Les pompes à chaleur sont des appareils capables de « pomper » des calories d’un milieu froid pour les injecter dans un milieu plus chaud. Il s’agit donc d’appareils produisant de la chaleur ou du froid suivant le sens de pompage considéré.
Elles consomment soit de l’électricité, soit du gaz (naturel fossile ou biogaz renouvelable). Toutefois, on peut considérer qu’elles valorisent une source d’énergie renouvelable qui est l’énergie thermique du milieu ambiant (pour faire un raccourci, elles valorisent la « température » extérieure). De plus, les pompes à chaleur « produisent » plus d’énergie qu’elles n’en consomment. Les ratios souvent cités pour des pompes à chaleur (ex : de type air/air pour le chauffage domestique) sont de 1 KWh consommé pour 4 kWh restitués sous forme de chaleur .
Dans la mesure où elles produisent de l’énergie à petite échelle à proximité des consommateurs finaux, on peut les considérer comme des systèmes de production d’énergie décentralisée.
La plupart de ces systèmes sont de petite taille (puissances variant de 9 à 18 kW en moyenne) et donc particulièrement adaptés pour le chauffage résidentiel, bien qu’il existe des pompes à chaleur plus importantes qui alimentent des réseaux de chaleur à l’échelle de quartiers.
Usages
Les usages de la pompe à chaleur sont :
Le chauffage
La production d’eau chaude sanitaire
La climatisation
Le chauffage plus la climatisation (dans le cas de pompes à chaleur réversibles).
Les pompes à chaleur servent à des usages résidentiels et tertiaires.
Principe de fonctionnement
Selon la nature du milieu dont on récupère l’énergie thermique, on trouvera des pompes à chaleur :
Aérothermiques
Géothermiques
Aquathermiques
Les pompes à chaleur aérothermiques sont la version la plus rencontrée de ces appareils. Utilisées pour le chauffage, elles récupèrent la chaleur de l’air extérieur pour la transmettre à un circuit hydraulique, à des radiateurs ou encore à un plancher chauffant (PAC air-eau) ou directement à l’air de la pièce via des ventilo-convecteurs (PAC air-air).
De plus, certaines sont réversibles, pouvant donc également servir pour la climatisation. Dans ce cas, la chaleur est récupérée à l’intérieur de l’habitat et libérée dans l’air ambiant.
Lorsque l’énergie thermique utilisée provient du sol, on parlera de pompes à chaleur géothermiques. En fonction de la profondeur à laquelle on « puise », il s’agit de géothermie profonde ou de surface. Dans les deux cas, les rendements obtenus sont nettement supérieurs à ceux des PAC aérothermiques. Cependant, elles ont des coûts d’installation plus élevés et des impacts importants sur le terrain utilisé.
La variante dite « aquathermique » des pompes à chaleur fait généralement référence aux pompes à chaleur puisant leur énergie thermique dans les nappes phréatiques. Il est possible d’utiliser d’autres sources aquatiques (cours d’eau, étangs, puits, etc.). Cependant, les étendues d’eau à l’air libre disponibles pour les particuliers ont une température souvent trop variable pour être valorisée de façon significative. En revanche, des PAC de grande dimension sont développées sur les littoraux pour profiter de la grande interie thermique de l’eau de mer. Ces PAC aquathermiques ont des rendements très intéressants.
Focus sur la ville de Marseille et son système « boucle d’eau de mer »
Dans le cadre du projet Ecocité, la ville de Marseille et l’établissement public Euroméditerranée travaillent depuis maintenant quatre ans à la création d’un réseau de climatisation et de chauffage exploitant le potentiel thalassothermique de la région.
Déjà mis en pratique avec succès dans d’autres agglomérations méditerranéennes, notamment à La Seyne-sur-Mer, le principe consiste à faire bénéficier des bâtiments de l’inertie thermique de la mer, grâce à un réseau de pompes à chaleur fournissant de la fraîcheur en été et de la chaleur en hiver. Dans le cas de Marseille, il s’agit d’un quartier s’étendant sur près de 200 hectares.
Cette ambitieuse démarche a bien évidemment un coût. Estimé entre 65 et 75 millions d’euros, le prix d’une telle installation est particulièrement lourd et pose le problème des sources de financement. Pour autant, le projet n’en est pas moins prometteur. En effet, cette infrastructure permettrait d’atteindre un bilan de consommation énergétique diminué de moitié pour les logements et de 56% pour les bureaux desservis par la boucle.
L’avis d’appel public à la concurrence devrait être lancé sous neuf mois, pour un début des travaux courant 2015.
La pompe à chaleur récupère l’énergie thermique de l’air extérieur grâce à un premier échangeur (évaporateur) au sein duquel le fluide frigorigène, froid et liquide, passe à l’état gazeux.
Puis, le gaz est aspiré par le compresseur, voyant ainsi sa pression et sa température augmenter.
C’est dans le condenseur qu’a lieu l’échange de chaleur qui va permettre le chauffage : l’eau du réseau de chauffage central (ou l’air de la pièce) circule à travers le condenseur, récupérant ainsi la chaleur du gaz.
Revenu à l’état liquide, le gaz passe alors par le détendeur afin de retrouver une température basse, avant de rejoindre l’évaporateur.
