Les performances des
pompes à chaleur aquathermiques
Une
caractéristique importante des pompes à chaleur sur nappe phréatique (PAC à
eau) est d'utiliser l'eau à environ 12 °C provenant d'un pompage à faible
profondeur dans un sous-sol alluvionnaire et de rejeter l'eau de cette source
dite froide à une température encore plus froide. C'est le cœur même de la PAC
dans un cycle thermodynamique presque idéal, utilisant les propriétés enthalpiques de fluides caloporteurs modernes capables
d’assurer les transferts thermiques, qui permet d'obtenir ce résultat. Le
fonctionnement conventionnel d'une PAC génère un flux thermique capable
d'assurer le chauffage des maisons individuelles ou des immeubles. Comme les
miracles n'existent pas il faut naturellement apporter de l'énergie pour
assurer le cycle thermodynamique du fluide caloporteur. Cette énergie est
électrique et a naturellement un coût. Un compresseur, entraîné par un moteur
électrique comprime le fluide caloporteur pour assurer le cycle
thermodynamique. Il augmente la pression du fluide caloporteur alors qu'il est
en phase gazeuse avant qu'il ne passe à l'état liquide dans le condenseur.
Ces transferts
thermiques sont d'autant plus intéressants et économiques pour l'utilisateur
que la différence de température entre la source froide et la source chaude est
faible. Cette particularité de la pompe à chaleur est importante pour
l'utilisateur car elle conditionne en grande partie son coût d'exploitation.
Elle privilégie l'eau par rapport à l'air en tant que fluide utilisé pour la
source froide. L'eau, lorsqu'elle est pompée dans le sous-sol a une température
sensiblement constante de 12°C et ceci même en hiver. L'air ambiant au
contraire peut avoir une température négative ce qui augmente la différence de
température entre les sources froide et chaude et affecte le rendement.
Avec les
pompes à chaleur à eau moderne, la température de rejet de l'eau vers le
sous-sol ou dans la rivière est de l'ordre de 4° C, voire même inférieur. (au Canada les températures de rejets sont même probablement
inférieures puisque ces techniques sont utilisées pour consolider le sous-sol
par gélification en complément du chauffage) Les débits d'eau mis en jeu ne
sont pas importants en regard des débits souvent disponibles dans nos nappes
aquifères et très faibles par rapport au débit de la rivière. Les puissances thermiques mise en jeu par contre
sont loin d'être négligeables. La puissance thermique générée par un débit
d'eau de 4 l/s (15 m3/h) dont la température chute de 8°C est de l'ordre de 130
kW. (Chaleur spécifique de l'eau : 1 calorie/gramme et °C avec l'équivalent
mécanique de la calorie de 4,18 joules)
Cette puissance est suffisante pour chauffer un gros immeuble
correctement isolé avec des coûts d'exploitation réduit par rapport à celui de
l'énergie produite à partir de la combustion des produits fossiles.
A l'encontre
des centrales nucléaires qui se servent de l'eau de la rivière pour refroidir
le réacteur et qui rejette de l'eau tiède dans celle-ci, le gros avantage d'une
PAC à eau – lorsqu'elle est utilisée pour le chauffage - est l'abaissement de
la température de l'eau de la rivière lorsque l'eau sortant de l'évaporateur
est rejetée directement dans cette dernière. A l'inverse de la chaleur, le
froid diminue en général l’activité microbienne et bactériologique. En
diminuant ces activités, il réduit la consommation d’oxygène qui en résulte ce
qui conduit à une diminution de la pollution des eaux.
On trouve
maintenant sur le marché des constructeurs qui proposent des PAC à eau dans des
gammes de puissance allant de 20kW à 500 kW couvrant la plupart des besoins
individuels et collectifs en chauffage.
La raison pour
laquelle la technologie des pompes à chaleur sur nappe phréatique ou aspirant plus
simplement l'eau de la rivière n'est pas plus développée en France est
probablement financière. Le fait que le prix du gaz soit indexé sur le pétrole
va conduire à augmenter sensiblement le prix du gaz et être une incitation au
développement des PAC à eau en France. L'avance de l'Allemagne sur la France
dans ce domaine s'explique probablement par le fait que le gaz est 2 fois plus
cher en Allemagne qu'en France. Ces technologies étant relativement nouvelles,
l’utilisateur final, qui doit se transformer en Maître d’œuvre pour faire
aboutir le projet, était jusqu'à maintenant peu enclin à jouer le rôle de
cobaye, l’incitation financière était trop faible. De plus, il ne suffit pas
que la technologie d’un produit soit aboutie pour qu'il soit utilisé. Ces pompes
à chaleur sur nappe phréatique mériteraient en tout cas à être mieux connu. Claude Allègre n'avait pas tort de dire dans son
dernier livre que, en France, la vérité scientifique met beaucoup de temps à
être acceptée.
