Tout ce que vous avez toujours voulu savoir sur les pompes à chaleur |
Qu'est ce qu'une pompe à chaleur ?
Une pompe à chaleur est un équipement thermodynamique qui prélève de la chaleur dans un milieu, l’amplifie et la restitue dans un autre milieu, grâce à fluide frigorigène. Une pompe à chaleur utilise deux phénomènes physiques immuables : comprimer un gaz (augmenter sa pression) génère de la chaleur, détendre un gaz (réduire sa pression) absorbe de la chaleur.
Les pompes à chaleur ne sont que des groupes de production d’eau glacée fonctionnant à l’envers : leur technologie est connue depuis plus d’un siècle. En termes de puissance, on trouve des pompes à chaleur de 4 kW à plus de 10 MW.
Depuis le 30 juillet 2020, il est obligatoire de faire réviser les pompes à chaleur dont la puissance est comprise entre 4 et 70 kW tous les 2 ans. Pour les pompes ayant une puissance supérieure à 70 kW, la révision doit se faire tous les 5 ans.
Tout le vocabulaire autour des pompes à chaleur se réfère au fluide frigorigène. ©Ademe
Tout le vocabulaire des pompes à chaleur vient du froid
En effet, les principaux organes d’une pompe à chaleur sont les deux échangeurs – l’évaporateur et le condenseur -, le compresseur et le détendeur. Leur fonction porte sur la transformation du fluide frigorigène.
Le compresseur comprime le fluide, augmente sa pression et élève donc sa température. L’immense majorité des pompes à chaleur utilisent un compresseur mécanique entraîné par un moteur électrique. Il existe, chez Panasonic une offre de DRV (Débit de Réfrigérant Variable) pour le grand tertiaire dont les compresseurs sont entraînés par des moteurs thermiques à gaz. Mais il existe aussi des pompes à chaleur à absorption ou à adsorption qui font appel à un compresseur thermo-chimique. ©PP
Le détendeur, à l’inverse du compresseur, diminue la pression du fluide et réduit sa température. Dans le condenseur – un échangeur de chaleur entre le fluide frigorigène et le milieu à chauffer – on condense le fluide. On le fait donc passer de l’état gazeux à l’état liquide : on réduit sa température. Dans le condenseur, le fluide frigorigène cède sa température au milieu à chauffer ou bien, mais c’est exactement la même chose, dissipe la chaleur qui a été prélevée dans le milieu à refroidir.
Dans des pompes à chaleur air/air ou air/eau, le condenseur en mode froid ou l’évaporateur en mode chauffage sont des échangeurs constitués de tubes à ailettes. Le fluide frigorigène circule dans les tubes. L’air est poussé à travers à l’échangeur par un ventilateur. ©PP
Depuis une dizaine d’années, il existe un nouveau type d’échangeur entre l’air et le fluide frigorigène : les échangeurs en aluminium extrudé. A l’origine développé par les constructeurs automobiles pour les radiateurs des véhicules, ils permettent de réduire de 15 à 20% la charge de fluide frigorigène, à efficacité égale. Mais, on ne sait pas vraiment les utiliser en mode chauffage, parce qu’on ne sait pas facilement dégivrer la glace qui se forme l’hiver lorsque l’humidité de l’air gèle sur l’échangeur. En mode chauffage, l’échangeur prélève la chaleur de l’air, donc le refroidit, ce qui favorise le gel. Les échangeurs en aluminium extrudé sont donc réservés, pour l’instant, aux groupes thermodynamiques froid seul. ©PP
Dans un évaporateur, un autre échangeur de chaleur, on évapore le fluide, il passe de l’état liquide à l’état gazeux. On élève donc sa température. Mais voilà, ce vocabulaire a été développé pour les machines produisant du froid. On parle d’un groupe de production d’eau glacée à condenseur à air : l’échangeur de chaleur entre l’air extérieur et le fluide frigorigène qui sert à dissiper à l’extérieur la chaleur prélevée dans une chambre froide par un évaporateur. Abusivement, ce vocabulaire est souvent transféré à l’identique aux pompes à chaleur. On parle toujours de pompe à chaleur à condenseur à air, alors qu’il s’agit en réalité de l’évaporateur à air de la pompe à chaleur : l’échangeur qui réchauffe le fluide et prélève donc la chaleur dans le milieu extérieur. De même ce que l’on désigne classiquement par évaporateur dans une pompe à chaleur est en réalité son condenseur : l’échangeur dans lequel le fluide frigorigène cède sa chaleur au milieu à chauffer.
Enfin, on parle de pompe à chaleur réversible, si la machine est capable d’inverser le sens de circulation du fluide dans son circuit thermodynamique pour soit chauffer un local, soit en extraire la chaleur et le rafraîchir.
De multiples "sources froides"
Une pompe à chaleur prélève donc de la chaleur pour l’amplifier et la restituer ailleurs. L’endroit où l’on prélève la chaleur est la "source froide" : l’air extérieur, le sol, l’eau d’une nappe phréatique, d’une rivière ou de la mer, l’eau glycolée issue de capteurs solaires, … L’endroit où la pompe à chaleur restitue la chaleur est la "source chaude" : le plus souvent c’est l’air intérieur du local à chauffer, l’eau d’un circuit de chauffage ou l’eau d’un préparateur d’eau chaude sanitaire. En pensant source froide/ source chaude, on parle donc
Examinons ces divers types de pompes à chaleur de plus près.
