Quels sont les types de pompes à chaleur ?

Les pompes à chaleur extraient de la chaleur à l'environnement immédiat : chaleur thermique de l'air ou chaleur géothermique du sol ou de l'eau souterraine ou de surface. Elles transfèrent cette chaleur à l'eau de votre système de chauffage ou sous forme d'air chaud.

 

Les pompes à chaleur peuvent être classées:

 

  • selon leur source d'énergie (sol, eau ou air) et leur système d'échange (eau ou air).
  • selon leur champ d'application (chauffage et/ou eau sanitaire)

 

Tous ces types de pompes à chaleur peuvent travailler classiquement (voir fonctionnement) ou être combinés à d'autres sources ou systèmes d'énergie. Dans ce dernier cas, nous parlons de systèmes hybrides.

I. Pompes à chaleur selon leur source d'énergie et leur système d'échange

1. Pompe à chaleur sol-eau

Grond-waterwarmtepomp

Les pompes à chaleur sol-eau utilisent la géothermie, c'est-à-dire la chaleur tellurique. Cette température est plus constante que la température de l'air puisqu'elle dépend partiellement de la température du noyau terrestre (magma). Grâce à la stabilité de ces températures, les pompes à chaleur sol-eau ont des températures d'arrivée plus hautes et connaissent des variations de température plus faibles, que les systèmes s'appuyant sur l'air.

 

Les pompes à chaleur puisent leur énergie au travers d'un réseau de captage vertical ou horizontal. Ce réseau se compose d'un système de tuyaux, remplis d'eau et d'un antigel. Ce fluide circule au-travers de l'évaporateur de la pompe à chaleur (voir fonctionnement d'une pompe à chaleur).

 

Réseau de captage vertical

 

Le réseau de captage vertical (également appelé collecteur thermique vertical) se compose de sondes introduites verticalement dans le sol. Le dimensionnement (profondeur) dépend de la composition du sol, du degré d'isolation de la maison et de la puissance de la pompe à chaleur. Il faut préalablement procéder à une analyse du sol et les forages doivent être autorisés par l'État. La profondeur des trous de forage peut varier de 150 à 200 mètres. Si vous allez au-delà de 150 mètres, il vous faut un permis d'environnement. Si vous forez à moins de 50m, une simple notification suffit, à moins que vous ne vous trouviez dans une zone de pompage d'eau. Le dimensionnement du système de captage est calculé par des spécialistes. Les pompes à chaleur sol-eau dotées d'un réseau vertical affichent un rendement particulièrement élevé (le rendement moyen est de 50 watts par mètre vertical) et nécessitent moins de surface qu'un réseau de captage horizontal. Puisqu'elles captent la chaleur à grande profondeur, elles sont aussi moins sensibles aux variations de température (de la source) que d'autres systèmes. Enfin, le réseau de captage vertical présente encore un troisième avantage, à savoir que l'eau fraîche (+/- 10 °C) peut être utilisée en été à des fins de 'free-cooling'. En revanche, l'installation est plus coûteuse.

 

Réseau de captage horizontal

 

Le réseau de captage horizontal (également appelé collecteur thermique horizontal) est enfoui horizontalement à une profondeur d'au moins 1 mètre. Ce type de réseau nécessite une surface relativement importante, en fonction de la puissance de la pompe à chaleur, du degré d'isolation de la maison et du système d'échange. Ici aussi, le bon dimensionnement est primordial et la composition du sol joue un rôle dans la détermination de la profondeur et du dimensionnement. Puisque les températures varient davantage en surface, le rendement est inférieur à celui d'un réseau de captage vertical et les variations de température de la source sont plus grandes. Néanmoins, une pompe à chaleur sol-eau avec un réseau de captage horizontal présente toujours un rendement sensiblement supérieur et une consommation plus faible qu'un système de pompe à chaleur s'appuyant sur l'air. Elle offre aussi des températures d'échange supérieures, permettant de ce fait un raccordement aux systèmes de chauffage existants, même si la combinaison avec un chauffage par le sol ou des ventilo-convecteurs fournit les meilleurs résultats. Les frais d'installation sont toutefois plus élevés et, en cas de rénovation ou de jardin déjà aménagé, l'installation d'un réseau de captage horizontal n'est pas toujours possible.

