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Pompe à chaleur : Définition

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  • Yoel Zirah

Pompe à chaleur : Définition

Quelle est la definition d’une pompe à chaleur? Une pompe à chaleur est un dispositif utilisé pour chauffer et parfois aussi refroidir des bâtiments en transférant l’énergie thermique d’un espace plus froid à un espace plus chaud en utilisant le cycle de réfrigération, soit la direction opposée dans laquelle le transfert de chaleur aurait lieu sans l’application d’une puissance externe. Les types d’appareils courants comprennent les pompes à chaleur à air, les pompes à chaleur géothermiques, les pompes à chaleur à eau et les pompes à chaleur sur l’air évacué. Les pompes à chaleur sont également souvent utilisées dans les systèmes de chauffage urbain.

L’efficacité d’une pompe à chaleur est exprimée par un coefficient de performance (COP) ou un coefficient de performance saisonnier (SCOP). Plus le chiffre est élevé, plus la pompe à chaleur est efficace et moins elle consomme d’énergie. Lorsqu’ils sont utilisés pour le chauffage des locaux, ces appareils sont généralement beaucoup plus efficaces sur le plan énergétique que de simples chauffages à résistance électrique. Les pompes à chaleur ont une empreinte carbone plus faible que les systèmes de chauffage brûlant des combustibles fossiles tels que le gaz naturel , mais celles fonctionnant à l’hydrogène sont également à faible émission de carbone et pourraient devenir concurrentes.

La Pompe à chaleur à air

La definition d’une pompe à chaleur varie selon le type. Les pompes à chaleur à air sont utilisées pour déplacer la chaleur entre deux échangeurs de chaleur, l’un à l’extérieur du bâtiment, équipé d’ailettes à travers lesquelles l’air est forcé à l’aide d’un ventilateur, et l’autre qui soit chauffe directement l’air à l’intérieur du bâtiment, soit chauffe l’eau qui circule ensuite dans le bâtiment à travers des émetteurs de chaleur qui restituent la chaleur au bâtiment. Ces appareils peuvent également fonctionner en mode refroidissement, où ils extraient la chaleur via l’échangeur de chaleur interne et l’éjectent dans l’air ambiant à l’aide de l’échangeur de chaleur externe. Normalement, elles sont également utilisées pour chauffer l’eau de lavage qui est stockée dans un réservoir d’eau chaude sanitaire.

Les pompes à chaleur à air sont relativement faciles et peu coûteuses à installer et ont donc été historiquement le type de pompe à chaleur le plus utilisé. Par temps doux, le COP peut être d’environ 4,0, tandis qu’à des températures inférieures à environ 0 °C, une pompe à chaleur à air peut encore atteindre un COP de 2,5. Le COP moyen sur une variation saisonnière est généralement de 2,5 à 2,8, avec des modèles exceptionnels capables de dépasser ce chiffre dans les climats doux.

La Pompe à chaleur géothermique

Une pompe à chaleur géothermique tire sa chaleur du sol ou de l’eau souterraine qui reste à une température relativement constante toute l’année à une profondeur d’environ 30 pieds (9,1 m). Une pompe à chaleur géothermique bien entretenue aura généralement un COP de 4,0 au début de la saison de chauffage et un COP saisonnier d’environ 3. Les pompes à chaleur géothermiques sont plus coûteuses à installer en raison de la nécessité de forer des trous de sonde pour placer verticalement la tuyauterie de l’échangeur de chaleur ou de creuser des tranchées pour placer horizontalement la tuyauterie qui transporte le fluide d’échange de chaleur (eau avec un peu d’antigel).

Une pompe à chaleur géothermique peut également être utilisée pour rafraîchir les bâtiments pendant les journées chaudes, en transférant la chaleur de l’habitation dans le sol via la boucle souterraine. Des capteurs solaires thermiques ou des canalisations placées dans le macadam d’un parking peuvent également être utilisés pour réalimenter le sous-sol en chaleur.

La Pompe à chaleur à eau

Une pompe à chaleur à eau fonctionne de manière similaire à une pompe à chaleur géothermique, sauf qu’elle tire sa chaleur d’un plan d’eau plutôt que du sol. La masse d’eau doit toutefois être suffisamment grande pour pouvoir supporter l’effet de refroidissement de l’unité sans geler ou créer un effet néfaste pour la faune et la flore.

Pompe à chaleur hybride

Les pompes à chaleur hybrides (ou à double source) tirent leur chaleur de différentes sources en fonction de la température de l’air extérieur. Lorsque l’air extérieur est supérieur à 4 à 8 degrés Celsius, elles utilisent l’air ; à des températures plus froides, elles utilisent la source souterraine. Ces systèmes à double source peuvent également stocker la chaleur de l’été en faisant circuler l’eau de la source souterraine à travers l’échangeur d’air ou à travers l’échangeur de chauffage du bâtiment, même lorsque la pompe à chaleur elle-même ne fonctionne pas. Ce système présente deux avantages : il fonctionne comme un système peu coûteux de refroidissement de l’air intérieur et (si l’eau souterraine est relativement stagnante) il augmente la température de la source souterraine, ce qui améliore l’efficacité énergétique du système de pompe à chaleur d’environ 4 % pour chaque degré d’augmentation de température de la source souterraine.

