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Les pompes à chaleur
Différence entre la géothermie et les pompes à chaleur
Énergie géothermique : "une énergie emmagasinée sous forme de chaleur sous la surface de la terre solide".
Les "zones à fort gradient géothermiques" sont des zones où la chaleur du centre de la terre remonte assez près de la surface, ce qui permet d’accéder à de l’eau chaude ou de la vapeur avec un forage de quelques dizaines ou quelques centaines de mètres.
En dehors de ces zones remarquables (bassin parisien notamment), la chaleur des premières dizaines de mètres du sol n’est pas due à la chaleur profonde de la terre, mais au rayonnement solaire.
La PAC sur sol avec capteur horizontal est donc qualifiée de « géothermique » de manière abusive : il s’agit en réalité d’un « chauffage solaire différé utilisant l’électricité ».
Pour en savoir plus sur la "vraie" géothermie, voir cette rubrique.
Qu’est-ce qu’une pompe à chaleur ?
Une pompe à chaleur est un "appareil prélevant de la chaleur à un milieu à basse température pour en fournir à un milieu à température plus élevée".
Le principe est celui d’un "réfrigérateur inversé" constitué d’un circuit fermé et étanche dans lequel circule un fluide frigorigène à l’état liquide ou gazeux selon les organes qu’il traverse.
Ces organes sont au nombre de quatre : l’évaporateur, le compresseur, le condenseur et le détendeur.
Pour simplifier, on peut dire que la pompe à chaleur prélève un peu de chaleur (des « calories ») à l’extérieur (l’air extérieur, le sous-sol du jardin, une source, ...) et augmente ainsi son niveau de température pour restituer de la chaleur dans l’habitation.
Il existe différents type de PAC selon le milieu d’origine de l’énergie captée.
On parle selon les cas de modèles air/air, air/eau, sol/sol, sol/eau ou eau/eau.
Le premier terme désigne l’origine du prélèvement et le second, le mode de diffusion de la chaleur (soufflerie, circuit d’eau chaude, plancher chauffant avec fluide frigorigène).
Les pompes à chaleur sol/... ou eau/... sont dites "géothermiques". Elles prennent l’énergie dans le sol ou les nappes souterraines.
 - schéma de fonctionnement d’une pompe à chaleur
- source : www.pac.ch
Le coefficient de performance ou COP
Le compresseur fonctionne à l’électricité : si pour chaque kWh électrique consommé par le compresseur, le système émet 3 kWh thermiques dans le bâtiment à chauffer, on dit qu’il a un COP de 3 (COP = COefficient de Performance).
Le COP détermine donc directement la facture d’électricité qui sera nécessaire pour chauffer un bâtiment.
Mais attention : le COP annoncé n’est quasiment jamais atteint ! Il s’agit d’une donnée théorique de laboratoire qui mesure le niveau de performance de la machine, dans des conditions d’essai assez éloignées de la réalité.
Ainsi, le rendement d’une PAC sur air est très inférieur au COP annoncé, qui est calculé à une température extérieure de + 7°C, ce qui n’est pas vraiment une température hivernale.
Pourquoi HESPUL ne classe pas les PAC en énergies renouvelables
Une PAC avec un COP de 3 est présentée comme produisant 3 kWh de chaleur renouvelables pour 1 kWh d’électricité. La part de renouvelables semble donc majoritaire.
Mais l’électricité est une énergie finale (déjà transformée) et sa production a généré beaucoup de pertes ...
Le rendement de la production et de la distribution de l’électricité étant d’environ 30 % en moyenne en France, il aura fallu environ 3,3 kWh de combustibles (uranium, hydraulique, gaz, charbon)pour produire le kWh que consomme la PAC. Au final,une PAC avec un COP de 3 utilise donc environ 3,3 kWh de combustibles non renouvelables pour produire 3 kWh de chaleur : c’est à peu près le même rendement que celui d’une chaudière moderne (basse température ou condensation). Pour que la PAC soit renouvelable, il faudrait que la part de renouvelables augmente dans l’électricité consommée, et que le COP soit nettement supérieur à 3, deux choses tout à fait possibles dans l’avenir.
