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Pompe à chaleur

Une pompe à chaleur (PAC), aussi appelée thermopompe en français canadien[1], est un dispositif permettant de transférer de l'énergie thermique (anciennement « calories ») d'un milieu à basse température (source froide) vers un milieu à haute température (source chaude). Ce dispositif permet donc d'inverser le sens naturel du transfert spontané de l'énergie thermique.

Selon le sens de fonctionnement du dispositif de pompage, une pompe à chaleur peut être considérée comme un système de chauffage, si l'on souhaite augmenter la température de la source chaude, ou de réfrigération, si l'on souhaite abaisser la température de la source froide. Pour la production de froid, le procédé est à la base de la quasi totalité des climatiseurs et réfrigérateurs. Pour la production de chaleur, le procédé diffère du chauffage classique, dans lequel un corps est chauffé (par effet Joule, par combustion, ou par tout autre procédé).

Lorsque le dispositif de pompage fournit simultanément chauffage et réfrigération, le système est une thermofrigopompe.

Les pompes à chaleur sont considérées par divers experts comme l'une des solutions à court terme pour réduire les émissions provenant de la consommation des logements domestiques[2] - [3]. Selon une étude de 2022, 85 % des utilisateurs domestiques se déclarent satisfaits de cette technologie pour leur habitation[2].

Éléments extérieurs de pompes à chaleur à usage résidentiel.

Principe

Le principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur est celui d'un réfrigérateur inversé (dans le cas commun du chauffage, tandis que la climatisation suit le même fonctionnement). Au lieu d'extraire la chaleur d'une enceinte fermée pour la refroidir, la pompe à chaleur extrait la chaleur de l'environnement pour la transférer dans une maison, grâce à la compression et la détente d'un gaz[4].

Schéma de principe d'un circuit frigorifique.

Les pompes à chaleur utilisent un cycle de changement de phase. Ce procédé fait tourner un cycle frigorifique pour transférer de la chaleur de la partie à refroidir (dite « source froide ») vers la partie qui sera réchauffée (dite « source chaude »). Le compresseur est la pompe du circuit, qui permet de faire circuler le fluide réfrigérant.

Ce cycle comporte quatre temps :

  1. Compression : le réfrigérant à l'état vapeur est comprimé et sort du compresseur à haute pression et haute température ;
  2. Condensation : la vapeur très chaude (et comprimée) passe dans un condenseur (ou échangeur de chaleur) où elle va céder de la chaleur au milieu ambiant (l'air de la pièce), ce qui va lui permettre de se liquéfier, c'est-à-dire passer de l'état vapeur (gazeux) à l'état liquide ;
  3. Détente : à la sortie du condenseur le liquide sous haute pression est détendu en faisant baisser rapidement la pression dans un détendeur (en faisant circuler le fluide au travers d'un orifice). Cette subite baisse de pression a pour effet de vaporiser une partie du fluide. Le réfrigérant est à présent à son état le plus froid du cycle ;
  4. Évaporation : le fluide réfrigérant à présent froid et partiellement vaporisé circule dans un échangeur de chaleur (évaporateur) qui se trouve dans l'ambiance à refroidir. Il soustrait de la chaleur au médium (air) pour refroidir celui-ci. En absorbant de la chaleur, le réfrigérant s'évapore complètement (passage de l'état liquide à l'état gazeux).

L'étude thermodynamique du fonctionnement d'une pompe à chaleur, qu'elle soit géothermique (utilisant la chaleur contenue dans le sol), aérothermique (celle contenue dans l'air) ou aquathermique (celle contenue dans l'eau de mer, de cours d'eau ou de nappes libres), nécessite d'isoler le fluide caloporteur et d'appliquer le principe de conservation de l'énergie au cours d'un cycle[5].

Les flux thermiques « entrant » et « sortant » de ce fluide s'équilibrent alors nécessairement au cours du cycle. Ainsi, le flux thermique émis par le fluide à la source chaude lors de la réaction exothermique (c'est-à-dire produisant de la chaleur) dans le condenseur est vu négativement par le fluide caloporteur, tandis que les deux formes d'énergie qu'il reçoit de l'extérieur sont vues positivement par ce même fluide, à savoir l'apport d'énergie primaire consommée par la pompe elle-même et l'apport thermique provenant de la source froide lors de la réaction endothermique (c'est-à-dire consommant de la chaleur) dans l'évaporateur.

