)

Pompe à chaleur sur aquifère   (source   : site Géothermie-perspectives)

La géothermie   sur aquifère   consiste à pomper l’eau d’une nappe souterraine   par l’intermédiaire d’un ou de plusieurs forages pour l’acheminer jusqu’à la pompe à chaleur afin d’en prélever les calories, avant de la réinjecter dans l’aquifère   par l’intermédiaire d’un ou de plusieurs autres forages.
Cette solution est plutôt indiquée pour les bâtiments résidentiels collectifs et à usage tertiaire car c’est le plus performant des systèmes géothermiques. Cependant, il est le plus complexe à installer : il nécessite des précautions d’installations pour éviter les mises en connexion d’aquifères et un entretien régulier par des professionnels.

Pompe à chaleur sur aquifère : principes et usages (©ADEME-BRGM)"
Pompe à chaleur sur aquifère : principes et usages (©ADEME-BRGM)

Pour en savoir plus :

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