Certes, on utilise de 2 à 4 fois moins d’électricité qu’avec un chauffage électrique classique. Cette électricité provient néanmoins des centrales nucléaires, ainsi que des centrales au charbon ou au fioul lourd lors des pointes de consommations hivernales.
La PAC est donc plutot un chauffage électrique performant.
Les pompes à chaleur géothermiques sont-elles écologiques ?
Dans l’habitat individuel, on parle beaucoup en ce moment de ce système en le présentant comme un chauffage « naturel, écologique, économique et propre » : ces qualificatifs ne sont pas tous justifiés. Il s’agit en réalité d’un mode de chauffage électrique amélioré ou optimisé.
Comme expliqué précédemment, la PAC consomme nettement moins d’électricité qu’un chauffage électrique classqiue (à convecteurs, radiants, systèmes d’accumulation, etc). Elle lui est bien sur préférable.
Par rapport à une chaudière, la PAC consomme a peu près autant d’énergies fossiles ou fissiles qu’une chauffage gaz, propane ou fioul. La PAC émet nettement moins de CO2 que les chaudières, mais produit plus de déchets nucléaires.
Les PAC seront donc vraiment écologiques quand leur rendement réel sera nettement supérieur à 3, et qu’elles consommeront une électricité majoritairement renouvelable.
Fonctionnement des pompes à chaleur géothermiques
 - source : ADEME
Le schéma ci-dessus montre les deux systèmes de chauffage géothermiques :
- Le système avec capteurs horizontaux : les tubes sont repliés en boucles distantes d’au moins 40 cm, pour éviter un prélèvement trop important de la chaleur du sol (sinon, risque de gel permanent du sol). On estime la surface de capteur nécessaire à 1.5 à 2 fois la surface habitable à chauffer. Pour une maison de 150 m², le capteur occupera entre 225 et 300 m² du jardin (surface engazonné sans arbre).
- Le système avec capteurs verticaux : deux sondes de 50 m de profondeur conviennent pour chauffer une maison de 120 m² habitables.
Les systèmes à capteurs verticaux sont plus performants que ceux avec des capteurs horizontaux.
Un puits vertical est plus onéreux qu’un capteur horizontal mais il entraîne moins de contraintes dans la gestion du terrain et sa performance est plus constante. Par contre, il requiert plus de technicité de mise en œuvre et le nombre de foreurs qualifiés pour les réaliser en France est réduit. Il faut de plus respecter les démarches administratives concernant la protection du sous-sol (déclaration de sondage à la DRIRE, respect de la loi sur l’eau...).
Particulièrement efficace dans une maison bien isolée avec un plancher chauffant, la PAC est donc destinée aux maisons neuves ; elle s’adapte difficilement à une maison existante.
Mises en garde sur les systèmes de pompes à chaleur géothermiques
- La faisabilité et l’intérêt de ces systèmes dépendent fortement de la nature géologique du sol ( qui ne doit pas être trop rocheux, trop argileux ou de type remblai). Ce paramètre est parfois insuffisamment pris en compte par les installateurs.
- Les installateurs annoncent couramment des coefficients de performance (COP) de 3,5 ou 4. Il s’agit du COP instantané, mesuré dans des conditions optimales de laboratoire. Il est prévu pour de basses températures de chauffage de l’ordre de 35°C (plancher chauffant ou ventilo convecteurs). Le coefficient de performance réel de l’installation, en moyenne sur l’année, dépend de nombreux facteurs susceptibles de diminuer la performance. Il est difficile à apprécier, mais c’est de lui que dépend l’intérêt environnemental et économique du projet.
On peut baisser le COP théorique de 1 à 2 points pour tenir compte des consommations auxilliaires, d’un circuit de chauffage à plus haute température, et de températures externes plus froides. En pratique le COP réel d’une PAC géothermiques est de l’ordre de 2,5 à 3 et celui d’une PAC sur air se situe autour de 1,5 à 2 dans le Rhône.
- Jusqu’à ces dernières années, le fluide frigorigène le plus employé était le R22 dont l’emploi est de plus en plus proscrit. Il contient en effet du chlore dont les effets destructeurs sur la couche d’ozone sont aujourd’hui bien connus. C’est de plus un gaz à effet de serre puissant. Le R22 est progressivement remplacé par des fluides de substitution, tels les HFC (R407C, R410A et R417A), inoffensifs vis à vis de la couche d’ozone mais qui sont encore de puissants gaz à effet de serre.
