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Les Pompes à Chaleur - Généralités

La pompe à chaleur (PAC) fait appel à une technologie thermodynamique (identique à celle d'un réfrigérateur où la chaleur est transférée de l’intérieur vers l’extérieur) qui permet de puiser des calories dans le milieu ambiant : eau, air, la terre ou le sol (même si ce milieu peut nous paraître froid), pour les restituer sous forme de chaleur pour le chauffage de locaux ou de l'eau sanitaire.

 

Théoriquement, la quantité de chaleur fournie par une pompe à chaleur est égale à la somme de la chaleur extraite de la source et de l'énergie utilisée pour la faire fonctionner. En pratique, l'efficacité d'une pompe à chaleur est donnée par son coefficient de performance (COP), qui traduit le rapport entre la quantité d'énergie qu'elle délivre et la quantité d'énergie utilisée pour la faire fonctionner (en général de l'électricité). Aujourd'hui, certaines PAC atteignent un COP moyen de 5.

 

Il est important de préciser que, le COP est aussi fonction de la température du milieu de captage et de la température demandée dans le milieu à chauffer. Plus la température extérieure (air ou eau) est froide et plus il sera difficile d'atteindre la consigne de chauffage. Plus la consigne (température désirée) de chauffage est élevée et plus l'appareil consomme pour l'atteindre.

 

Nous préférons le terme de SPF ou COP saisonnier. Le Coefficient de Performance Saisonnier est un COP non plus établi pour une pompe à chaleur seule et pour un point donné, mais pour une pompe à chaleur dans le cadre de son installation et sur la période d'une saison de chauffe. Ainsi, le COP saisonnier sera bien meilleur à Marseille qu’à Nancy.

 

Une PAC est dite réversible (ou inversible) lorsque le circuit du fluide caloporteur comprend une vanne 4 voies permettant d'inverser les fonctions du condenseur et de l'évaporateur, ce qui permet de produire du chaud l’hiver et du froid l’été. Dans le cas de plancher chauffant, on parlera de rafraichissement l’été et non de climatisation (si l’on abaisse trop la température du plancher, de la condensation se formerait).

 

En mode froid, on ne parle plus de COP mais de EER (Energy Efficiency Ratio). De manière générale, les PAC étant principalement conçues pour faire du chauffage, le EER sera en général un peu moins élevé que le COP.

 

LES TROIS SORTES DE POMPES À CHALEUR :

 

(nous ne parlerons pas des pompes à chaleur gaz, peu utilisées en installation individuelle)

 

-1 Pompe à chaleur air/air :

 

La chaleur est captée dans l'air extérieur et est transférée directement à l'air du local à chauffer ou refroidir. Cette application de pompe à chaleur se retrouve plus présente dans le résidentiel avec des pompes à chaleur multi-split (une unité extérieure et une unité intérieure par pièce), ou des systèmes pompe à chaleur avec unité intérieure plafonnière, les débits d'air étant variables et régulés pièce par pièce ou  bureaux par bureaux, .... A noter que la pompe à chaleur air-air est, comparativement aux autres pompes à chaleur, plus simple à mettre en œuvre et permet de bénéficier de l'effet climatisation par simple inversion de cycle. Le confort "vecteur air" restant de l'appréciation individuelle de chacun du fait de la sensibilité au bruit résiduel et aux effets possibles de courants d'air

 

-2 Pompe à chaleur air/eau :

 

La chaleur est captée dans l'air extérieur et est transférée via un circuit d'eau à eau chaude. Celui-ci alimente à travers un réseau bi-tubes un circuit de radiateurs le plus souvent basse température, un ensemble de planchers chauffants, une série de ventilo-convecteurs, voire d'aérothermes si l'application est plus industrielle.

 

-3 Pompe à chaleur sol/eau ou géothermique :

 

Il existe trois grands systèmes dépendant du mode de captage :

 

1-Le captage horizontal au sol est constitué d'un réseau de plusieurs tubes en parallèles, dans lesquels circule un liquide calo-porteur ou le fluide frigorifique dans le cas d'une détente directe. Ces tubes sont enterrés en moyenne entre 60 cm et 1,2 m de profondeur suivant le climat, en général sous une pelouse non arborée. Il faut compter une surface de captage au minimum égale à 2 fois la surface chauffée.

