Nous nous proposons de décrire les choix et la mise en oeuvre
des systèmes liès au pompes à chaleur que nous
avons mis en place à titre personnel dans notre maison
familiale. Il s'agit d'exemples pouvant renseigner ou inspirer le
lecteur, mais pas d'un cas d'école.
Présentation et mode de fonctionnement
Le système des pompes à
chaleur (PAC) permet de récupérer (pomper)
des calories dans un environnement et de les restituer par le biais
d'un échangeur. Un exemple de ce système est le
réfrigérateur, qui "pompe" la chaleur à
l'intérieur de votre réfrigérateur et abaisse la
température, et restitue cette chaleur habituellement
derrière celui-ci, au niveau de la grille métallique. Comment cela fonctionne-t-il ?
: Lorsque l'on détend un gaz, il absorbe de l'énergie.
Ainsi, si on ouvre une bouteille contenant un gaz sous pression (une
bouteille de plongée par exemple), l'air sous pression
s'échappe de la bouteille et il se forme des cristaux de glace
au niveau de la sortie.
A l'inverse, lorsque l'on comprime un gaz, celui-ci dégage de la
chaleur (cas de la pompe à vélo qui s'échauffe
lorsque l'on gonfle un pneu, à modérer par le fait que
l'échauffement soit plus dû au frottement de l'air
qu'à la compression du gaz). En quoi est-ce intéressant ?
Bilan énergétique ? Notion de chaleur latente
Lors d'un changement d'état (ici passage de l'état
liquide à gazeux), il y a un surplus d'énergie à
récupérer dans le processus décrit
précédemment, c'est la notion de chaleur latente.
Afin de le comprendre, prenons l'exemple de la casserole d'eau que l'on
fait bouillir. Aux conditions normales de pression et de
température (CNTP), l'eau bout à 100 °C. Si on mesure
la température de l'eau quand on la chauffe, on constate que
l'eau se met à bouillir quelques
instants après avoir atteint 100 °C. Ce surplus
d'énergie nécessaire (chaleur latente) est
récupéré de manière optimale par les pompes
à chaleur et permet d'obtenir plus d'énergie que ce qui
est nécessaire pour comprimer et détendre le gaz. Cette
notion est traduite sous forme de coefficient
de performance (COP) qui indique le rapport entre
l'énergie restituée et l'énergie consommée.
Un COP de 3 indique que pour une consommation électrique de 1
kW, la PAC fournira 3Kw de chaleur. On ne paye donc que 1Kw
d'électricité pour obtenir 3kW de chauffage. Les gaz
utilisés dans les pompes à chaleur ont une
température d'ébullition très basse (de l'ordre de
-70°C), ce qui permet de récupérer de
l'énergie jusqu'à des températures
inférieures à 0°C, en tenant compte du fait que plus
la température ambiante est basse, plus le rendement diminue.
Il existe différents types de
pompe à chaleur, en fonction de :
où elles tirent les calories (dans de l'air,
dans de l'eau, dans de la terre pour la géothermie)
où elles les restituent (dans de l'air ou
dans de l'eau).
Ainsi une pompe à chaleur qui récupère la chaleur
de l'air ambiant et la restitue dans de l'eau sera de type air / eau.
Aussi, certaines PAC sont de type "mono split", c'est à dire que
la totalité de l'appareil est regroupée en un seul
élément (cas de la photo au début de cet article),
alors que d'autres "multi-split" sont constituées de deux (ou
plus) éléments, un compresseur à
l'extérieur qui récupère les calories (en cas de
chauffage) et un (ou plus) élément dans le local à
chauffer relié au premier par le circuit de fluide frigorifique.
Par ailleurs, certaines pompes à chaleur sont
réversibles, c'est à dire qu'elles peuvent aussi
rafraîchir au lieu de chauffer, offrant ainsi une fonction de
climatisation. De plus, certaines offrent la possibilité
d'assècher l'air (sur pompes à chaleur avec de l'air en
sortie).
Différents types d'implantations et d'utilisations.
L'étude avant l'installation doit être
effectuée par un professionnel, et ne s'improvise pas en
quelques minutes. Il convient de dimensionner correctement
l'installation en fonction du besoin (chauffage, eau chaude sanitaire,
rafraîchissement) et tenir compte des écarts de rendement
de la PAC selon la température où sont
prélevées les calories.
La réalisation elle aussi ne doit pas être prise à
la légère, car certaines erreurs peuvent entraîner
un coût de fonctionnement supérieur au gain.
Avant toute décision, il convient de procéder à
l'isolation thermique du bâtiment afin de minimiser le besoin
énergétique. Dans le cas de logement neuf, et même
en rénovation lorsque c'est possible, le couple plancher
chauffant / pompe à chaleur est une solution confortable est
énergétiquement assez peu gourmande. Maintenant que l'on
peut obtenir des températures d'eau supérieures à
50°C en sortie de PAC, un chauffage traditionnel avec des
radiateurs devient compatible avec cette technologie.
