Les pompes à chaleur produisent du chauffage grâce à l'énergie thermique présente dans l'environnement
Date de publication : 01.08.2023 | Durée de lecture : 8 minutes
Le réchauffement de la planète et le changement climatique sont liés à l'effet de serre, causé notamment par les émissions de CO2.
Il est devenu impératif de réduire les émissions de gaz à effet de serre tels que les gaz fluorés, le méthane, l'oxyde nitreux et le dioxyde de carbone (CO2). Le dioxyde de carbone en particulier, que de nombreux systèmes de chauffage émettent en brûlant des combustibles fossiles comme le charbon, le pétrole ou le gaz naturel, contribue de manière notable au réchauffement de la planète et au changement climatique.
Il est donc urgent de trouver des solutions de remplacement respectueuses de l'environnement ou neutres sur le plan climatique, fonctionnant à partir de sources d'énergie renouvelables. Les pompes à chaleur destinées au chauffage domestique en font partie. Mais qu'est-ce qu'une pompe à chaleur, comment fonctionne-t-elle et est-elle vraiment moins polluante ? Vous trouverez des réponses à ces questions et de plus amples informations sur les pompes à chaleur dans la suite de cet article.
L'air, le sol et l'eau contiennent de la chaleur, qu'il est possible d'utiliser pour se chauffer. Cette chaleur provient du rayonnement solaire et du noyau de la Terre. Malheureusement, à l'exception des geysers islandais, l'énergie thermique disponible n'est pas directement utilisable pour le chauffage. En effet, les températures de l'air, de l'eau ou du sol pendant la saison de chauffage sont souvent nettement inférieures aux 20 degrés Celsius nécessaires.
Des compétences techniques sont requises pour garantir que le processus de chauffage fonctionne, qu'il est efficace et respectueux de l'environnement. Par exemple, les pompes à chaleur air-eau (1) sont utilisées pour augmenter (3) le niveau de l'énergie thermique présente dans l'air (2).
La température élevée ou l'augmentation de température ainsi obtenue est ensuite transmise au circuit d'eau d'un système de chauffage (4). Il est ainsi possible de chauffer facilement et efficacement des pièces, des bâtiments entiers ou même des piscines.
L'ingéniosité de ce système réside dans le fait qu'une grande partie de l'énergie de chauffage provient directement de l'environnement. Seule l'énergie électrique nécessaire à la pompe (5), idéalement produite à partir de sources d'énergie renouvelables, influe sur le coût.
Les pompes à chaleur ne sont pas une invention du 21e siècle, elles existent depuis plus de 100 ans. En effet, un réfrigérateur ou un congélateur est une pompe à chaleur. La seule différence est que les réfrigérateurs utilisent le froid généré à l'intérieur de l'appareil et non la chaleur résiduelle générée à l'arrière. Pour mieux comprendre le fonctionnement d'une pompe à chaleur, voyons d'abord comment fonctionne un réfrigérateur à compresseur.
Fonctionnement d'un réfrigérateur à compresseur
Un réfrigérateur possède un circuit de réfrigération fermé contenant un réfrigérant gazeux ou liquide comme l'isobutane. L'isobutane ou R600a a un point d'ébullition très bas et s'évapore à une température de -11,5 °C.
Le réfrigérant gazeux (1) est mis sous pression à l'aide d'un compresseur (2) situé à l'extérieur de l'espace à refroidir. Au cours de ce processus, le réfrigérant chauffe jusqu'à environ 60 à 100 °C en raison de l'effet Joule-Thomson. Le réfrigérant chaud et sous pression est dirigé vers un circuit de réfrigération ou un échangeur de chaleur (3) situé sur la paroi arrière du réfrigérateur. L'énergie thermique y est simplement libérée dans l'air ambiant.
Comme la température d'ébullition du réfrigérant sous pression est nettement supérieure à -11,5 °C, il se condense dans la boucle de réfrigération et devient liquide. C'est pourquoi les experts appellent également la boucle de réfrigération condenseur.
Le réfrigérant liquide s'écoule ensuite dans un tube capillaire jusqu'à l'intérieur du réfrigérateur (Inside). Le tube capillaire sert de soupape d'étranglement ou de détente (4) qui réduit la pression et permet une pulvérisation fine du réfrigérant. Les tuyaux de l'évaporateur en aval (5) offrent suffisamment d'espace pour que le réfrigérant revienne à l'état gazeux en réduisant la pression. L'énergie thermique nécessaire à l'évaporation (refroidissement par évaporation) est extraite de l'intérieur du réfrigérateur par l'évaporateur, qu isert d'échangeur de chaleur. Après l'évaporateur, le réfrigérant gazeux est renvoyé au compresseur pour que le cycle puisse recommencer. La température est contrôlée par un thermostat, qui active ou désactive le compresseur dans une certaine plage de température.