Les pompes à chaleur air/air
Chaque année en France, il se vend plusieurs centaines de milliers de systèmes de pompes à chaleur air/air, dits aussi à détente directe car le fluide frigorigène alimente directement les émetteurs. En 2021, 837.629 systèmes air/air ont été vendus en France, seulement 772.324 systèmes air/air en 2022. L’année 2023 devrait voir un marché autour de 800.000 systèmes.
Virtuellement tous ces systèmes sont réversibles et sont en réalité des solutions de climatisation. Jusqu’à ces dernières années, leur ventes, croissantes en tendance, fluctuaient avec l’intensité des canicules. La méthode de calcul de la RE2020, cependant, traite très favorablement les pompes à chaleur air/air qui risquent de devenir la principale solution mise en œuvre en maison individuelles neuves, notamment en raison de leur coût d’installation relativement faible.
La totalité des fabricants de pac air/air sont asiatiques. Les principales marques, Daikin, Mitsubishi Electric, Hitachi, Panasonic et Toshiba, ont cependant construit des usines en Europe, mais pas en France, pour produire au plus près du marché. Toutes les marques européennes qui commercialisent des solutions air/air – Atlantic, Vaillant, Bosch Home Comfort, De Dietrich, … - les achètent à des fabricants asiatiques. ©PP Atlantic a de longue date un partenariat avec Fujuisu General. Les chinois Midea, Gree et Haier, notamment, ont ainsi développé une importante activité en OEM et fournissent quantité de marques européennes. Leurs solutions sont à la pointe de la technologie mondiale.
Les systèmes air/air sont dits monosplit s’ils ne possèdent qu’une seule unité intérieure, bisplit dans le cas de deux unités intérieures, … ou multisplit pour les systèmes avec plusieurs unités intérieures. Chaque unité intérieure est reliée à l’unité extérieure par un couple de tubes aller et retour.
A tout moment, toutes les unités intérieures d’un système multisplit fonctionnent sur le même mode : chauffage ou rafraîchissement. Mais la température d’émission peut être régulée unité intérieure par unité intérieure. ©PP
Une autre technologie, baptisée DRV pour "débit de réfrigérant variable" ou en version anglaise VRF pour "variable refrigerant flow", permet de raccorder toutes les unités intérieures à un même circuit de tubes, un peu comme tous les radiateurs sont connecté à un même circuit issu d’une chaudière, au lieu d’une paire de tube pour chaque unité intérieure, comme dans le cas des multisplits. ©PP
Dans le cas des DRV (débits de réfrigérant variable), les unités intérieures fonctionnent de manière parfaitement indépendante : l’une peut chauffer tandis que l’autre rafraîchit. De plus, les solutions DRV les plus sophistiquées permettent la récupération de chaleur : grâce au circuit de tubes commun, les unités en mode rafraîchissement extraient de la chaleur et réchauffent le fluide frigorigène. Cette chaleur peut alors être utilisée par les unités fonctionnant en mode chauffage. Les plus grands systèmes DRV comportent plusieurs dizaines d’unités intérieures connectées à une même unité extérieure. Il est possible de monter ces unités extérieures en parallèle pour alimenter plus d’une centaine d’unités intérieures, en hôtellerie ou en bureaux, par exemple.
Il existe aussi ce que l’on appelle des mini-DRV : une seule boucle de canalisations comme les DRV classiques, mais un nombre d’unités intérieures limité à 10 à 15 environ. Ce qui est plus que les plus grands multiplits, mais moins que les DRV classiques. Les mini-DRV sont utilisés, soit dans les très grandes maisons, soit dans les petits hôtels, voire en petits immeubles de bureaux.
Les unités extérieures des pompes à chaleur air/air, aussi bien en logement qu’en tertiaire, sont soit installées à l’extérieur, soit gainées et installées à l’intérieur avec une gaine d’air pour prendre l’air à l’extérieur et une autre pour le rejeter.
Produire l’eau chaude sanitaire avec une pac air/air
En logement, notamment en maison individuelle neuve, si la maison est équipée d’une pompe à chaleur air/air, il faut encore produire l’eau chaude sanitaire.
Certains systèmes air/air, comme la gamme Triple C R32 chez Hitachi, possèdent une unité intérieure, connectée à l’unité extérieure par une paire de canalisations en fluide, consacrée à la production d’eau chaude sanitaire.©Hitachi
A défaut d’utiliser la solution Hitachi, il faut installer un appareil spécifique pour la production d’ECS : chauffe-eau thermodynamique, chauffe-eau solaire et thermodynamique à la fois, … Il est également techniquement possible, lorsque les unités intérieures fonctionnent en mode rafraîchissement, de récupérer la chaleur qu’elles extraient du logement pour produire gratuitement l’eau chaude sanitaire. Mais voilà, cette solution, déployées sur les DRV, est considérée comme trop complexe et coûteuse pour être implémentée dans des pac air/air individuelles.
Les unités intérieures des systèmes air/air
Les unités intérieures des systèmes air/air ou à détente directe, toujours alimentées directement par le fluide frigorigène, sont par nature réversibles. Elles sont systématiquement équipées d’un bac de condensat qui recueille l’humidité de l’air ambiant condensée sur l’échangeur de l’unité à détente directe fonctionnant en mode froid. Ainsi que d’une pompe de relevage de condensats qui vide ce bac vers l’extérieur ou vers l’égout.