Cette technique, connue depuis plus d'une trentaine d'années, a subi de notables évolutions techniques qui lui permettent de rivaliser voire de surpasser en performances les moyens de chauffage « traditionnels »[6].

Une PAC est dite réversible (ou inversible) lorsque le circuit du fluide caloporteur comprend une vanne à trois voies permettant d'inverser les fonctions du condenseur et de l'évaporateur. Cela permet de fournir de l'air froid (climatisation) à une habitation, ou de rafraîchir le plancher (dans une moindre mesure) dans le cas d'une pompe à chaleur alimentant un circuit d'eau au sol.

Mise en œuvre

Pompes à chaleur géothermiques

La plupart des pompes à chaleur « géothermiques » (utilisant le sol comme source froide) utilisées pour les habitations individuelles ou les petits immeubles captent l'énergie du sol par un circuit constitué de tuyaux de cuivre recouverts de polyéthylène pour les installations avec fluide frigorigène ou à eau glycolée. Deux types de captage sont possibles :

capteurs horizontaux
enterrés entre 60 et 120 cm de profondeur, le circuit est constitué de boucles (par exemple sous le jardin). La surface occupée par les capteurs dépend de la nature du sol, il peut occuper environ deux fois la surface à chauffer, soit par exemple 400 m2 pour une surface à chauffer de 200 m2. Cet espace peut être planté de gazon ou de petits arbustes, mais ne peut accepter d'arbres aux longues racines ;
capteurs verticaux
le circuit comporte un tuyau formant une seule boucle verticale. Il nécessite un forage en profondeur (environ 80 m), ou en faible profondeur (environ 30 m) dans le cas d'un captage à détente directe. Plus coûteux, il présente l'avantage d'occuper moins de surface au sol. Les capteurs verticaux sont également appelés « sondes géothermiques ».

Pompes à chaleur aérothermiques

La pompe à chaleur aérothermique utilise comme source froide l'air extérieur, toujours disponible et en abondance, en rejetant un air plus froid l’hiver (entraînant le risque de givrage du capteur extérieur si le temps est humide) et plus chaud l'été (ce qui peut limiter les performances en période de canicule). Le brassage de l'air peut être bruyant, surtout si la climatisation est de mauvaise qualité et beaucoup sollicitée. Le circuit de captage de la pompe à chaleur à air est généralement absent quand la pompe est extérieure : elle aspire et rejette dans son environnement ; certains modèles intérieurs ou situés dans des locaux techniques aspirent et rejettent par des conduits. Les capteurs distants doivent néanmoins être raccordés par le circuit frigorifique chargé de fluide frigorigène.

Pompes à chaleur aquathermique

La pompe à chaleur aquathermique (utilisant l'eau comme source froide), la plus performante, utilise une source d'eau : puits, rivière, lac, ruisseau, eaux souterraines. Il faut que cette source soit disponible en quantité suffisante et que son utilisation soit autorisée (par l'administration des eaux et services sanitaires). Pour les climatisations à double effet (chaud et froid) l'impact sur la source est :

  • l'hiver : le rejet ou retour d'eau plus froide que l'eau pompée à l'exhaure augmente la capacité de l'eau à retenir l'oxygène mais diminue sa température, ce qui est favorable ou pas pour l'environnement et la vie aquatique, selon la température initiale ;
  • l'été : l'eau réchauffée risque de causer un manque d'oxygénation, qui peut avoir un effet néfaste sur la végétation et la vie animale, sauf si la source est très froide, comme dans une rivière proche d'un glacier.

Le circuit de captage de la pompe à chaleur à eau est constitué d'une pompe de circulation, d'un point de prélèvement avec crépine et filtre et d'un rejet.

Pompe à chaleur
Schéma de principe d'une PAC à détente directe :
1 : condenseur ;
2 : détendeur ;
3 : évaporateur ;
4 : compresseur.

