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GEO-THERM • Pompes à chaleur

Principes de fonctionnement d’une pompe à chaleur :

La pompe à chaleur est une machine thermodynamique qui transfère les calories puisées depuis le milieu extérieur  vers le local à chauffer au moyen d’un fluide frigorigène choisi pour ses propriétés thermodynamiques particulières. Ce fluide s’évapore à de très basses températures.

Par exemple, à pression atmosphérique (1Atm), un fluide frigorigène de type R407C peut s’évaporer à -42°C !

Par comparaison, l’eau s’évapore à 100°C.  Ci-contre, à 5.5 bar, le R407C s’évapore à -4°C. Ce gaz est présent sous pression dans les pompes à chaleur.

Si on décompose les différentes étapes du cycle de fonctionnement d’une pompe à chaleur, on distingue 4 grandes étapes :

Les 4 grandes étapes :
L’évaporation

A basse pression (5.5bar), le fluide frigorigène contenu  dans  la pompe à chaleur s’évapore à très basse température (-4°C). Si au travers d’un échangeur, appelé dans ce cas l’évaporateur, le flux de fluide frigorigène croise le flux d’une source de chaleur plus chaude que lui, il y a transfert d’énergie du corps le plus chaud (la source) vers le corps le plus froid (le fluide frigorigène) : le liquide se réchauffe et s’évapore. La température de l’eau du sol ou de l’air présents dans la nature suffisent largement à évaporer le liquide frigorigène. Plus la température de la source extérieure appelé source  » froide  » est élevée plus le phénomène sera aisé et le rendement amélioré.

La compression

Une fois produite, cette vapeur est aspirée par le compresseur qui en élève la pression. Dans notre exemple, des vapeurs générées à 0°C et à 5.5 Bar sont aspirées et comprimées par le compresseur jusqu’à une pression de 17 bar. Comme la pression augmente à volume constant, la température du fluide va également augmenter (cf. Loi des gaz parfaits). A cette pression, les vapeurs se trouvent à 36°C condensent (c’est-à-dire retrouvent l’état liquide) à 32°C.

La condensation

Dans la pompe à chaleur, le flux de vapeur surchauffé croise le flux d’eau du retour du circuit de chauffage au travers d’un second échangeur. Il y a transfert d’énergie du corps le plus chaud (les vapeurs) vers le corps le plus froid (l’eau du chauffage). Les vapeurs refroidissent, condensent et reviennent donc à l’état liquide. Simultanément, l’eau du circuit de chauffage se réchauffe au contact des vapeurs chaudes et peut être acheminé par le biais d’un pompe de circulation au réseau de chauffage. On appelle cet échangeur: le condenseur.

La détente

Le fluide condensé se refroidit jusqu’à atteindre un autre composant de la pompe à chaleur: Le détendeur. Cet organe se comporte comme une soupape qui permet de faire chuter brutalement la pression du fluide tout en contrôlant la quantité de fluide qui le traverse. Cela provoque, l’abaissement instantané de la température du fluide. Dans l’exemple, le fluide passe de 17 bar à 5.5 bar et de 32°C à -4°C. Le fluide basse pression est acheminé vers l’évaporateur et le cycle peut alors recommencer.

Conclusions

Le but d’une installation géothermique est donc de dimensionner un capteur « la source froide » qui soit capable d’évaporer aux meilleures conditions possibles la quantité de fluide que le compresseur est capable d’aspirer et envoyer vers le condenseur afin qu’il soit condensé pour transférer l’énergie puisée dans le capteur. Les consommations d’une installation géothermique se résument donc au fonctionnement du compresseur et des pompes de circulation nécessaires respectivement à la compression du fluide frigorigène et à la circulation de l’eau ou de l’air du capteur et de l’eau du chauffage au travers de l’évaporateur et du condenseur. Lors d’un cycle de fonctionnement normal, la pompe à chaleur transfère 4 kwh pour 1 kwh électrique consommé.

Les différents types de pompes à chaleur :

Il existe différents type de pompes à chaleur. Celles-ci sont classées selon la nature de la « source froide » c’est à dire le milieu dans lequel on prélève l’énergie et selon la nature du fluide servant à véhiculer la chaleur dans le local à chauffer. Ainsi dans le cas d’une pompe à chaleur AIR/EAU: l’AIR extérieur est utilisé comme source froide et l’EAU comme source chaude. Ne sont présentées ci dessous que les pompes à chaleur utilisant l’eau comme fluide chauffage.