Les unités intérieures sont de formes très diverses :
Les gainables sont la règle en hôtellerie. Elles sont souvent utilisées en logement dans le cas de systèmes monosplit pour répondre à un problème de surchauffe d’été.
Les unités intérieures sont très souvent blanches, mais plusieurs fabricants proposent une palette de couleurs, dont Toshiba qui pour ses unités murales Haori propose une quinzaine de nuances.
Voici une unité intérieure gainable Panasonic, associée à un groupe extérieur utilisant le R32 comme fluide frigorigène. ©PP
Toshiba est, pour l’instant, le seul fabricant à proposer un si large choix de finitions de façade pour ses unités intérieures à détente directe Haori. D’autres fabricants, comme Bosch ci-dessous, mettent en avant un choix de couleurs, plus limité. ©PP
Chaque fabricant dispose d’un protocole de communication propriétaire entre ses unités intérieures et l’unité extérieure. Virtuellement tous les fabricants proposent une connexion WiFi pour leurs systèmes air/air qui permet de les commander à partir d’une application spécifique ou bien, en passant par la box internet du logement, depuis virtuellement n’importe quel point du globe. Atlantic propose son application Cozytouch qui permet de piloter aussi les autres appareils Atlantic connectés dans le logement : sèche-serviette, production d’eau chaude sanitaire, … Pratiquement aucun fabricant, sauf pour leurs solutions air/air tertiaires ne propose de passerelle vers des protocoles de communication ouverts. En tertiaire, les fabricants de DRV disposent de passerelles vers KNX, BACnet, BACnet/IP, Modbus, Modbus TCP, … pour intégrer leurs systèmes à la GTB du bâtiment.
En logement, lorsque l’on veut asservir les pac air/air à la domotique de la maison ou de l’appartement et donc disposer d’une seule application capable de piloter tous les systèmes connectés, depuis le contrôle d’accès jusqu’au système air/air, en passant par l’éclairage et les volets roulants, la question se corse. Heureusement, le français Airzone développe depuis 25 ans une solution qui réplique les systèmes de commandes des unités intérieures air/air d’une quarantaine de marques, des solutions domotiques de plus de 25 marques, tout en parlant couramment BACnet, Modbus, KNX, ZigBee et Zwave, des protocoles de communication ouverts, et capable de s’interfacer avec une bonne douzaine de solutions de commande vocale, dont Amazon Alexa, Apple Homekit, Google Assistant et Smarthings de Samsung. Autant dire que la solution Airzone est incontournable pour intégrer des pac air/air à la domotique du logement. Certains fabricants de pac air/air, dont Daikin proposent directement des passerelles entre leur protocole de communication propriétaire et la solution Airzone.
Les pompes à chaleur air/eau
Les ventes des pompes à chaleur air/eau ont établi un nouveau record historique en 2022, avec une progression de 30 % par rapport à 2021, atteignant 346.313 unités. Les ventes de pac air/eau sont très largement aidées par les mesures gouvernementales destinées à dynamiser la rénovation des logements, comme le Coup de pouce chauffage, MaPrimeRénov’ et les Certificats d’économie d’énergie (CEE). Une pac air/eau possède un évaporateur sur l’air. C’est l’échangeur dans lequel le fluide frigorigène est transformé de liquide en gaz, donc réchauffé en recueillant la chaleur de l’air extérieur.
On rencontre deux sortes de pompes à chaleur air/eau : des machines monobloc extérieures avec une liaison en eau vers l’intérieur du bâtiment, ou bien des machines dites bibloc avec l’évaporateur à l’extérieur, le condenseur dans le logement et une liaison en fluide frigorigène entre les deux. Les pac bibloc représentaient 86,7% du marché en 2022, contre 13,3% pour les pac monobloc. Les pac bibloc requièrent des installateurs titulaires d’une attestation de manipulation de fluides pour leur installation, leur maintenance et leur dépose. Nous décrivons plus loin de manière précise toutes les qualifications dont les installateurs doivent être titulaires pour la vente, l’installation et la maintenance des pompes à chaleur. ©PP
Si l’on regarde de plus près les puissances des pompes à chaleur air/eau vendues en France, les pac de 6 à 10 kW représentaient à elles seules 29% des ventes en 2022, tandis que la tranche de puissance de 11 à 20 kW constituait 52% des ventes de pac air/eau. On distingue encore les pac air/eau basse température (55 à 65°C) – 148.922 pièces en 2022 - et les pacs air/eau haute température qui peuvent fournir une température de départ d’eau de chauffage de plus de 65°C par la température extérieure de base et ont atteint 32.385 pièces en 2022.
Les différents types de pompes à chaleur air/eau sur le marché
On trouve sur le marché des pompes à chaleur air/eau chauffage seul, des pac air eau mixtes assurant le chauffage et la production d’ECS, des pac air/eau réversibles et des pac air/eau triple service : chauffage, eau chaude et rafraîchissement.
La totalité des fabricants de pompes à chaleur air/eau proposent des unités intérieures, raccordées en fluide dans le cas des pac bibloc ou en eau pour des pac monobloc, qui contiennent un ballon pour la production d’ECS, un régulateur communicant, de plus en plus en WiFi, et une panoplie hydraulique pour un ou deux départs chauffage, éventuellement régulés à des températures différentes : par exemple un plancher chauffant basse température avec un départ à 40°C par les conditions extérieures de base pour alimenter le rez-de-chaussée d’une maison et un départ à 65°C ou plus pour les radiateurs de l’étage.