Aides de l’Etat et subventions pour la pompe à chaleur

L’Agence internationale de l’énergie a estimé qu’en 2011, il y avait 800 millions de pompes à chaleur installées sur Terre. Elles sont utilisées dans les climats ayant des besoins modérés en matière de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) et peuvent également fournir de l’eau chaude sanitaire et des fonctions de séchage du linge par culbutage. Les coûts d’achat sont pris en charge dans divers pays par des remises aux consommateurs comme les aides et les subventions offertes en France pour faire des économies d’énergie (Ma Prime Renov par exemple).

Chauffage et refroidissement des bâtiments et des véhicules

Dans les applications de chauffage, de ventilation et de climatisation, une pompe à chaleur est généralement un dispositif de réfrigération à compression de vapeur qui comprend une vanne d’inversion et des échangeurs de chaleur optimisés de sorte que le sens du flux de chaleur (mouvement de l’énergie thermique) puisse être inversé. La vanne d’inversion change le sens du réfrigérant dans le cycle et, par conséquent, la pompe à chaleur peut fournir du chauffage ou du refroidissement à un bâtiment. Dans les climats plus frais, le réglage par défaut de la vanne d’inversion est le chauffage.

Dans les climats plus chauds, le réglage par défaut est le refroidissement. Comme les deux échangeurs de chaleur, le condenseur et l’évaporateur, doivent échanger leurs fonctions, ils sont optimisés pour fonctionner adéquatement dans les deux modes. Par conséquent, le SEER (Seasonal Energy Efficiency Rating) d’une pompe à chaleur réversible est généralement légèrement inférieur à celui de deux machines optimisées séparément. Pour qu’un équipement reçoive le label Energy Star, il doit avoir un indice d’au moins 14,5 SEER.

Pompe à chaleur et Chauffage de l’eau

Dans les applications de chauffage de l’eau, une pompe à chaleur peut être utilisée pour chauffer ou préchauffer l’eau des piscines ou pour chauffer l’eau potable destinée aux habitations et à l’industrie. Habituellement, la chaleur est extraite de l’air extérieur et transférée à un réservoir d’eau intérieur, une autre variété extrait la chaleur de l’air intérieur pour aider à refroidir l’espace.

Pompe à chaleur et Chauffage urbain

Les pompes à chaleur peuvent également être utilisées comme fournisseur de chaleur pour le chauffage urbain. Les sources de chaleur possibles pour de telles applications sont les eaux usées, l’eau ambiante (par exemple, l’eau de mer, de lac et de rivière), la chaleur résiduelle industrielle, l’énergie géothermique, les gaz de combustion, la chaleur résiduelle du refroidissement urbain et la chaleur du stockage de la chaleur solaire. En Europe, plus de 1500 MW ont été installés depuis les années 1980, dont environ 1000 MW étaient utilisés en Suède en 2017. Les pompes à chaleur à grande échelle pour le chauffage urbain combinées au stockage de l’énergie thermique offrent une grande flexibilité pour l’intégration des énergies renouvelables variables. C’est pourquoi elles sont considérées comme une technologie clé pour les systèmes énergétiques intelligents avec des parts élevées d’énergie renouvelable, jusqu’à 100 %, et les systèmes avancés de chauffage urbain de 4e génération. Elles sont également un élément crucial des systèmes de chauffage urbain à froid.

Chauffage industriel

Il existe un grand potentiel de réduction de la consommation d’énergie et des émissions de gaz à effet de serre associées dans l’industrie par l’application de pompes à chaleur industrielles. Un projet de collaboration internationale achevé en 2015 a rassemblé 39 exemples de projets de R&D et 115 études de cas dans le monde entier. L’étude montre que des délais de récupération courts, inférieurs à 2 ans, sont possibles, tout en permettant une réduction importante des émissions de CO2 (dans certains cas, plus de 50 %).

Performance de la Pompe à chaleur 

Lorsque l’on compare les performances des pompes à chaleur, le terme  » performance  » est préféré à celui de  » rendement « , le coefficient de performance (COP) étant utilisé pour décrire le rapport entre le mouvement de la chaleur utile et le travail fourni. Un radiateur à résistance électrique a un COP de 1,0, ce qui est considérablement plus bas qu’une pompe à chaleur bien conçue qui aura typiquement un COP de 3 à 5 avec une température extérieure de 10 °C et une température intérieure de 20 °C. Une pompe à chaleur géothermique aura généralement un rendement supérieur à celui d’une pompe à chaleur à air.

Le « Coefficient de performance saisonnier » (SCOP) est une mesure de l’efficacité énergétique globale sur une période d’un an qui dépend beaucoup du climat de la région.