2. Pompe à chaleur eau-eau

Water-waterwarmtepomp

Le fonctionnement d'une pompe à chaleur eau (souterraine) – eau est comparable à celui d'une pompe à chaleur sol-eau reliée à un réseau vertical. Bon nombre de pompes à chaleur peuvent dès lors utiliser tant l'eau souterraine que le sol comme source de chaleur. L'eau souterraine est directement pompée et conduite vers l'évaporateur de la pompe à chaleur, où elle libère sa température à l'installation de chauffage. À l'instar du sol, l'eau souterraine présente une température relativement stable grâce à la géothermie. Une pompe à chaleur eau-eau utilise une pompe d'aspiration pour pomper l'eau souterraine du sol, et un puits d'évacuation pour renvoyer l'eau utilisée dans le sol. L'évaporateur de la pompe à chaleur extrait la chaleur de l'eau et la transmet à l'eau du système de chauffage (chauffage central, chauffage mural ou par le sol) et de la production d'eau chaude.

 

Puisque la température de l'eau de la source est relativement stable, ce type de pompe à chaleur affiche un rendement très élevé. Sachez toutefois que l'érosion du puits de forage peut, à terme, générer des frais, que la consommation de la pompe de profondeur peut annuler le rendement de la pompe à chaleur et que le débit de puisage doit être suffisant pour pouvoir extraire la puissance nécessaire.

 

3. Pompe à chaleur air-eau

Lucht-waterwarmtepomp

Les pompes à chaleur air-eau récupèrent la chaleur thermique de l'air et la transfèrent à l'eau du système de chauffage. Le SCOP de ce type d’appareil dépend de la température de l'air et du type de pompe à chaleur air-eau. Il existe en effet quantité de modèles de pompes à chaleur air-eau sur le marché, affichant des performances saisonnières très variables. Les pompes à chaleur air-eau ne nécessitent pas de réseau de captage très étendu puisque le réfrigérant dans l'échangeur de chaleur (évaporateur) est en contact direct avec l'air. De ce fait, leur coût d'installation est relativement faible par rapport par ex. aux pompes à chaleur sol-eau. Avec une température extérieure avoisinant 0 °C, la vapeur d'eau givre, mais la pompe à chaleur inverse son cycle à intervalles réguliers et assure ainsi le dégivrage de l'évaporateur.

 

La pompe à chaleur air-eau est facile à utiliser tant dans les nouveaux bâtiments que dans les rénovations. Lors d'une rénovation, il est important que le système d'émission soit adapté à un système de chauffage à basse température. Le meilleur rendement est obtenu avec un chauffage par le sol ou des ventilo-convecteurs. Si un système d'émission à basse température n'est pas possible, il est préférable d'opter pour un système hybride. Dans ce cas, vous combinez la pompe à chaleur avec une chaudière à haut rendement ou à condensation, qui peut prendre le relais lorsqu'une température d'émission plus élevée est requise.

 

Les systèmes qui extraient la chaleur/les calories de l'air évacué de systèmes de ventilation mécaniques fonctionnent en général selon ce principe.

4. Pompe à chaleur air-air

Lucht-luchtwarmtepomp

Ce type de pompes à chaleur fonctionne selon le même principe que les pompes à chaleur air-eau. La différence réside dans le fait que la chaleur extraite est insufflée sous forme d'air chaud dans les pièces à réchauffer. Ces pompes à chaleur sont dès lors utilisées dans des situations qui ne permettent pas la pose d'un système de chauffage à eau circulante ou en chauffage d'appoint pour des pièces non chauffées par exemple, lorsqu'une extension du chauffage s'avère impossible ou coûterait trop cher.