De nombreuses pac air/eau sont réversibles et peuvent rafraîchir le logement ou les locaux tertiaires en été, tout en continuant à produire l’ECS. Lorsqu’elles sont en mode rafraîchissement, cependant, la plupart inversent leur cycle pour produire l’ECS. Un petit nombre, plutôt allemandes et plus coûteuses, exploitent la chaleur extraite par le rafraîchissement pour produire l’ECS gratuitement.
Quels émetteurs pour les pac air/eau ?
En rénovation, les pac air/eau sont naturellement associées aux radiateurs existants. La plupart des installations de chauffage anciennes sont surdimensionnées et fonctionnent parfaitement avec une température de départ chauffage plus basse, surtout si la maison a fait l’objet d’une isolation thermique qui a réduit ses besoins de chauffage.
En construction neuve, les pac air/eau sont le plus souvent associées à des planchers chauffants basse température (PCBT) ou bien à des PCBT au rez-de-chaussée et à des radiateurs à l’étage. Depuis trois à quatre ans, le plafond chauffant-rafraîchissant à circulation d’eau se développe. Il est plus simple et plus rapide à poser que le PCBT dans la mesure où il s’agit d’une solution de construction sèche, sans dalle ni chappe dont il faut attendre le séchage. ©PP
Pour bénéficier des possibilités de rafraîchissement des pompes à chaleur eau/air réversibles, il faut gérer le risque de condensation de l’humidité de l’air sur une surface plus froide que l’air ambiant et équiper PCBT ou plafond chauffant-rafraîchissant d’une sonde surfacique de température. On peut alternativement ajouter une sonde de détection du taux d’humidité relative ambiant et limiter la température de départ de l’eau glacée depuis la pac à une température supérieure à celle du point de rosée (la température à laquelle l’humidité de l’air se condense). Autre solution : l’emploi de ventiloconvecteurs dotés d’un échangeur, d’un ventilateur et d’une pompe de relevage des condensats. Ce sont plutôt des appareils tertiaires, mais des fabricants italiens et le belge Jaga proposent des ventiloconvecteurs au design plus domestique. Un ventiloconvecteur fonctionne en rafraîchissement sans souci du point de rosée.
Côté pilotage, pratiquement tous les fabricants de pompes à chaleur air/eau proposent des solutions connectées. CozyTouch chez Atlantic, par exemple, ainsi que des passerelles vers les principales domotiques présentes sur le marché français : les box Somfy, Delta Dore, les solutions Legrand et Netatmo, … D’autres offrent une connexion vers des bus de terrain ouverts, comme KNX, ZigBee, … Tout cela permet un pilotage à distance par smartphone ou tablette et, si l’application est bien faite, un suivi des consommations d’énergie pour le chauffage, le rafraîchissement et la production d’eau chaude sanitaire.
Les pompes à chaleur géothermiques
Les pompes à chaleur géothermiques, qui existent en des puissances allant d’une vingtaine de kW à plusieurs MW, sont deux deux sortes : à boucle fermée ou à boucle ouverte. Si elles relèvent toutes les deux de la Géothermie de Minime Importance (GMI), par opposition à la géothermie profonde où l’on fore à plus de 1500 m de profondeur pour remonter de l’eau à 80°C ou davantage, elles obéissent à des règlementations un peu différentes.
Les pompes à chaleur géothermiques sur boucles fermées
Les pac géothermiques à boucle fermée exploitent des forages d’une profondeur inférieure ou égale à 200 m, équipés de boucles de tubes dans lesquels circule de l’eau glycolée et qui prélèvent dans le sol une puissance thermique inférieure ou égale à 500 kW. Si elles respectent ces conditions, la mise en œuvre des pac géothermiques sur boucle fermée ne requiert pas d’autorisation, mais une simple déclaration sur un site spécifique. On déclare la création d’une nouvelle GMI, le changement d’exploitant d’une GMI existante, la modification d’une GMI déjà déclarée, l’arrêt d’exploitation d’une GMI.
Une fois la déclaration effectuée, le site délivre une preuve de dépôt de la déclaration. Ce qui est réputé valoir accomplissement de diverses procédures, notamment celle prévue par l’article L.411-1 du code minier : "Toute personne exécutant un sondage, un ouvrage souterrain, un travail de fouille, quel qu'en soit l'objet, dont la profondeur dépasse dix mètres au-dessous de la surface du sol, doit déposer une déclaration préalable auprès de l'autorité administrative compétente."
Les pac géothermiques sur boucle fermées sont donc des pac eau glycolée/eau avec un évaporateur eau glycolée/fluide frigorigène du côté du forage et un condenseur fluide frigorigène/eau du côté du circuit de chauffage.