On dit souvent
que la consommation de produits fossiles en France se partage à part
sensiblement égales entre les besoins liés au chauffage des habitations et ceux
de la consommation des moteurs thermiques assurant le transport routier. A
défaut de fournir de l'énergie mécanique, et a fortiori de l’énergie électrique
puisqu’elles en consomment, la capacité des PAC à eau de délivrer
économiquement des puissances thermiques importantes adaptées au besoin du
chauffage urbain en n'envoyant que très peu de gaz nocifs dans l'atmosphère
comparativement à la combustion des produits fossiles est très intéressante
pour notre environnement.
En complément
des principaux avantages tels que le faible coût d'exploitation et une relative
indépendance de l'utilisateur sur le plan énergétique, elle présente de petits
avantages comme celui de pouvoir arroser gratuitement son jardin avec l'eau de
retour de la source froide moins calcaire, plutôt que de payer au prix fort
l'eau du robinet. Elle nous
donne aussi une opportunité de régénérer notre sous-sol qui
en a bien besoin en filtrant éventuellement l'eau avant de la réinjecter dans
celui-ci ou de rejeter cette eau dans la rivière.
Il pourrait être de notre intérêt de
nous rapprocher de pays en avance sur nous dans ce domaine. La Suisse,
l'Allemagne et le Canada font partie de ceux-là. Ils sont de plus proches de
nous sur le plan affectif.
Allons-nous comme Astérix attendre que le ciel nous tombe sur la tête.
Un peu de théorie
La structure générale d’une PAC soumise à deux sources de chaleur (dite ditherme) est donnée ci – dessous. Grâce à l’énergie
électrique We fournie à ce système, on absorbe à la source
froide (qui est à la température Tf) l’énergie thermique Wf et on rejette à la source chaude (à la
température Tc > Tf) l’énergie thermique Wc.
En
isolant le système constitué par la PAC, le bâtiment et son sous-sol, on peut
dire en raison du principe de la conservation de l'énergie
que l'énergie thermique Wc dissipée par
l'immeuble est égale à la somme des énergies thermiques provenant du
sous-sol Wf majoré de l'énergie électrique We d’entraînement
du compresseur de la PAC.
Wc = Wf + We 1)
Le COP de la PAC est par définition le rapport entre l'énergie thermique
(gratuite) et l'énergie électrique (payante) W d'entraînement du
compresseur
COP = Wc /
We 2)
En supposant que la machine ainsi considérée décrit un cycle
thermo dynamiquement idéal (en principe réversible), l’application du
second principe1) au système ditherme, permet d’écrire : Wc / Tc = Wf / Tf (égalité de
Clausius)
ou Wc / Wf = Tc / Tf 3)
en considérant les équations 1 et 3 2) s'écrit COP = Wc / We = ( Wf + We) / We = ( Wc / (Tc / Tf) + We) / We = Wc/ We / (Tc / Tf ) + 1 = COP / (Tc / Tf) + 1
COP - COP / (Tc / Tf) = 1 ou COP ( 1 - 1/ Tc/Tf) = 1 formule qui peut se mettre sous la forme
COP = Tc/(Tc-Tf)
Cette formule importante permet de comparer les différents types de pompe à chaleur suivant que l'eau le sol ou l'air est utilisé en tant
que source froide pour les transferts thermique. Elle permet en effet de se
faire une idée de la façon dont le rendement de la pompe à chaleur se dégrade
lorsque la différence entre la température de la source chaude et celle de la
source froide augmente. Bien qu'issue de théories anciennes basées sur le
principe de la Machine de Carnot et de fluide caloporteur tel que
l'eau initialement utilisée pour les locomotives, elle prouve que le rendement d'une pompe à chaleur est amélioré lorsque
la température de l'eau pompée augmente ou inversement lorsque la température
du circuit de chauffage diminue (utilisation de radiateurs largement
dimensionnés ou planchers chauffants basse température). Les progrès effectués récemment avec les fluides
caloporteurs modernes permettent d'arriver à des COP de 5 (voir 6 pour les PAC aquathermiques de forte puissance) avec un chauffage au sol
basse température. La réutilisation des radiateurs muraux des immeubles anciens
est également envisageable pour la raison qu’ils étaient largement dimensionnés
avant 1975. Le rendement peut être notablement affecté si la température
requise à la source chaude est trop élevée. Sur les pompes à chaleur aquathermiques modernes, une température de sortie
condensateur de 55°C entraîne un COP qui reste supérieur à la valeur minimum
admise de 3. Vu le le coût important de l'énergie
électrique il est généralement plus intéressant en terme d'amortissement de
remplacer les radiateurs en place.
1)Voir le
fichier école des élèves et professeurs du lycée
Paul Langevin (Voir page 43 les critères de choix des fluides frigorigènes)
Voir également comment l'énergie thermique Wc délivrée par la pompe à chaleur est utilisée pour
chauffer l'habitation.