L'intérêt
Cette solution est à la fois performante et respectueuse de l’environnement :
Elle consiste à récupérer une énergie gratuite et inépuisable, l’énergie stockée par le sol, l’eau des nappes, l’air qui nous entoure, grâce aux pompes à chaleur (PAC). 1 kWh de chaleur produit par le biais d’une PAC génère environ 4 fois moins de CO2 qu’1 kWh de chaleur produit par une chaudière combustible. De plus, pour le même confort, une pompe à chaleur peut faire chuter de manière considérable les émissions de certains polluants (Nox et SO2 notamment).
Il existe plusieurs types de pompes à chaleur qui puisent la chaleur soit dans l’air, pompes aérothermiques, soit dans le sol ou l’eau des nappes phréatiques, pompes géothermiques.
Les PAC géothermiques, comment ça marche ?
Les PAC géothermiques puisent la chaleur dans le sol ou l’eau d’une nappe par l’intermédiaire d’un réseau de capteurs ou de forages.
• L’eau est prélevée dans une nappe phréatique souterraine existante facilement accessible, dans quelques cas rares un lac ou encore un cours d’eau. Il faut s’assurer de l’existence d’un débit suffisant tout au long de l’année.
Il existe tout d’abord les PAC sur eau de nappe, la très faible variation de température de ces nappes souterraines permettant d’offrir des performances élevées indépendamment de la saison. On distingue principalement deux dispositifs selon que l’installation fonctionne avec un seul forage (puits de production) ou avec deux forages (puits de production et d’injection). Dans le premier cas, l’eau de nappe est rejetée en surface (rivière, plan d’eau ou encore réseau pluvial) et dans le second cas, elle est réinjectée dans la nappe aquifère d’origine.
Toutefois, une contrainte freine la diffusion de ces systèmes. En effet, leur mise en œuvre nécessite la présence d’une nappe phréatique exploitable – en termes de débit et de qualité d’eau, mais également d’un point de vue réglementaire – à proximité du bâtiment traité.
Il existe ensuite les PAC sur eau de surface qui peuvent être conçus en boucle fermée, c’est-à-dire qu’un réseau de tubes est installé au fond d’un étang ou dans une rivière, ou en boucle ouverte : l’eau de surface est puisée directement afin d’alimenter un échangeur à plaques.
Ces PAC présentent des caractéristiques proches des PAC sur eau de nappe mais l’eau de surface est généralement une source de chaleur moins stable en température que le sol de l’eau de nappe. Ces PAC sont les moins répandues à travers le monde.
• Concernant le sol, sa température évolue peu au-delà de quelques dizaines de centimètres y compris dans les zones froides. En effet, les couches supérieures du sol agissent comme un isolant mais le soleil et l’eau d’infiltration viennent accumuler de la chaleur dans les couches superficielles du sol. Or, à l’aide de capteurs enterrés constitués de boucles de tuyauterie parcourue par un fluide (frigorigène ou eau glicolée), on peut prélever cette chaleur.
On distingue tout d’abord les PAC enterrées sur capteurs enterrés horizontaux. Le capteur est constitué par un réseau de tubes de polyéthylène ou de cuivre gainé de polyéthylène enterrés horizontalement à une profondeur comprise entre 0,60 m et 1,20 m. Dans le capteur circule le fluide caloporteur. Cela peut être une solution d’eau et d’antigel (l’eau prélève les calories du sol en circulant dans le réseau de tubes et les transfert à la PAC via un échangeur appelé évaporateur) ou du fluide frigorigène (on parle alors de système à détente directe sol/sol ou sol/eau). Afin d’obtenir la puissance calorifique nécessaire pour combattre les déperditions d’un logement neuf, la surface de capteurs nécessaire est d’environ 1,5 à 2 fois la surface à chauffer.
Les pompes à chaleur géothermales sur capteurs enterrés horizontaux sont mis en œuvre dans le secteur résidentiel principalement du fait de la surface de terrain requise (1,5 à 2 fois la surface chauffée). A ce jour les PAC sur capteurs horizontaux constituent le système géothermique le plus largement répandu sur le marché résidentiel français.
On distingue ensuite les PAC enterrées sur capteurs enterrés verticaux. Le capteur vertical est constitué généralement d’une sonde formée d’un double tube en U en polyéthylène dans lequel circule en circuit fermé une solution d’eau et d’antigel. Cette sonde est disposée dans un forage pouvant atteindre des profondeurs de 80-100 mètres voire plus. La puissance soutirée au sol retenue pour le dimensionnement est de 50W/m de forage, ce qui donne à titre indicatif, pour des logements neufs, environ un mètre de profondeur forée par m² de surface à chauffer. Il est possible de réaliser un ou plusieurs forages espacés d’au moins 10 m pour obtenir la puissance nécessaire au chauffage du logement. Cette solution, plus onéreuse que les capteurs horizontaux, a l’avantage de limiter les contraintes de terrain et d’emprise au sol. Elle convient pour chauffer des maisons individuelles, mais aussi de petits ensembles de logements et d’immeubles de bureaux qui sont limités par la surface environnante.
Les PAC aérothermiques, comment ça marche ?
L’air environnant est une source d’énergie naturelle inépuisable. Ces pompes à chaleur peuvent s’installer aussi bien dans des maisons neuves ou anciennes que dans des appartements.
• En hiver, le pompe à chaleur prélève la chaleur de l’air extérieur et l’amène à un niveau de température compatible pour chauffer le logement En hiver la pompe à chaleur prélève la chaleur de l’air extérieur et l’amène à un niveau de température compatible pour pouvoir chauffer le logement au travers de planchers chauffants, de ventilo-convecteurs, de radiateurs à basse température ou encore par des systèmes avec diffusion d’air. Bien que les performances se réduise avec la baisse de la température extérieure, le coefficient de performance reste nettement supérieur à 2 (pour une température extérieure de -7°C et avec un plancher chauffant). Certaines pompes à chaleur sont capables de fonctionner jusqu'à des températures extérieures pouvant descendre jusqu’à –20°C. En dessous de cette température, la pompe à chaleur s’arrête et l’appoint assure le chauffage du logement. Les pompes à chaleur sur l’air extérieur sont dimensionnées pour couvrir entre 60 et 80% de la puissance nécessaire pour la température de base (les jours les plus froids). Lorsque la puissance n’est plus suffisante, un appoint de chaleur permet d’assurer le complément nécessaire. Ce dimensionnement permet de couvrir environ 90 à 95 % des besoins en énergie avec la pompe à chaleur.
• En été, suivant le matériel, il est possible de rafraîchir le logement en inversant le sens de fonctionnement. La chaleur indésirable est puisée à l’intérieur du logement pour être rejetée à l’extérieur. C’est la réversibilité. Ce mode de fonctionnement n’est pas possible avec des radiateurs comme émetteurs. La pompe à chaleur peut être un ensemble monobloc installé à l’extérieur ou à l’intérieur du bâtiment. Elle peut aussi être constituée de deux modules séparés. Si la pompe à chaleur est placée à l’intérieur, il sera nécessaire de prévoir des gaines d’aspiration et rejet d’air extérieur