Les pac géothermiques sur boucle fermée ou sur boucle ouvertes sont des matériels plutôt compacts. On trouve des modèles de 20 kW à plusieurs MW de puissance. La gamme des pac eau glycolée/eau (pour boucle fermée) Vitocal 300 G Pro de Viessmann s’étend, par exemple de 27,2 à 197 kW. Elle atteint une température de départ d’eau de 73°C. Ce qui permet de l’utiliser en toute sécurité pour la production d’ECS : pas de risque de développement de légionelles. ©Viessmann
Outre les forages, il est possible de disposer des nappes de tubes formant les boucles fermées, horizontalement à quelques mètres de profondeur. ©PP
En France, il existe plusieurs constructeurs, dont Lemasson qui produit la gamme ENDUR’EAU de 5 à 23 kW, la gamme INDUS de 27 à 49 kW et la gamme ECi de 36 à 58 kW consacrée à la production d’ECS. Lemasson propose également les thermofrigopompes TERmEAU qui valorisent simultanément la production de chaleur et d’eau glacée. D’autres fabricants italiens, ainsi que Carrier, fabriquent des thermofrigopompes que l’on appelle aussi pompes à chaleur "4 tubes" (deux pour le couple chauffage, deux pour le couple rafraîchissement) conçue pour exploiter simultanément la production de chaleur et le rafraîchissement. Elles sont particulièrement adaptées aux bâtiments qui ont toujours des besoins simultanés de chaleur et de froid : des bureaux avec un centre de calcul et un restaurant d’entreprise qui utilise de l’eau chaude sanitaire, par exemple.
Les pac géothermique sur boucle fermées présentent d’excellents rendements, stables toute l’année car la température du sol – leur source froide - ne varie guère. Si les boucles sont mal calculées, il existe cependant un risque d’épuisement du sol. Ce risque disparaît si l’installation est utilisée en chauffage l’hiver – prélèvement de chaleur dans le sol – et en refroidissement l’été : ré-injection dans le sol de la chaleur prélevée dans le bâtiment.
Autre variante de la boucle fermée : il est possible d’immerger les boucles fermées dans la mer, dans un cours d’eau ou dans un large plan d’eau. Il n’existe pas de règle administrative bien claire, sauf en mer où il faut systématiquement une autorisation préalable. Mais il est prudent de toujours solliciter une autorisation préalable.
L’entreprise CaleôSol a mis au point une technologie de mur géothermique qui se pose en tranchée peu profonde et permet la mise en œuvre simple et rapide d’une solution de géothermie sur boucle fermée pour des maisons individuelles, du petit tertiaire et du petit collectif. Cette solution est labellisée par SolarImpulse. ©Caleôsol
Les pompes à chaleur géothermiques sur boucles ouvertes
Les pompes à chaleur géothermiques sur boucle ouvertes prélèvent de l’eau dans une nappe phréatique et la rejettent dans la même nappe de manière à ne pas consommer l’eau de la nappe. Ce sont donc des pac eau/eau : évaporateur eau/fluide frigorigène, condenseur fluide frigorigène/eau du circuit de chauffage. Lemasson, Viessmann et de nombreux autres constructeurs en Europe fabriquent des pompes à chaleur eau/eau.
Pour échapper à l’autorisation préalable, les pac géothermique sur boucle ouverte doivent respecter les deux contraintes de la boucle fermée - moins de 200 m de profondeur de forage et pas plus 500 kW de puissance prélevée – et respecter cinq autres obligations supplémentaires :
La GMI en boucle ouverte, comme en boucle fermée, assure le chauffage et, si les émetteurs dans le bâtiment s’y prêtent, couvre également les besoins de rafraîchissement. Le rafraîchissement, en fonction des besoins du bâtiment, peut être obtenu par free-cooling : la pompe à chaleur est arrêtée et l’échange de température s’effectue à travers un échangeur à plaques, entre la boucle enterrée ou le puisage en nappe, et le circuit des émetteurs dans le bâtiment. Seules les consommations électriques du circulateur de la boucle enterrée ou du puisage et des circulateurs du circuit de rafraîchissement dans le bâtiment entrent en jeu.
Le rafraîchissement des bâtiments par géothermie est sans effet sur les îlots de chaleur en ville, puisque toute la chaleur extraite du bâtiment est dissipée dans le sous-sol ou dans une nappe phréatique.
Les pompes à chaleur sur boucle d’eau
Autre variante de pompe à chaleur, les pompes à chaleur sur boucle d’eau sont des pac réversibles eau/air raccordées à une boucle d’eau qui alimente tout un bâtiment, dans laquelle les pac puisent ou reversent la chaleur, selon qu’elles fonctionnent en mode chauffage ou en mode rafraîchissement. Dans une même installation, les pacs sur boucle d’eau sont parfaitement indépendantes les unes des autres : les unes peuvent refroidir, tandis que d’autres chauffent les locaux.
La boucle d’eau doit être maintenue entre 16 et 21°C si les pacs fonctionnent à la fois en chauffage et en rafraîchissement, entre 21 et 38°C l’été lorsque toutes les pacs fonctionnent en rafraîchissement. Pour maintenir la boucle d’eau dans ces plages de température, il faut la refroidir en été et la réchauffer en hiver. Tous les moyens sont bons : pompe à chaleur, solaire thermique, raccordement de faible puissance à un réseau de chauffage urbain, …
Le principal fabricant de pompes à chaleur sur boucle d’eau en France est le groupe Intuis, plus précisément sa filiale qui s’appelait auparavant France Energie. L’entreprise produit des pac sur boucle d’eau multifonctions, appelées UTCi 4en1 pour Unité Thermodynamique de Confort individuel. Ce sont des pacs sur boucle d’eau réversibles certifiées NF PAC par Eurovent Certita Certification, utilisant le R513A (classé A1, GWP = 631, composé de 55% de HFO1234yf et de 45% de R134a) comme fluide frigorigène, qui assurent le chauffage, le rafraîchissement et la ventilation des locaux avec récupération de chaleur sur l’air extrait.