- les capteurs horizontaux sont souvent posés à 60 ou 80 cm de profondeur, voire moins. En cas d’hiver très rigoureux, dans les régions froides et/ou d’altitude, le sol peut parfois être gelé à cette profondeur : dans ce cas, la PAC consomme beaucoup mais chauffe peu ! Comme cela arrive précisément quand il fait très froid, dans les régions froides et/ou d’altitude, il semble donc préférable de prévoir un appoint (par exemple une cheminée avec foyer fermé), sous peine d’avoir un chauffage insuffisant. Il est donc préférable d’enterrer les capteurs à environ 1 mètre de profondeur pour qu’ils soient hors-gel.
Les autres types de pompes à chaleur
- les pompes à chaleur sur air :
Les PAC sur air ont connu un grand succès de 1975 à 1985, à l’époque du pétrole cher. Il y eut de nombreuses déceptions, à cause de problèmes de conception et d’installation.
Particulièrement, la PAC ne peut pas faire de miracles : pour fonctionner correctement, elle doit prendre sa chaleur dans une source froide « pas trop froide », et la fournir à une cible chaude « pas trop chaude ». Lorsque l’air extérieur est à moins de 3°C, les capteurs givrent, et la performance se dégrade, c’est-à-dire que la PAC consomme beaucoup d’électricité mais chauffe peu.
Pour ces raisons, les PAC sur l’air doivent être évitées, sauf dans les régions à climat doux (méditéranéen ou océanique).
- Les pompes à chaleur sur eau
La température d’une source est assez élevée, et relativement constante : 7 à 8°C environ en hiver. La source froide n’est « pas trop froide » et presque constante. Une PAC sur eau de source est un système performant et peu coûteux à l’usage.
De même une PAC fonctionnant sur le captage de la nappe phréatique est un système performant. Mais son intérêt est limité par le coût du forage. De plus l’utilisation de la nappe phréatique est soumise à autorisation.
L’eau d’une rivière ou d’un lac peut devenir très froide en hiver : l’intérêt d’une PAC fonctionnant sur l’eau d’une rivière ou d’un lac doit être étudié au cas par cas.
Remarques concernant toutes les Pompes à Chaleur
- Entretien et durée de vie
La vérification et l’entretien régulier du compresseur prolonge sa durée de vie. Un compresseur non entretenu risque de voir sa performance chuter et donc la facture d’électricité augmenter !
On considère qu’une chaudière dure 15 ans, voire 20 ans, il peut en être de même pour un compresseur s’il est de bonne qualité mais il peut tomber en panne beaucoup plus tôt.
- Mesure des performances
Il paraît indispensable de pouvoir contrôler la consommation électrique annuelle de la pompe à chaleur : il suffit de demander à l’installateur de mettre un compteur électrique à cet usage. Dans l’idéal, il faudrait aussi un compteur de chaleur, afin de mesurer le COP en temps réel.
- Changement futur de chauffage
Tous les 15 ou 20 ans, on est amené à revoir le mode de chauffage d’une maison et l’intérêt des différentes solutions peut évoluer de façon très importante selon la conjoncture énergétique mondiale.
C’est pourquoi il faut préférer un système avec une circulation d’eau dans le plancher chauffant : il sera possible de raccorder par la suite une chaudière à ce plancher chauffant.
Un plancher chauffant où circule directement le fluide frigorigène ne peut pas évoluer vers un chauffage par chaudière.
- Et les options ?
L’option « rafraîchissement » peut être une « fausse bonne idée » : dans une maison bien conçue, sous notre climat, il n’y a pas besoin de rafraîchissement ni de climatisation.
L’option « eau chaude sanitaire » est en général plus onéreuse à l’investissement et à l’usage qu’un chauffe-eau solaire.
Eléments de coûts
Pour une maison individuelle, le coût pour une installation de pompe à chaleur géothermiques à capteurs horizontaux est d’environ 15 à 20 000 € (hors plancher chauffant ou radiateurs).
Pour un système avec capteurs verticaux, le coût est encore plus important, le forage étant assez onéreux.