NB : le principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur reste le même lorsqu’elle est utilisée pour la climatisation, il suffit d’inverser le cycle (le milieu extérieur devient alors la « source chaude »).
Outre les PAC électriques, il existe des variantes fonctionnant au gaz naturel. Un système particulièrement innovant est la PAC à absorption gaz, dans laquelle la compression mécanique est remplacée par une compression thermochimique. Le fluide frigorigène (un mélange d’eau et d’ammoniac) est alors réchauffé par un brûleur au gaz naturel, permettant l’évaporation de l’ammoniac de l’eau (et donc la montée en pression du fluide dans le circuit).
Avantages et inconvénients
Les avantages des systèmes PAC sont les suivants :
Les PAC valorisent l’énergie thermique ambiante.
L’énergie thermique ambiante est disponible très simplement (surtout l’énergie thermique de l’air ambiant) et les PAC sont une alternative économiquement intéressante pour le chauffage résidentiel (en bonnes conditions d’utilisation le coefficient de performance est de 2,5 à 5 voire plus selon les machines, contre des coefficients inférieurs à 1 pour tous les autres systèmes de chauffage utilisant des sources primaires fossiles ; par exemple, à confort thermique similaire, une PAC utilise 2 à 4 fois moins d’électricité qu’un système de chauffage électrique).
Les PAC commercialisées pour les particuliers sont en général simples d’installation et d’utilisation. En outre, elles peuvent s’adapter à un réseau de chauffage central existant.
La filière (fabricants, installateurs, réparateurs) est mûre et bien structurée (en France du moins).
En France, les PAC sont éligibles au crédit d’impôt et donnent droit à des aides financières dans certaines collectivités.
Les inconvénients principaux sont les suivants :
Le coefficient de performance diminue avec la température de la source extérieure . Autrement dit, les performances d’une PAC sont meilleures en intersaison qu’en plein hiver, meilleures en zone tempérée qu’en climat très froid. Des systèmes de chauffage complémentaires sont la plupart du temps économiquement nécessaires.
Les PACs sont accusées d’être une nuisance sonore auprès des riverains.
Contrairement à d’autres productions décentralisées d’énergie (géothermie profonde, petit hydraulique, solaire…), les systèmes PAC consomment de l’énergie fossile.
Acteurs
Les professionnels de la filière PAC (industriels, installateurs, distributeurs d’énergie, bureaux d’études, organisations syndicales, énergéticiens, etc.) sont majoritairement représentés par l’AFPAC (Association Française pour les Pompes A Chaleur), dont l’objectif principal est de promouvoir la filière et d’en assurer le développement pérenne. Avec une vingtaine de sites industriels en France, le marché représentait en 2012 quelques 25 000 emplois.
EDF est très présente sur le marché, les pompes à chaleur étant le plus souvent électriques. Quant à GDF SUEZ, le groupe soutient le développement des pompes à chaleur au gaz, encore peu connues et particulièrement intéressantes pour de basses températures extérieures.
L’ADEME et le BRGM ont également un rôle important dans la promotion des pompes à chaleur comme moyen d’exploiter la géothermie de surface notamment.
La filière est encouragée en France par les collectivités territoriales et le gouvernement, avec un crédit d’impôt et des aides financières accordées aux particuliers pour l’installation de pompes à chaleur sous différents critères.
Enfin, les organismes de contrôle/certification tels que Promotelec interviennent pour l’encadrement des installations de pompes à chaleur à usage domestique comme industriel ou public.
Les pompes à chaleur en Europe
Selon le baromètre pompes à chaleur EurObserv’ER 2013, on compte
1,65 millions de pompes à chaleur vendues en 2012 dans l’Union Européenne
Une production énergie renouvelable (i.e. en décomptant l’énergie consommée pour leur fonctionnement) de 6,2 Mtep en Europe en 2012.
La prise de conscience environnementale et le désir des ménages de diminuer leur facture énergétique ont permis aux chiffres de vente des PAC d’augmenter dans les années 2000. Toutefois, cette croissance du marché est en suspens depuis 2010, du fait de la crise économique et du ralentissement dans la construction de nouveaux habitats, notamment.
Toutefois, la pompe à chaleur sous ses diverses formes reste une solution de chauffage prometteuse car économe en énergie, respectueuse de l’environnement, et adaptée à un usage individuel. C’est ce qui explique la présence de grands groupes européens du génie climatique sur le marché : Daikin Europe, Bosch Thermotechnik, CIAT, Viessmann et bien d’autres.
L’Italie, en particulier, a su promouvoir ces appareils sur son territoire, avec le plus grand parc de PAC aérothermiques d’Europe (près de 16 millions, contre 1,13 millions pour la France).
Les pays nordiques sont également présents, avec des initiatives lancées au Danemark par exemple, ainsi que l’étude de perspectives d’amélioration de la durée de vie des pompes à chaleur.
Avec les impératifs d’économie d’électricité et les pistes de plus en plus nombreuses de couplage de technologies d’énergies renouvelables, la pompe à chaleur a donc de beaux jours devant elle, pour chauffer un habitat individuel comme pour climatiser tout un quartier d’affaires.
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