L'appareil, qui prélève de la chaleur à la source froide grâce au circuit de captage, comprend quatre organes principaux (cf. schéma ci-contre) :

  • le condenseur (source chaude) : le fluide frigorigène libère sa chaleur au fluide secondaire (eau, air, etc.) en passant de l'état gazeux à l'état liquide ;
  • le détendeur : il réduit la pression du fluide frigorigène en phase liquide ;
  • l'évaporateur (source froide) : la chaleur est prélevée au fluide secondaire pour vaporiser le fluide frigorigène ;
  • le compresseur : actionné par un moteur électrique ou à combustion interne (gaz naturel par exemple), il élève la pression et la température du fluide frigorigène gazeux en le comprimant.
Fonctionnement d'une pompe à chaleur géothermique à fluides intermédiaires.

La circulation du ou des fluides est adaptée au type de milieux qu'ils parcourent :

  • la détente directe se compose d'un seul circuit. Le fluide frigorigène passe directement dans le sol chauffant ou les convecteurs. Le circuit de captage joue le rôle d'évaporateur et le circuit de chauffage celui de condenseur. Cette technique est employée dans les PAC sol-sol ;
  • les systèmes indirects, ou PAC à eau glycolée, comportent des circuits séparés pour le captage, la pompe à chaleur et le chauffage ;
  • les systèmes mixtes renferment un fluide frigorigène pour le capteur géothermique et de l'eau pour les émetteurs. Cette technique est adaptée aux PAC sol-eau.

Systèmes à détente directe

Avantages :

  • l'échange thermique sol-fluide frigorigène est accru, ce qui permet une réduction de la longueur de l’échangeur ;
  • pas d’échangeur supplémentaire eau-fluide frigorigène ;
  • pas de pompe de circulation requise puisque pas de circuit d'eau glycolée ;
  • pas de problème de purge en comparaison avec les systèmes indirects.

Inconvénients :

  • la charge (volume) en fluide frigorigène peut être importante, notamment dans les techniques sol-sol ;
  • pas adapté pour les terrains trop pentus (nécessité de pièges à huile).

Systèmes à eau glycolée-eau

Avantages :

  • adapté aux terrains pentus ;
  • fonctionnement en free-cooling.

Inconvénients :

  • le rendement est inférieur au rendement des PAC à détente directe : un échangeur supplémentaire eau glycolée-fluide frigorigène est nécessaire ainsi qu'une pompe de circulation ;
  • il existe un danger de pollution des nappes phréatiques dû au glycol. Dans cette optique, les entreprises d'installation devraient utiliser du monopropylène glycol. Celui-ci a une viscosité plus grande que le monéthylène glycol, est plus coûteux mais est de qualité alimentaire (selon les fabricants, biodégradable à 98 %)[7]. Cette précaution est parfois négligée par les fabricants de PAC eux-mêmes[8].

Circuit de chauffage

On utilise principalement trois types d'émetteurs de chauffage : le plancher chauffant, les ventilo-convecteurs et les radiateurs à basse température.

Les pompes à chaleur n'offrent une efficacité intéressante qu'à la condition d'être reliées à des émetteurs dimensionnés pour des températures basses. En effet, les coefficients de performance annoncés par certaines publicités à des températures d'eau élevées sont fantaisistes.

Les radiateurs peuvent parfois être réutilisés s'ils sont adaptés au chauffage à basse température ; ce peut être le cas pour des installations anciennes dimensionnées pour un fonctionnement en thermosiphon : les dimensions de canalisations et de radiateurs peuvent permettre de chauffer avec de l'eau à basse température avec un débit très supérieur à celui du thermosiphon grâce aux accélérateurs modernes.

Il est également possible de redimensionner certains radiateurs en fonction du besoin propre au local concerné afin de compenser la baisse de température par une surface d'émission supérieure. C'est la solution retenue le plus couramment en cas de rénovation d'une installation existante. La nécessité de minimiser la température du caloporteur pour optimiser le COP de la pompe à chaleur oblige à une régulation fine selon une loi d'eau bien adaptée prenant en compte aussi la température extérieure.