 

5. Chauffe-eau thermodynamique

Warmtepompboiler

Il existe aussi des pompes à chaleur spécifiquement conçues pour la production de l'eau chaude sanitaire. Un chauffe-eau thermodynamique est un système qui récupère l'air intérieur ou extérieur non chauffé, avec ou sans tubage aéraulique, comme source d'énergie pour chauffer l'eau sanitaire. Le chauffe-eau thermodynamique peut être installé dans une cave ou relié à un système de ventilation mécanique où il extrait la chaleur résiduelle de l'air évacué. Il existe aussi sur le marché des chauffe-eau thermodynamiques en split qui se composent d'un appareil extérieur et d'un chauffe-eau à l'intérieur. Lorsque le rendement de la pompe à chaleur diminue, on peut basculer sur un chauffage d'appoint fourni par une chaudière gaz ou mazout. La combinaison d'un chauffe-eau thermodynamique avec des capteurs solaires thermiques peut vous offrir une économie d'énergie supplémentaire. La consommation des chauffe-eau thermodynamiques est environ trois fois inférieure à celle de chauffe-eau électriques classiques. Voici la manière idéale de réduire sa facture d'énergie en cas de rénovation.

 

Les chauffe-eau thermodynamiques sont parfaits pour augmenter l'autoconsommation de vos panneaux solaires. De plus en plus de modèles sont équipés d'un contact « smart grid ». Votre chauffe-eau thermodynamique chauffe alors davantage lorsque vous produisez de l'électricité gratuitement.

 

II. Les pompes à chaleur en fonction de leur application

  1.  L'application première des pompes à chaleur classiques est le chauffage d’habitation (directement ou par le biais d'un chauffage par le sol et/ou mural.)
  2. Il existe aussi des pompes à chaleur spécialement destinées à la production d’eau chaude sanitaire. Nous parlons alors de chauffe-eau thermodynamique (voir ci-dessus).
  3. Bon nombre de modèles sur le marché combinent la fonction de chauffage à celle de production d’eau chaude sanitaire. Nous parlons dans ce cas de systèmes combinés.

 

Pour plus d'infos, voir les applications.

III. Systèmes hybrides

Les systèmes hybrides combinent la technologie de la pompe à chaleur à d'autres sources ou systèmes d'énergie.

 

Il s'agit souvent de la combinaison d'une pompe à chaleur avec une chaudière basée sur un combustible fossile classique (gaz ou mazout par ex.). La chaudière fonctionne alors en chauffage d'appoint lorsque le rendement de la pompe à chaleur est trop faible ou lorsque la chaudière gaz se charge de la production de l'eau chaude sanitaire.

 

Il existe aussi des systèmes hybrides qui associent la pompe à chaleur à d'autres sources d'énergie renouvelable. Certains modèles sont raccordés à des capteurs solaires thermiques et combinent par conséquent le fonctionnement d'une pompe à chaleur et d'un chauffe-eau solaire.

 

Il existe aujourd'hui un nouveau système de pompe à chaleur qui combine un accumulateur de glace d'un volume d'eau d'environ 10 m³ et un nombre prédéfini d'absorbeurs d'énergie solaire installés sur le toit. Lorsque le système soustrait de la chaleur à l'eau, il exploite d'abord la chaleur collectée par le capteur solaire. Plus il fait froid à l'extérieur, plus on sollicite l'eau dans le réservoir. Un litre d'eau glacée fournit la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un litre d'eau à 80 °C.

 

Une autre nouveauté réside dans le fait que la pompe à chaleur hybride peut être pilotée en fonction des prix de l'énergie : si le prix du gaz baisse et que le prix de l'électricité augmente, on chauffe davantage au gaz et vice versa.