Selon l’ADEME, pour une maison individuelle, un chauffage par PAC géothermique coûte de 70 à 100 €/m² de surface à chauffer (sans option) avec captage horizontal et de 140 à 180 €/m² pour un captage vertical. Attention ces chiffres sont des moyennes et ils peuvent évoluer dans le temps.
Sachez également qu’en général, les devis n’incluent pas le coût du terrassement et de la remise en état du terrain, ni les frais portant sur l’isolation qui doivt être posée sous la chape. N’oubliez pas de rajouter ces coûts afin d’avoir le vrai coût d’investissement de l’installation.
Conclusion sur les techniques
Nous avons vu aussi que tous les systèmes de PAC n’ont pas tous les mêmes mérites. Les systèmes sur l’air sont à éviter dans notre région. À l’inverse, les systèmes sur capteurs verticaux et sur eau de nappe phréatique ou de source sont efficaces. Les systèmes à capteurs horizontaux (ou "géothermie de surface") sont performants s’ils sont bien mis en oeuvre et s’ils sont couplés avec un mode de diffusion de chaleur à basse température (plancher chauffant ou radiateurs basse température).
Par rapport aux autres modes de chauffage, l’intérêt financier, écologique et en terme de confort de la PAC n’est pas toujours évident .
Dans un objectif d’économie et de préservation de l’environnement, il est souhaitable de comparer ces solutions avec le recours aux énergies renouvelables (solaire, bois, ...cf les rubriques correspondantes).
Aides à l’investissement
- Le crédit d’impôt :
Les pompes à chaleur, sous certaines conditions peuvent donner droit à crédit d’impôt. Pour connaître le détail des mesures et critères, contacter votre centre des Impôts ou consulter le site internet : "http://www.impot.gouv.fr"
ou téléchargez notre note de synthèse.
- L’Agence Nationale pour l’Amélioration de l’Habitat :
L’ANAH (Agence nationale pour l’amélioration de l’habitat) accorde des aides sous conditions de ressources pour les propriétaires occupants.
Votre logement doit avoir plus de quinze ans et être votre résidence principale ou celle de vos locataires.
Les conditions d’attribution des subventions pour l’amélioration des logements privés (propriétaires bailleurs ou occupants) sont spécifiées sur le site Internet de l’ANAH : http://www.anah.fr
- Les prêts d’EDF :
Pour en savoir plus sur le Prêt Vivrélec Habitat Neuf, consulter le site Internet suivant : www.particuliers.edf.fr
- L’ADEME pour les opérations exemplaires :
Dans certains cas, L’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie peut subventionner ce type d’installation pour des réalisations exemplaires (à capteurs verticaux) en habitat collectif ou pour des locaux tertiaires.
Si vous avez ce type de projets, rapprochez-vous de votre agence régionale ADEME et du site Internet www.ademe.fr .
Sites Web
- L’ADEME (Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie) a édité un guide sur les pompes à chaleur géothermiques (et les autres types de pompes à chaleur).
Cliquez sur ce lien : www.ademe.fr
- L’AFPAC - Association Française pour les Pompes A Chaleur est un regroupement de professionnels qui a pour mission de promouvoir le développement des pompes à chaleur en France :www.afpac.org
- Le Centre scientifique et technique du bâtiment (CSTB) a réalisé un guide des pompes à chaleur géothermales : enr.cstb.fr
- Le groupement promotionnel suisse pour les pompes à chaleur a un site internet intéressant :
www.pac.ch
et le site de Suisse Energie sur la "chaleur ambiante" :
www.bfe.admin.ch
Articles intéressants
Que choisir n° 436 d’avril 2006. Pompes à chaleur : le principe du frigo inversé.
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- Géothermie, pompes à chaleur. Le pour et le contre d’un dossier brûlant. - La Maison écologique - n°17 - octobre novembre 2003
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- Les pompes à chaleur géothermique : chauffage écologique ou gaspillage d’électricité - AJENA Contact n° 38 - janvier 99 : ajena
- Que penser des pompes à chaleur ? - Les quatre saisons du jardinage n°146 - mai juin 2004 :
terre vivante
Documents utiles
Un liste des installateurs agrées Qualipac ou en période probatoire est disponible sur le site de l’AFPAC
Publié le 28 juillet 2009.
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