Cycle thermodynamique

Le fluide circulant dans une pompe à chaleur subit un cycle de transformation composé de quatre étapes :

  • à la sortie du compresseur, le fluide est sous forme gazeuse à haute pression et sa température est élevée.
  • dans le condenseur, le fluide passe à l'état liquide et cède de l'énergie (chaleur latente) qui est transférée vers l'extérieur (circuit de chauffage) sous forme de chaleur ;
  • à la sortie du condenseur, le fluide (liquide) voit sa température fortement diminuer ;
  • Dans le détendeur, l'énergie du fluide (son enthalpie) reste constante ;
  • à la sortie du détendeur, le fluide est à l'état liquide basse pression. Sa température baisse dès qu'il peut (un tant soit peu) s'évaporer.
  • Dans l'évaporateur, le fluide récupère de l'énergie sous forme de chaleur en s'évaporant. La pression reste constante et le fluide devient totalement gazeux ;
  • à la sortie de l'évaporateur, le fluide est tempéré (environ 5 °C) et à faible pression ;
  • dans le compresseur, le gaz passe à une pression élevée grâce à l'énergie mécanique fournie par le compresseur. Sa température s'élève suivant la loi de Laplace.

Fluide frigorigène

Les fluides frigorigènes les plus couramment utilisés pour les PAC sont : le R407C, le R410A, le R134a pour chauffe-eau thermodynamique, et le R32.

Les plus anciennes fonctionnent encore avec des gaz qui sont maintenant interdits dans les nouveaux équipements, comme le R22 qui n'est plus commercialisé en Europe depuis 2015. Ces fluides sont soumis à une récupération obligatoire du gaz dans une bouteille de transfert pour être traité. Ces gaz sont nocifs pour la couche d'ozone.

Il existe également des PAC utilisant du CO2 supercritique comme fluide frigorigène, commercialisées sous le nom générique EcoCute. Encore peu diffusées en Europe, elles le sont de manière beaucoup plus large au Japon[9].

Système mixte

Une pompe à chaleur peut être optimisée et même renforcée en la combinant à une autre source d'énergie (par exemple photovoltaïque), permettant une amélioration des rendements respectifs, comme l'a montré une expérimentation (+20 % de rendement à Chambéry en Savoie). C'est un des moyens (breveté en France sous le nom « Aedomia »[10]) d'atteindre la « basse consommation » voire le bâtiment à énergie positive. La chaleur emmagasinée par les panneaux photovoltaïques peut être récupérée pour améliorer le rendement d'une pompe à chaleur, elle-même alimentée par l'électricité produite. De plus le module photovoltaïque produit plus d'électricité quand il est ainsi refroidi. Un stockage intermédiaire d'énergie thermique (« calories ») dans un ballon d'eau chaude est nécessaire, car les pompes à chaleur classiques s'arrêtent (par sécurité) au-dessus de 40 °C, alors que l'air chauffé par le soleil peut atteindre 50 °C[11].

Coefficient de performance et efficacité saisonnière

L'efficacité de fonctionnement d'une pompe à chaleur est caractérisée par le rapport du débit d'énergie thermique utile transférée (puissance thermique) sur le débit d'énergie consommée (puissance « payée »). Ce rapport, le coefficient de performance (ou « COP »), est donc un nombre sans dimension. Par exemple, une pompe à chaleur de COP 3 de type B0/W35 fournit 3 kWh de chaleur pour 1 kWh d'électricité consommé avec une température du sol de 0 °C et une température de l'eau de chauffage de 35 °C. La PAC est alors trois fois plus efficiente qu'un chauffage électrique direct[12].

En fonction du besoin, la puissance thermique utile peut être celle prélevée de la source froide (on parle alors de COP froid) ou celle fournie à la source chaude (on parle de COP chaud). En pratique, les pompes à chaleur étant principalement connues du public pour le chauffage, on omet de préciser que le COP mentionné est un COP chaud.

La puissance « payée » peut être sous forme de puissance électrique (dans les cas d'un moteur actionnant une pompe, du courant dans un module Peltier ou du courant du vibrateur dans une pompe à chaleur acoustique), d'une puissance mécanique ou bien d'une puissance thermique (dans le cas d'une pompe à chaleur par absorption fonctionnant au gaz naturel).