Pompes à Eau Glycolée/Eau

Il s’agit de pompes à chaleur qui utilisent un fluide intermédiaire appelé « fluide caloporteur ». C’est en fait un mélange d’eau et d’antigel de type glycol (du mono propylène glycol, non toxique pour l’environnement) pour éviter que le liquide ne gèle au niveau de l’évaporateur (voir: principe de fonctionnement pg6). Ce fluide caloporteur circule dans un réseau de tuyauteries enfouit dans le sol verticalement ou horizontalement. Ce type d’installation donne de très bon rendement pour autant que le capteur soit correctement dimensionné. C’est donc la chaleur du sous-sol qui est par ce type de pompes à chaleur.

Pompes à Eau/Eau

Ces pompes à chaleur utilisent l’eau d’un étang, d’une rivière ou d’une nappe phréatique. Elles nécessitent la plupart du temps l’usage d’une pompe intermédiaire pour acheminer l’eau dans l’évaporateur de la pompe à chaleur à moins que la mise en charge (artésianisme, dénivelé,…etc) ne soit suffisante pour assurer l’écoulement de l’eau vers la pompe à chaleur.
Pour éviter d’endommager l’évaporateur, il préférable d’utiliser un échangeur intermédiaire à eau glycolée. La mise en œuvre de ce type d’installation doit être considérée avec prudence. Beaucoup d’incertitudes comme le maintien du débit d’eau dans le temps voire même sa qualité rendent ce type d’installation hasardeuse. De plus, dans le cas particulier des eaux de nappe phréatique, il est primordial d’avoir un niveau statique élevé pour éviter de devoir utiliser des pompes immergées trop gourmandes en électricité. Généralement, les coefficients de performance renseignés par les fabricants n’intègrent pas la consommation de ces pompes.

Pompes à Air / Eau

Dans ce cas, l’air est utilisé comme source d’énergie. Il présente l’avantage d’être disponible partout sans devoir investir dans l’installation d’un capteur couteux. Par contre, la puissance de la machine est directement proportionnelle à la température extérieure. Donc, par grand froid, la plupart du temps, la pompe à chaleur ne suffit plus à chauffer le bâtiment. Il faut alors faire appel à des résistances électriques de soutien ou un autre système de chauffage d’appoint. De plus, par temps froid et humide, l’évaporateur aura tendance à givrer rapidement ce qui nécessitera, de fréquents cycles de dégivrages via inversion de cycle du circuit frigorifique ou l’enclenchement des résistances. Ce type d’installation sera plutôt réservé aux régions méridionales ou installé en soutien d’ancienne chaufferie avec une température limite de fonctionnement prédéfinie.

Les différents capteurs géothermiques :
Les capteurs verticaux

Dans les régions ou le gel est fréquent en hiver, les sondes géothermiques verticales permettent d’obtenir les meilleurs COP saisonniers. Elles présentent en outre, l’avantage de ne nécessiter que très peu de place pour leur mise en oeuvre. Leur dimensionnement doit être effectué par des entreprises de forages spécialisées. Il est indispensable de connaître la conductivité thermique des couches géologiques traversées. A titre d’exemple, en Belgique, les puissances soutirées au sous sol par de sondes géothermiques peuvent varier entre 20w/m dans les sables secs à 70 w/m dans les grès. Le principe est de faire circuler de l’eau glycolée dans les sondes. Sur son trajet, cette eau récupère une partie de la chaleur des profondeurs. Ce système présente l’avantage de garantir des rendements élevés même par grand froid.

Les capteurs horizontaux

Lorsque la surface de terrain disponible est suffisante, il est possible d’enfouir un réseau de tubes à environ 1,20 m de profondeur. Il s’agit en fait d’un système de tuyaux dans lesquels circule un liquide constitué d’eau et d’antigel. C’est ce liquide qui est chargé du transport de l’énergie thermique contenue dans la couche la plus superficielle de la terre vers l’évaporateur de la pompe à chaleur. En réalité, il ne s’agit pas vraiment de géothermie mais plutôt de géo-solaire. C’est la chaleur emmagasinée l’été sous l’action du soleil et des pluies qui régénère le capteur après la période hivernale. Ce système garantit également des rendements intéressants mais est davantage tributaire des conditions climatiques.

Le pompage-rejet d'eau de nappe ou de source

Ce système utilise l’eau d’une rivière, d’une source ou d’une nappe phréatique. Sous certaines conditions, il permet d’obtenir des rendements élevés. Il est toutefois délicat à mettre en oeuvre suite aux différentes incertitudes liées à la qualité de l’eau (minéralisation, débit, température, disponibilité,…). Pour éviter d’endommager l’évaporateur de la pompe à chaleur, il est préférable d’utiliser un échangeur intermédiaire à eau glycolée dans lequel circule l’eau captée.