Il est possible de choisir entre une PAC assurant seule la fonction de
chauffage du logement, une autre solution consiste à utiliser
une PAC en "relève de chaudière". Cette solution consiste
à conserver la chaudière existante, et à utiliser
la PAC pour pré-réchauffer l'eau qui revient des
radiateurs ou du plancher chauffant avant de passer par la
chaudière qui n'a qu'un
léger surplus de température à apporter. C'est ce
dernier cas que nous avons choisi d'illustrer dans cet exemple. De
plus, nous avons installé une climatiseur réversible
bi-split en appoint rapide de chauffage dans la partie la plus
utilisée de la
maison, et qui permet de rafraîchir de quelques degrés la
température en cas de canicule.
La présence d'un insert avec récupérateur de
chaleur vient compléter l'installation de chauffage tout en
permettant de profiter des joies d'un bon feu de bois.
Nous avons placé un petit ventilateur sur la grille de sortie
d'air chaud déclenché par un thermostat lorsque la
température de l'enceinte de l'insert est supérieure
à 30°C, évitant d'avoir à actionner
manuellement la ventilation. Ce type d'équipement existe sur le
marché et vous le trouverez chez le vendeur de votre insert.
Exemple de raccordement de PAC en relève de chaudière
Raccordement hydraulique
Sur le circuit de retour chauffage, juste avant la chaudière,
nous avons installé une bouteille mélangeuse dans
laquelle la PAC aspire l'eau tiède et la renvoie après
l'avoir réchauffée. Noter la présence du purgeur
automatique en partie haute, et les vannes avec robinet de purge
permettant d'isoler la PAC ou de vider le circuit d'eau pour intervenir
sur la PAC sans arréter le chauffage ou encore pour se
protéger des risques de gel en cas de coupure électrique
par grand froid). Contrairement à cette photo, il convient
d'emmitoufler la bouteille dans un bon isolant thermique, ainsi que les
canalisations départ et retour PAC.
Les deux canalisations sont isolées (gaine) avant passage
à l'extérieur et l'orifice est bouché avec de la
mousse expansive qui sera proprement découpé une fois
l'installation terminée.
A l'exterieur, la PAC est raccordée par deux flexibles afin de
ne pas transmettre de vibrations à
l'ensemble de l'installation. De même, la PAC est placée
sur un matériau anti-vibrations (mousse spéciale +
silent-blocs). Penser que la PAC doit être raccordée au réseau d'évacuation,
car elle génère beaucoup de condensation en mode
chauffage. Nous récupérons cette eau
"déminéralisée" pour le fer à vapeur et
pour nos orchidées plutôt que de la perdre.
Raccordement électrique
Pour fonctionner, une PAC a besoin d'electricité. Actuellement,
on atteint des puissances d'environ 12kW maximum pour des PAC
raccordées au réseau 220 Volts mono-phasé. Au
delà, il faut passer à un abonnement electrique pour du
380 Volts tri-phasé. Dans le cas présent, il s'agit d'une
PAC 12 kW en 220 Volts mono-phasé. le passage à un
abonnement électrique fournissant jusqu'à 60
Ampères a été nécessaire. Cela
dépend du nombre d'équipements électriques
raccordés (ballon d'eau chaude, plaques de cuisson, convecteurs,
congélateurs, refrigérateurs, climatiseurs, etc).
Entre le disjoncteur différenciel à la sortie du compteur
et le boîtier de raccordement de la PAC, passer du câble 3
fils (Phase Neutre Terre) de section suffisante en fonction de la
puissance et de la longueur totale du câble (ici, 3 câbles
de 6 mm2 de section), protégé par une gaine. Au niveau du
tableau electrique de la PAC, placer un disjoncteur différenciel et un
disjoncteur approprié (ici bipôlaire de 40A) de courbe D (spécial pour
courants forts de démarrage, car c'est lors de la mise en route
du compresseur de la PAC que l'intensité demandée atteint
un pic). Puis raccorder la sortie du disjoncteur à
l'alimentation électrique de la PAC.
Règlages et régulation
Dans le cas d'une PAC en relève de chaudière, il
convient d'avoir une température d'eau de chaudière
supérieure à celle produite par la PAC, le
différenciel étant fourni par la chaudière. Afin
d'optimiser le fonctionnement de la PAC sur celui de la
chaudière, nous avons opté pour une température de
PAC à 50°C et à peine plus pour la chaudière.
Cela signifie que la chaudière n'a que très peu
d'énergie à fournir pour le chauffage en temps normal, et
par grand froid, le règlage de la pente de la chaudière
(multiplicateur déterminant la température de l'eau de
chauffage en fonction de la température extérieure,
permettant de chauffer plus les radiateurs par grand froid qu'à
mi-saison) augmente la température de l'eau de chauffage.
Un thermostat d'ambiance radio (sans fil) pilote le circulateur de
chauffage.