 

2-Le captage vertical est similaire au captage horizontal dans le principe, mais au lieu d'être à l'horizontal, le capteur est constitué d’une double boucle de tuyaux en PE pénétrant verticalement le sol, scellée dans un béton spécial et dans lequel circule un fluide caloporteur. Le système demande moins de boucles et de longueurs de tubes mais le forage nécessaire à sa mise en œuvre est plus coûteux que le décaissement du capteur horizontal. Son avantage est qu'il ne dénature pas le sol et permet la plantation d'arbres dans le reste de la propriété.

 

3-Le captage sur nappe phréatique, nécessite la présence d’une nappe d’eau souterraine et que l'eau pompée soit à une température supérieure à 10 °C (ce qui est le cas la plupart du temps). La puissance calorifique et le COP obtenus du captage surpassent tous les autres modes. Cependant, Il est important d’intégrer dans le rendement d’une pompe à chaleur sur nappe, la consommation de la pompe immergée, qui a la différence d’un circulateur (sur un circuit bouclé de type circuit d’eau chaude de chauffage) peut s’avérer très énergivore. Dans tous les cas, il faudra installer  une pompe à vitesse variable et rejeter l'eau dans un second puits, en aval de la nappe phréatique.

 

Il est également possible d’utiliser l’eau d’un puits (déclaration en mairie)  ou d’une rivière (autorisation à obtenir en mairie), à condition de son débit soit suffisant et stable dans le temps, et que l’eau ne soit pas corrosive ou chargée en particules.

 

RETOUR SUR INVESTISSEMENT :

 

Pour une pompe à chaleur air/air, le retour sur investissement est généralement de moins de dix ans. Pour d’autres types de pompes à chaleur, cette durée peut être plus importante, c'est pourquoi, il est indispensable de faire au préalable une étude thermique, d'envisager plusieurs scénarios quant au mode de production de chaleur et de calculer précisément le retour sur investissement de chacun des modes de chauffage envisagés.  

 

RECOMMANDATIONS :

 

Préalablement à l'installation d'une pompe à chaleur, il est recommandé d'isoler votre maison afin d'installer une pompe à chaleur de plus petite puissance et par conséquent de moindre coût. Il est nécessaire de calculer précisément avec une étude thermique, les déperditions de l'habitat  (en totalité et pièce par pièce) afin de dimensionner la pompe à chaleur et la taille de ses émetteurs de chaleur. Une pompe à chaleur sous-dimensionnée apportera un chauffage insuffisant en hiver et une pompe à chaleur sur-dimensionnée entraînera un sur-investissement et fonctionnera en cycles courts, préjudiciables au rendement et à sa durée de vie.

 

L'APPOINT ELECTRIQUE EST-IL INDISPENSABLE ?

 

Pour des questions de coût et d’optimisation du rendement d’une PAC (son rendement maximal se situe lorsqu’elle approche 100% de sa puissance), une pompe à chaleur air-eau est rarement dimensionnée à 100% (plutôt à 80%) des besoins de chauffage de la maison. On lui adjoint souvent une batterie électrique qui va fonctionner uniquement lors de très basses températures extérieures, qui selon les régions,  sont présentes moins de 15 jours par an.  

 

POMPES A CHALEUR HYBRIDES 

 

Lors des périodes les plus froides de l’hiver, la pompe à chaleur Air/Eau a ses limites. En effet, dans la mesure où la PAC Air/Eau puise ses calories dans l'air extérieur, son rendement va décroître avec l'abaissement de la température de l'air en hiver. Dans un souci de rendement économique et de confort, il est recommandé de faire appel à un deuxième générateur (une chaudière par exemple) dont certes le rendement sera en moyenne moins élevé que celui de la pompe à chaleur mais en revanche aura l'avantage d'être constant, indépendamment des conditions extérieures, notamment par grand froid.

Le principe d'un système hybride permet donc d'assurer un grand confort toute l'année avec un rendement optimisé provenant de l'alternance ou de la combinaison de deux générateurs ayant chacun un fonctionnement différent.

 

RECOMMANDATIONS :

 

En rénovation, associer une pompe à chaleur à une chaudière existante nécessite une étude préalable.

 

Principe de la PAC-2