Fonctionnement d'une pompe à chaleur
Une pompe à chaleur possède également un circuit de réfrigération fermé avec un réfrigérant, deux échangeurs de chaleur et un compresseur. Mais à la différence d'un réfrigérateur, une pompe à chaleur a pour but d'augmenter la température et non de la faire baisser.
Pour cela, le réfrigérant gazeux (2) est comprimé à l'aide d'un compresseur (1). Le réfrigérant chaud et pressurisé est amené vers le premier échangeur de chaleur ou condenseur (3).
Cet échangeur de chaleur comporte des tuyaux pour un circuit de chauffage (4) en plus des tuyaux pour le réfrigérant.
Les deux systèmes de tuyauterie sont interconnectés thermiquement. Cela permet de transférer efficacement la chaleur du réfrigérant comprimé au circuit de chauffage avec un système de distribution et de stockage de la chaleur. .
Le réfrigérant refroidi et devenu liquide est acheminé par une soupape d'étranglement (5) vers le deuxième échangeur de chaleur, évaporateur ou système de source de chaleur (6). Outre les conduites pour le réfrigérant, il existe également des conduites à couplage thermique pour le circuit de réfrigération (7) dans l'évaporateur. Le circuit de refroidissement est généralement rempli d'antigel et d'eau et peut compenser le froid généré lors de l'évaporation dans l'évaporateur par la chaleur ambiante. De cette manière, une pompe à chaleur permet, comme effet secondaire positif, un refroidissement de l'environnement. Le fluide frigorigène, redevenu gazeux, est dirigé vers le compresseur, ce qui achève le cycle.
Il existe différents types de pompes à chaleur, en fonction du milieu dont est extraite l'énergie nécessaire au chauffage.
Pompes à chaleur air/eau
Dans une pompe à chaleur air-eau ou une pompe à chaleur à air (voir croquis A), l'air ambiant sert de source de chaleur. Des unités séparées sont parfois placées à l'extérieur, là où sont installés le compresseur, l'évaporateur et le ventilateur ; le condenseur avec la pompe de circulation et les éléments de contrôle sont à l'intérieur de la maison. Les pompes à chaleur air-eau peuvent fonctionner de manière économique jusqu'à une température de l'air de -20 °C.
Notre sélection de pompes à chaleur air/eau
Pompe à chaleur sur nappe phréatique
Les pompes à chaleur sur nappe phréatique, également appelées pompes à chaleur géothermiques ou pompes à chaleur à eau glycolée, utilisent la chaleur naturelle de la terre comme source d'énergie. Pour cela, il faut enterrer des collecteurs souterrains (voir croquis B) près de la surface ou forer en profondeur (40 à 100 m) (voir croquis C). Les travaux d'installation sont beaucoup plus importants, mais les températures plus élevées de la terre permettent généralement d'obtenir un meilleur rendement de la pompe à chaleur.
Pompe à chaleur eau/eau
Une pompe à chaleur eau/eau (voir croquis D) utilise les eaux souterraines comme source de chaleur. Pour cela, les pompes à chaleur sur nappe phréatique nécessitent un puits d'aspiration pour extraire l'eau et un puits de drainage pour renvoyer l'eau dans la nappe phréatique.
La température de l'eau souterraine étant constante tout au long de l'année, ces systèmes peuvent fonctionner de manière très efficace quelle que soit la saison. Toutefois, dans de nombreux endroits, l'utilisation des eaux souterraines est soumise à autorisation.
Pompes à chaleur air/air
Une pompe à chaleur air-air utilise l'air extérieur ou l'air extrait de la maison comme source de chaleur. Contrairement à une pompe à chaleur air-eau, la chaleur n'est pas transférée vers un circuit de chauffage rempli d'eau, mais vers un système de ventilation. Les pompes à chaleur air-air sont idéales pour les maisons passives et les bâtiments à haute efficacité énergétique, dans lesquels il faut installer un système de ventilation avec récupération de chaleur.
Pompes à chaleur à eau chaude
Une pompe à chaleur à eau chaude ou pompe à chaleur pour eau sanitaire est spécifiquement conçue pour produire de l'eau chaude sanitaire en utilisant l'air ambiant et la technologie de la pompe à chaleur. La pompe à chaleur et le réservoir d'eau constituent souvent une seule unité. Certaines pompes à chaleur pour eau chaude sont dotées d'éléments chauffants supplémentaires qui permettent d'augmenter considérablement la température de l'eau chaude sanitaire, déjà élevée (environ 65 °C), si nécessaire. Il existe également des pompes à chaleur à eau chaude dotées de raccords supplémentaires pour capteurs solaires.