Le COP d'une PAC s'apparente à une efficacité. Il est compris entre 0 et l'infini. Son rendement, lui, ne peut toutefois pas dépasser celui du cycle de Carnot.

Une pompe à chaleur « lutte » contre le sens naturel du transfert de l'énergie thermique, ce qui explique pourquoi, dans la grande majorité des cas, le COP baisse lorsque la différence de température entre la source chaude et la source froide augmente.

Pour la même puissance de chauffe, une pompe à chaleur de COP 4 consomme deux fois moins d'énergie qu'une autre de COP 2.

Pour n'importe quelle application de chauffage, le COP chaud peut être calculé de différentes manières selon les règles que l'on décide de s'imposer (définitions de la puissance utile et de la puissance payée). Ainsi, pour faciliter la compréhension et permettre une comparaison équitable, ces règles sont définies par des normes telles que l'EN 14511.

La Commission européenne a défini en 2013, par le Règlement (UE) no 813/2013, un cadre de calcul d’une « efficacité énergétique saisonnière pour le chauffage des locaux », souvent notée ETAS (la lettre grecque êta pour l’efficacité, et S pour « saisonnière »)[13]. Il s’agit, sur une année donnée et pour des températures moyennes standardisées, du rapport entre la production de chauffage et la consommation d’énergie primaire requise pour la satisfaire. L’ETAS donne donc une estimation de l’efficacité du système de chauffage sur l’année en matière d'énergie primaire. Il doit être obligatoirement supérieur à 111 % pour les pompes à chaleur moyenne et haute température, les plus courantes[13] ; à titre d'exemple, un ETAS de 100 % correspondrait à l'efficacité maximum d'un chauffage par énergie primaire directe, comme le gaz ou le fuel. Un chauffage à résistances électriques ne peut avoir une efficacité ETAS supérieure à 38,8 %, c'est-à-dire 1 par rapport au coefficient de conversion d'énergie thermique en électricité, par définition puisqu'il faut 2,58 kWh d'énergie primaire pour produire 1 kWh électrique (1⁄2,58 = 0,388), selon la norme européenne en vigueur[14]. Cette efficacité doit être calculée et affichée par les fabricants de pompe à chaleur ; elle est le plus souvent de 115 à 120 % pour des départs moyenne et haute température.

Classifications

L'expression « pompe à chaleur » est générique et regroupe de nombreux dispositifs réalisant des transferts thermiques d'une source froide à bas niveau de température vers un autre milieu à un niveau de température plus élevé à l'aide d'un système thermodynamique[15]. Les phénomènes physiques, les sources d'énergies ou et les milieux de fonctionnement peuvent être très différents ; on peut classer les pompes à chaleur en fonction de ces trois paramètres.

Par phénomène physique

Par source d'énergie

Par vecteur d'énergie thermique

Les vecteurs d'énergie thermique les plus couramment rencontrés sont :

  • pompe à chaleur air/air : l'énergie thermique est transférée de l'air constituant un milieu à l'air constituant un autre milieu ;
  • pompe à chaleur air/eau : l'énergie thermique est transférée de l'air constituant un milieu à l'eau constituant un autre milieu (souvent un circuit caloporteur) ;
  • pompe à chaleur eau/air : l'énergie thermique est transférée de l'eau constituant un milieu (souvent un circuit caloporteur) à l'air constituant un autre milieu ;
  • pompe à chaleur eau/eau : l'énergie thermique est transférée de l'eau constituant un milieu à l'eau constituant un autre milieu ;

Néanmoins, l'eau et l'air ne sont pas les seuls vecteurs employés et employables, tout fluide au sens large peut servir de vecteur énergétique.

Par source d'énergie thermique

Les pompes à chaleur aérothermique puisent l'énergie thermique dans l'air ambiant, tandis que celles à chaleur géothermique la puisent dans le sol.