Les pac sur boucle d’eau sont pour l’instant plutôt destinées au tertiaire. Mais c’est une technologie extrêmement intéressante en immeubles de logements collectifs, en construction neuve, comme en rénovation. C’est notamment une bonne piste pour le remplacement des chaudières individuelles à gaz en collectif.
Les solaropac
Les solaropac, des pompes à chaleur dont la source froide est constituée de capteurs solaires thermiques basse température dans lesquels circule de l’eau glycolée sont développées par deux industriels français - Giordano Industries et Heliopac - et atteignent des rendements élevés.
Giordano Industries a développé six modèles de Solar Pump de 10 à 46 kW de puissance. C’est une pompe à chaleur eau glycolée/eau, capable de produire de l’ECS en grandes quantités – 1.500 à 100.000 litres par jour - et de l’eau pour le chauffage. Associées à des capteurs solaires Polytub 4N, également développés par Giordano Industries, le système est capable de produire de la chaleur à 65°C dans toutes les zones géographiques, jusqu’à une température extérieure de -10°C. Les Solar Pump peuvent donc produire de l’ECS toute l’année, sans appoint électrique par effet Joule, dans la plupart des régions.
Heliopac propose deux solutions. La première, heliopacsystème, l’offre de base, est constituée de modules de pompes à chaleur eau glycolée/eau, utilisant le R513A comme fluide frigorigène, couplées à des capteurs souples en élastomère (EPDM) en guise d’évaporateurs. Cet échangeur récupère la chaleur du soleil. Mais la nuit et durant les jours couverts, il récupère aussi la chaleur de la pluie et de l‘air extérieur.
La seconde solution Heliopac fait appel aux mêmes pompes à chaleur de 8 ou 12 kW, mais les raccorde à des capteurs solaires hybrides Spring de DualSun. Cette solution permet d’atteindre un taux de couverture de la production d’ECS de 90%. La température de stagnation maximale est de 75°C dans les capteurs. ©Heliopac
La régulation de puissance par inverter
Quelle que soit le type de pompes à chaleur, elles sont toutes capables de varier leur puissance.
Auparavant, dans les pompes à chaleur haut de gamme, on trouvait deux ou trois compresseurs de puissances différentes. Ce qui renchérissait leur coût notablement, mais permettait une variation de puissance par paliers. Par exemple, une pac équipée d’un compresseur de de 4 KW et d’un autre de 8 kW, proposait trois paliers de puissance : 4, 8 et 12 kW.
Ce temps est révolu, toutes les pac sont désormais équipées d’un inverter pour piloter la vitesse de rotation du compresseur. L’inverter n’est rien d’autre qu’un variateur de puissance électrique. En variant la puissance électrique d’alimentation d’un compresseur, l’inverter modifie sa vitesse de rotation, donc le débit du réfrigérant circulant dans le circuit thermodynamique de la pac. Ce qui fait varier la puissance de la pompe à chaleur. Par exemple, chaque modèle de la gamme de pompes à chaleur Intuis HTi 70 de 6, 8, 11 et 14 kW de puissance, fait varier sa puissance de 15% à 100% de la valeur nominale. Ce qui permet à ces pompes à chaleur d’ajuster la puissance fournie à l’installation de chauffage en fonction des besoins.
Plusieurs fabricants, dont Toshiba, Daikin et Mitsubishi Electric revendiquent d’avoir le premier mis en œuvre l’inverter sur leurs pompes à chaleur. Ce qui est sût, en tout cas, c’est que tous les fabricants en équipent désormais leurs machines. ©Panasonic
L’expression de l’efficacité énergétique des pompes à chaleur
Grâce à son circuit thermodynamique, une pompe à chaleur produit plus d’énergie utile qu’elle n’en consomme. Il existe plusieurs manières de mesurer l’efficacité énergétique des pompes à chaleur. Les deux méthodes les plus frustes sont le COP (Coefficient de Performance) en chauffage et l’EER (Energie Efficiency Ratio) en mode rafraîchissement. L’un et l’autre sont définis par la puissance restituée en W divisée par la puissance électrique en W absorbée par la machine, dans les conditions nominales. C’est-à-dire à puissance nominale. Il est courant que les pompes à chaleur affichent des COP supérieurs à 5 et un EER supérieur à 3, proche de 4.
Le COP et l’EER sont calculés à la puissance nominale. Pourtant, une pompe à chaleur, quelle que soit sa technologie, est rarement utilisée à sa puissance nominale durant la saison de chauffe ou la saison de refroidissement. Deux autres notions sont donc apparues pour mieux rendre compte de la performance saisonnière des pompes à chaleur : le SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) et le SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio). Le SCOP est la moyenne des COP calculés pour les températures extérieures de -7°C, +2°C, +7°C et +12°C. Même chose pour le SEER qui est la moyenne des EER calculés pour différentes températures extérieures comprises entre 13 et 46°C. ©ABC Clim
SCOP et SEER donnent une vision plus réaliste des performances saisonnières des pompes à chaleur. Mais ils n’étaient toujours pas parfaitement satisfaisant, dans la mesure où les constructeurs ont une certaine latitude dans le choix des températures extérieures pour la mesure des SCOP et SEER.