Nos recommandations de produits pour les pompes à chaleur pour eau chaude
Compléter une pompe à chaleur par des capteurs solaires
Bien entendu, il est possible de compléter et de soutenir efficacement une pompe à chaleur avec des capteurs solaires. Dans ce cas, les capteurs solaires peuvent être utilisés directement pour produire de l'eau chaude ou, à basse température, pour augmenter le niveau d'énergie de la source de chaleur. Les possibilités à cet égard sont si variées qu'il est judicieux de confier la planification à des experts.
La technologie des pompes à chaleur peut être utilisée à la fois pour chauffer et refroidir les maisons et les bâtiments. En raison des étés de plus en plus chauds, les systèmes de climatisation équipés de la technologie des pompes à chaleur fleurissent sur les murs des maisons. Il est également possible de les utiliser de manière mobile, dans des véhicules par exemple.
Les appareils ménagers actuels fonctionnent également avec cette technologie intelligente. Les sèche-linge nécessitent une quantité relativement importante d'énergie électrique. Pour réduire la consommation d'électricité tout en conservant les mêmes performances de séchage, les sèche-linge modernes fonctionnent avec une pompe à chaleur. Avec ce type d'appareil, il n'est pas nécessaire de chauffer en permanence de l'air qui est ensuite simplement rejeté dans la pièce ou l'environnement une fois le séchage terminé. Au contraire, l'air de séchage est constamment réutilisé au cours du cycle et chauffé et refroidi par la pompe à chaleur intégrée.
Les pompes à chaleur offrent de nombreux avantages, mais présentent aussi certains inconvénients. D'une part, leur avantage majeur tient au fait que l'essentiel de l'énergie thermique extraite provient de l'environnement et est donc disponible en quantité illimitée. Si l'électricité qui alimente le compresseur est produite à partir de sources renouvelables, les pompes à chaleur sont des fournisseurs d'énergie respectueux de l'environnement. En revanche, les coûts d'investissement ne sont pas négligeables, malgré les subventions publiques. De plus, l'intégration dans les bâtiments existants est difficile en raison des températures de départ parfois basses.
Avantages et inconvénients d'une pompe à chaleur d'un seul coup d'oeil
Avantages:
- Production d'énergie de manière écologique
- Grande efficacité
- Sources de chaleur quasi inépuisables
- Grande flexibilité des sources d'énergie
- Faibles coûts d'exploitation, amortissement rapide
- Fonctionnement pratiquement sans entretien
- Possibilité de chauffage et de refroidissement
Inconvénients:
- Prix d'achat élevé
- Température de sortie limitée
- Une bonne isolation des bâtiments est nécessaire
- Efficacité optimale uniquement avec le chauffage par le sol- Beperkte stromingstemperatuur
- Utilisation avec des radiateurs difficile
- Système d'eau chaude séparé nécessaire
- Planification et installation uniquement par des spécialistes
Le rendement d'un système de chauffage indique le rapport entre l'énergie fournie et la chaleur utilisable. Si un système de chauffage au gaz produit environ 9 000 kWh de chaleur à partir de 10 000 kWh de gaz naturel, le rendement du système de chauffage est de 0,9. Pour les pompes à chaleur, les rendements sont compris entre 2 et 5 ! Cela signifie qu'environ 2 à 5 kWh de chaleur sont générés à partir d'un kilowattheure (1 kWh) d'électricité, que l'on obtient de préférence à partir d'une énergie renouvelable.
Mais les pompes à chaleur ne sont pas des appareils magiques capables de produire de l'énergie à partir de rien. Leur rendement élevé est plutôt dû au fait que le calcul intègre uniquement l'électricité nécessaire au fonctionnement et non l'énergie fournies par l'environnement.
Cependant, cette distinction a peu d'importance, puisque l'énergie provenant de l'environnement est disponible en quantité illimitée et n'est pas facturée. Idéalement, il n'y a pas de frais d'exploitation si l'utilisateur de la pompe à chaleur possède également un système photovoltaïque et que l'électricité pour le compresseur, les ventilateurs et les pompes est générée par le système photovoltaïque. Grâce à l'énergie régénérative, le chauffage n'émet plus du tout de CO2.
Afin d'inciter la population à opter pour une pompe à chaleur respectueuse du climat lors de la modernisation ou de la transformation d'un système de chauffage existant ou ancien, le gouvernement accorde une aide financière pour l'achat d'une nouvelle pompe à chaleur. La subvention pour les pompes à chaleur est toutefois soumise à certains critères, qui changent régulièrement. Renseignez-vous sur ces critères si vous souhaitez bénéficier d'une subvention.