Pour qualifier intégralement une pompe à chaleur, il est donc nécessaire de préciser chacun des aspects de la pompe à chaleur en question. Par exemple, la pompe à chaleur d'un réfrigérateur est, dans la grande majorité des cas, une pompe à chaleur à compression de vapeur (thermodynamique) électrique air/air aérothermique. Celles qui équipent les véhicules sont soit à effet Peltier, soit à gaz butane, soit encore les deux en alternance.

Classification des sources

Selon les techniques employées, l'énergie thermique pompée à la source froide peut être extraite de différents milieux. Elle est ensuite restituée à la source chaude (gaz, fluide, matériau).

En fonction du domaine d'application et pour différencier les cas d'installations les plus classiques, des qualificatifs sont utilisés dans le domaine pour faciliter la communication.

Pompe à chaleur géothermique

Les PAC utilisant la chaleur du sol sont appelées pompe à chaleur géothermique. Cette appellation peut prêter à confusion avec le chauffage urbain géothermique, qui utilise la haute température du sous-sol profond, mais c'est un système très différent.

Il existe principalement trois types de captages[17] :

  • le captage horizontal au sol (faible profondeur et grande surface) ;
  • le captage vertical au sol (petite surface et grande profondeur, 100 m maximum) ;
  • le captage vertical sur nappe phréatique (suivant la profondeur de la nappe).

Le captage horizontal au sol est constitué d'un réseau de plusieurs tubes en parallèle, dans lesquels circule un liquide caloporteur ou le fluide frigorifique dans le cas d'une détente directe. Ces tubes sont enterrés en moyenne entre 60 cm et 1,2 m de profondeur suivant le climat, en général sous une pelouse non arborée.

Le captage vertical est similaire au captage horizontal dans le principe, mais au lieu d'être à l'horizontale, le capteur est constitué de tubes créant des boucles verticales. Le système demande moins de boucles et de longueurs de tubes mais le forage nécessaire à sa mise en œuvre est plus coûteux que le décaissement du capteur horizontal. Son avantage est qu'il ne dénature pas le sol et permet la plantation d'arbres dans le reste de la propriété.

Exemple de dimensions de capteurs pour un PAC eau-eau de 11 kW calorifique :

  • capteur horizontal : 11 boucles de 50 m espacées de 50 cm sur 272 m2 ;
  • capteur vertical : trois puits de 90 m.

Le captage par nappe phréatique nécessite que l'eau pompée soit à une température supérieure à 10 °C, ce qui est la plupart du temps le cas. La puissance calorifique et le COP obtenus du captage surpassent tous les autres modes, cependant il ne faut pas que l'énergie nécessaire au pompage grève les gains obtenus. L'idéal est d'utiliser une pompe à vitesse variable et de rejeter l'eau dans un second puits, en aval de la nappe phréatique.

D'autres contraintes techniques peuvent limiter les températures de fonctionnement : impossible de rejeter de l'eau pure à moins de 0 °C, phénomène de givrage (source froide) ; haute pression limitée par la résistance mécanique du circuit haute pression (source chaude), limitation du transfert effectif d'énergie entre les sources (dimensionnement et encrassement des échangeurs).

Le chauffage au sol dans l'habitat (plancher chauffant), alternative aux radiateurs traditionnels, permet une performance optimale car il ne nécessite pas une température élevée. Dans le cas de radiateurs, il est préférable que ceux-ci soient dimensionnés pour pouvoir fonctionner à « basse température ». S'ils ne le sont pas, une autre source d'énergie sera nécessaire pour augmenter la température du circuit et assurer leur fonctionnement (voir limitation de la température dans le chapitre précédent).

Pompe à chaleur marine ou aquatique
Exemple d'échangeur thermique à 12 lignes de boucle, ici monté au sol, avant d'être coulé au fond d'une pièce d'eau pour être utilisé dans une installation de pompe à chaleur.
L'échangeur est immergé grâce à un lest pour être utilisé dans une installation de pompe à chaleur. En hiver l'énergie thermique y est captée dans l'eau et en été elle peut y être rejetée. Ce système est proche de celui du puits canadien ; il nécessite un volume d'eau suffisant. Il peut selon les cas refroidir ou réchauffer l'eau de l'étang, avec des conséquences écologiques à anticiper, positives ou négatives selon le contexte.