Lorsque l’Union Européenne a publié la Directive ecoDesign, elle a imaginé une nouvelle mesure de la performance annuelle : l’ETAS qui mesure l’efficacité saisonnière d’un appareil de chauffage dont la puissance est inférieure à 70 kW. Les appareils de plus de 70 kW ne sont pas soumis à cette réglementation. L’ETAS est exprimé en % et est conçu pour permettre la comparaison entre des appareils de chauffage reposant sur des technologies différentes : chaudières à gaz, chaudière bois, pompes à chaleur, …
Pour le chauffage, l’ETAS est désigné par ηs et représente la moyenne entre le rendement à puissance nominale et le rendement à 30% de la puissance nominale. Le règlement 811/2013 détaille les conditions de calcul. Selon la Directive ecoDesign, les fabricants sont obligés d’indiquer la valeur de l’ETAS pour chacun de leurs appareils de chauffage d’une puissance inférieure à 70 kW. Un grand nombre d’entre-eux ne le font pas. Les pompes à chaleur Intuis de la gamme HTi70, par exemple, affichent un ηs de 187% avec une température de départ d’eau à 35°C, de 133% avec un départ d’eau à 55°C pour le modèle de 6 kW. Cette valeur monte à 190% et 154% pour le modèle de 8 kW. Chez Viessmann, le rendement ηs de la gamme de pac air/eau Vitocal 150-A varie de 175 à 190%, selon les modèles, pour un départ d’eau à 35°C.
Depuis 2015, l’ETAS sert aussi de base à l’étiquetage énergétique des produits selon la Directive Etiquetage.
Les pompes à chaleur sont donc étiquetées de G à A+++, selon leur ηs et selon le fait qu’elles soient associées ou non à un régulateur et à des capteurs solaires, par exemple. ©PP/Ademe
Les fluides frigorigènes
Classement des fluides frigorigènesToutes les pompes à chaleur contiennent un fluide frigorigène. Les fluides sont désignés par un sigle qui leur est attribué par l’ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers). L’AHRAE se charge également, dans le AINSI/ASHRAE Standard 34-2019, de classer chaque réfrigérant en fonction de sa toxicité et de son inflammabilité.
Le fluide R410A, par exemple, est classé A1 : A pour non toxique, 1 pour non-inflammable. Le R454B est A2L, non toxique et légèrement inflammable. Tandis que le R290 est classé A3, non toxique, mais franchement inflammable. Le R514A, pour sa part est B1 : toxique, mais non-inflammable. Ces classements déterminent, pays par pays, des règles d’installations des pompes à chaleur air/air et air/eau qui les contiennent, souvent en fonction aussi de la charge de fluide dans la machine. ©PP
Le calcul de la charge admissible est organisé par la norme EN378, en fonction du classement du fluide et du type de ventilation des locaux, de manière à minimiser les risques pour les entreprises de maintenance et pour les occupants des locaux. Le calcul EN378 s’effectue en fonction du danger le plus important. Dans le cas du R32, classé A2L, ce sera donc son inflammabilité. La norme EN378 tient compte ensuite du volume de la plus petite pièce dans laquelle on trouve du R32. Le multisplit air/air Daikin Bluevolution contient au maximum 3,3 kg avec 5 unités intérieure. Le calcul prend donc cette charge et aboutit au fait que la plus petite pièce de la maison doit avoir une surface supérieure ou égale à 10,3 m², en retenant une hauteur sous plafond de 2,50 m. Dans une maison individuelle neuve, des chambres peuvent être en dessous de cette surface.
Fluides frigorigènes et règlements F-Gaz et Reach
Les fluides frigorigènes sont de plus impactés par deux règlements européens : le règlement F-Gaz et le règlement Reach. Pour réduire la contribution des pompes à chaleur et de la climatisation au réchauffement planétaire, l’Europe a adopté le Règlement F-Gaz sur les gaz fluorés en 2006, l’a sévérisé en 2015 et, en avril 2022, la Commission Européenne a proposé de rendre le règlement F-Gaz encore plus sévère. Le Parlement a modifié la proposition de la Commission en la sévérisant davantage encore. Le trilogue entre la Commission, le Parlement et le Conseil Européen est engagé. Nous devrions connaître le résultat au début de l’été ou à l’automne 2023.
Depuis 2015, le règlement F-Gaz met en œuvre un mécanisme de quotas de HFC (Hydrofluorocarbones) utilisables, décroissant régulièrement entre le 1er janvier 2015 et 2030. Les HFC sont les principaux fluides frigorigènes utilisés aujourd’hui dans les pompes à chaleur air/eau, eau/eau et air/air. Le quota est exprimé en tonnes équivalent CO2 (tCO2eq).
Sa valeur initiale en 2015 – 182,5 Millions tCO2eq – a été répartie entre les 411 producteurs et importateurs de HFC en vrac, alors actifs en Europe. Le but est de ramener le GWP (Global Warming Power ou PRP pour Potentiel de Réchauffement Planétaire) moyen du stock de réfrigérant installé dans les machines thermodynamiques en Europe à 400 tCO2eq en 2030. La proposition de révision contient une douzaine de points importants qui aboutissent à écarter du marché européen, dès 2025 ou dès 2027, selon les produits, les fluides réfrigérants dont le GWP est supérieur ou égal à 150. Ce qui élimine notamment le R32 (GWP = 675), massivement employé aujourd’hui. Si la proposition est acceptée, il ne restera assez rapidement que les fluides naturels ainsi que les HFO, comme le HFO1234ze (GWP = 6) et le HFO1234zd (GWP = 7).
Mais voilà, les HFO, de leur côté, sont menacés par la révision du règlement Reach lancée le 25 avril 2023 et qui devrait aboutir en 2025. Les HFO contiennent ou sont susceptibles de se dégrader en PFAs, dits "Forever Chemicals" parce qu’il faut plusieurs milliers ou dizaines de milliers d’années pour qu’ils se dégradent et disparaissent dans l’environnement.
Déjà très présents dans l’environnement et détectés jusque dans le sang humain, les PFAs sont responsables de plusieurs maladies chez l’homme, dont un cholestérol élevé, la rectocolite hémorragique, des maladies de la thyroïde, le cancer des testicules, le cancer des reins et l'hypertension durant la grossesse. Expérimentés sur des souris, ils ont conduit à une réduction du poids à la naissance, à des défauts à la naissance, décès à la naissance et développement ralenti.
L’ECHA (European Chemical Agency) a publié une liste des fluides frigorigènes susceptibles de produire des PFAs , dans laquelle figurent virtuellement tous les HFO, ainsi qu’un grand nombre de fluides frigorigènes qui sont des mélanges de HFO et de HFC. La Commission Européenne souhaite interdire les HFO dans la plupart des usages, dont en tant que fluides frigorigènes, pour des motifs de santé publique. Les chimistes résistent fortement et l’issue de la révision proposée du règlement Reach demeure incertaine. Si elle intervient dans les termes proposés par la Commission Européenne, il ne restera plus que les fluides suivants d’ici un petit nombre d’années :
L’usage de l’air et de l’eau en tant que fluides frigorigènes est encore balbutiant, mais au moins trois fabricants s’y essaient : Mirai Intex pour l’air, Johnson Controls et Efficient Energy pour l’eau.
Les qualifications nécessaires des intervenants
Les installateurs de pompes à chaleur doivent posséder plusieurs qualifications différentes. Pour attester leur savoir-faire et pour que les particuliers qui font appel à leurs services aient accès aux aides financières publiques en faveur de la rénovation des logements, les installateurs doivent être qualifiés RGE pour les pompes à chaleur. Trois organismes différents délivrent la ou les qualifications nécessaires :
Qualit’ENR délivre également la qualification RGE Qualiforage en géothermie, à la fois pour les boucles ouvertes et les boucles fermées. ©PP
Enfin, tous les opérateurs qui manipulent des fluides frigorigènes – installations de pompes à chaleur air/air, de pac air/eau bisplit avec liaison en fluide, entretien et dépannage de pompes à chaleur – doivent détenir une "Attestation d’aptitude à la manipulation de fluides frigorigènes" . La certification est délivrée à l’issue d’une épreuve théorique constituée de plusieurs questions destinées à évaluer les compétences ou connaissances et d'une épreuve pratique durant laquelle le candidat devra exécuter les tâches indiquées à l'aide du matériel, de l'outillage et de l'équipement nécessaires. Cette attestation est associée à la personne et non à l’entreprise qui l’emploie et porte sur près de 150 compétences que le candidat doit posséder. Elles vont de notions de base comme la connaissance des unités normalisées ISO pour la température, la pression, la masse, la densité et l'énergie, jusqu’à l’installation des composant des pac, comme installer correctement un condenseur ou une unité extérieure y compris le matériel de réglage et de sécurité, de telle sorte qu'aucune fuite ni aucune émission ne se produise une fois le système en fonctionnement. Selon le site internet de France Compétences, 173 organismes sont habilités à décerner cette attestation, dont de nombreux établissement de l’Afpa.
Les pompes à chaleur de grande puissance
L’avenir des pompes à chaleur se trouve également dans l’industrie, ainsi que dans les réseaux de chauffage et de froid urbains. Il est en effet possible de produire de l’eau à plus de 100°C à 120°C avec des pompes à chaleur. Dans l’agro-alimentaire, quantité d’usines utilisent pour leur process, de l’eau dans cette plage de température. ©GEA
Au moins six marques de pompes à chaleur haute température sont disponibles en Europe et sur le marché français :
Des installateurs, comme Clauger assemblent également des pompes à chaleur sur mesures pour leurs clients et atteignent des températures supérieures à 95°C.
Avec un partenaire norvégien, Hybrid Energy, Engie Axima mélange à la fois la compression et l’absorption dans sa solution GreenPac pour d’atteindre 120°C de température de départ d’eau surchauffée avec des pressions de fonctionnement de 20 bar seulement, en utilisant une solution eau/NH3 (R717).
L’allemand Dürr Thermea, dont le groupe Bosch possède une partie du capital, fabrique les pac eau/eau au CO2 de la gamme HHR, de 125 à 1450 kW. Ce sont des thermofrigo-pompes avec des COP de 3,9 à 4 et une performance globale (COP + EER) de 6,8 à 7,4 si l’on utilise à la froid la chaleur et le froid produits par les machines. Leur pression de fonctionnement peut atteindre 130 bar. Les machines sont équipées de deux à dix compresseurs semi-hermétiques GEA Bock HG34 pour CO2 transcritique.
Ces pac de grosse puissance utilisent soit du CO2, fluide naturel, soit des HFO, menacés à terme par le règlement européen F-Gaz.
Voilà, il ne manque plus qu’une description des pompes à chaleur à absorption ou à adsorption. Mais, il s’en vend moins d’une centaine par an en France. Si de nouveaux acteurs ou une innovation apparaissent, nous complèterons cet article.
Au moment où l’Europe et la France poussent le développement des pompes à chaleur dans le logement, le tertiaire et dans l’industrie, il est temps de se pencher en détail sur leur fonctionnement. |
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