L'énergie thermique (anciennement dénommée « calories » ou « frigories ») est pompée dans un grand volume d'eau, comme l'océan, un lac ou une rivière. Pour une installation individuelle, il peut s'agir d'un étang.

Exemples d'installation exploitant une pompe à chaleur marine :

  • Monaco[18] utilise l'équivalent de 4,8 mégawatts de thermies prélevées dans l'eau du « Port Hercule » (Quai Antoine 1er) pour chauffer 40 000 m2, au travers de trois échangeurs thermiques à plaques d’une capacité unitaire d’échange de 1 600 kW ;
  • La Seyne-sur-Mer (France, 83) peut depuis 2009 alimenter 54 000 m2 de bâtiments tertiaires et de logements construits sur les anciens chantiers navals avec 4 800 kW tirés de la mer au travers des PAC réversibles « eau-eau » à haut-rendement[19] ;
  • Cherbourg-en-Cotentin a construit une chaufferie collective qui utilise, depuis l'été 2013, la chaleur de l'eau du « Bassin du Commerce » pour chauffer plus de 1 300 logements, évitant ainsi 1 730 t/an d'émissions de CO2[20] dans le Quartier de la Divette, au travers de deux pompes à chaleur de 1,092 MW chacune. Ceci couvrira 84 % des besoins de chauffage du quartier, les chaudières à gaz déjà présentes complètent le système pour les 16 % nécessaires en période froide (ce qui équivaut aux émissions de 850 voitures), avec 30 % de coûts en moins pour les habitants ;
  • la zone d'aménagement Euroméditerranée (Marseille) inclut deux unités thalassothermiques :
    • le réseau Massileo[21] par Optimal Solutions[22] (filiale de Dalkia Groupe EDF) situé sur Euromed 2. Inauguré le , ce réseau d’énergies renouvelables intelligent permet d’alimenter bureaux, commerces et logements en chauffage, climatisation et eau chaude sanitaire à partir de 75 % d’énergies renouvelables grâce à la thalassothermie. Le réseau est composé d’une boucle d’eau douce tempérée qui relie la station de récupération d'énergie sur eau de mer, située sur le port de Marseille aux pompes à chaleur installées au sous-sol des bâtiments. L’eau de mer est prélevée à 4 m de profondeur dans le port de Marseille. Des échangeurs transfèrent l'énergie de l’eau de mer à une boucle d’eau douce tempérée avant de la restituer dans son milieu naturel sans risques pour la faune ou la flore. La boucle d’eau douce est connectée à une centrale de production où des pompes à chaleur convertissent l’énergie marine en température adéquate pour le chauffage, l’eau chaude sanitaire et la climatisation. Pour plus d’efficacité énergétique, les bâtiments échangent leur énergie. Ce réseau permet une réduction des émissions de CO2 de 80 % par rapport à une solution issue des énergies fossiles. Depuis 2017, Massileo dessert l’écoquartier Smartseille par Eiffage Immobilier (58 000 m2, consommant 5 MW). Avec une capacité de production de chaud et de froid de 21 MW, le réseau a vocation à alimenter jusqu’à 500 000 m2 de bâtiments,
    • le réseau Thassalia[23] par Engie Cofely est situé sur Euromed 1. La centrale, installée sur le Grand Port Maritime de Marseille et inaugurée en est la première en France et en Europe à utiliser l’énergie thermique marine. Elle alimente en chaud et en froid l’ensemble des bâtiments qui lui sont raccordés grâce à un réseau de 3 km, soit à terme 500 000 m2 situés dans l’écoquartier Euroméditerranée. Résultat : 70 % d’émissions de gaz à effet de serre en moins ;
  • La Grande-Motte attribue en à Dalkia le contrat de concession de son futur réseau de thalassothermie destiné à fournir l'équivalent de 3 100 logements en chaleur et en froid ; tous les immeubles publics (centre culturel, palais des congrès, mairie) seront d'abord concernés, ainsi que le casino, puis les copropriétés ; l'équipement sera alimenté à 66 % par l'eau de la Méditerranée. Un autre projet est en préparation à Sète[24] ;
  • à Saint-Pierre (La Réunion), la climatisation de l'hôpital Alfred-Isautier sera en grande partie alimentée avec de l'eau de mer puisée en profondeur, réduisant de 30 % sa consommation électrique[25].

Pompes à chaleur air-air et air-eau

La chaleur est extraite de l'air extérieur pour être restituée à l'air intérieur ou à l'eau d'une piscine, par exemple. Le rendement d'un tel système dépend de la température de l'air extérieur. Les risques de givrage du radiateur extérieur peuvent être importants lorsque la température de l'air extérieur est basse et l'hygrométrie élevée, le rendement devenant alors très faible.

Un montage plus efficient consiste à pomper la chaleur de l'air évacué (vicié) d'un local pour la restituer à l'air neuf injecté. C'est le cas de certaines ventilations mécaniques contrôlées (VMC) double flux.

Certains modèles sont inversibles (ou, improprement, « réversibles »), c'est-à-dire capables de transférer de la chaleur de l'intérieur vers l'extérieur. Ces machines ont l'avantage de pouvoir servir de climatisation si les échangeurs de chaleur s'y prêtent : le plancher chauffant a une capacité relativement limitée à devenir plancher rafraîchissant mais les radiateurs ne conviennent pas (question d'aire d'échange et de génération de condensats) : il faut les remplacer par des ventilo-convecteurs nettement plus coûteux et générant d'autres contraintes (alimentation électrique, évacuation des condensats, bruit, etc.).

Les pompes à chaleur air-air peuvent utiliser l’air issu d’un échangeur air-sol pour alimenter l’entrée d’air et améliorer ainsi leur efficacité. Dans la pratique, le débit important d'air brassé réduit très fortement cet intérêt : le puits canadien, ou provençal, n'est efficace que pour un volume d'air compatible avec la vitesse d'échange thermique de l'air introduit, la capacité d'échange thermique du conduit et la température du sol autour du conduit.

En général, un puits canadien sert plutôt à réchauffer un tant soit peu l'air neuf admis dans le bâtiment. Avec de tels débits d'air, il peut être préférable d'utiliser une VMC double-flux avec récupérateur de chaleur sur air vicié, qui transfère l'énergie de l'air intérieur (chaud) vers l'air venant de l'extérieur, via un échangeur de chaleur. Ces systèmes de récupération d'énergie ont souvent de très bons rendements, supérieurs à 85 %. Il existe des PAC à double flux air-air qui réalisent cet échange tout en assurant les débits d'air et donc le renouvellement d'air contrôlé à l'intérieur du bâtiment.

Les pompes à chaleur équipent également certaines voitures électriques[26]. Ces dernières ne disposent en effet quasiment pas, au contraire des véhicules thermiques, d'énergie thermique fatale issue du moteur, leur efficacité énergétique (thermodynamique) étant élevée[27].

Utilisation dans le bâtiment

Selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE), les ventes mondiales de pompes à chaleur ont progressé de près de 15 % en 2021, soit le double du taux moyen de la décennie écoulée. L'AIE estime le potentiel de réduction des émissions de CO2 par les pompes à chaleur à 500 Mt d'ici 2030[28].

Marché européen

Selon l'AIE, les ventes de pompes à chaleur dans l'Union européenne ont progressé de 35 % en 2021, et au premier semestre 2022 elles ont doublé dans certains pays. Elles pourraient passer de 2 millions en 2021 à 7 millions en 2030, économisant 7 Gm3 de consommation de gaz naturel en 2025 et 21 Gm3 en 2030[28].

Le parc en opération dans l'Union européenne est estimé à 34,4 millions d'unités en 2017. Leur production d'énergie renouvelable est estimée à 10,6 Mtep. Le marché 2017 de la pompe à chaleur aérothermique a atteint 3,46 millions d'unités vendues, dont 1,44 million en Italie, 0,913 million en Espagne et 0,487 million en France ; le marché de la PAC géothermique a atteint 82 401 unités, dont 22 641 en Suède et 20 170 en Allemagne. Le parc total se répartit comme suit fin 2017[29] :

Parc des pompes à chaleur en opération dans l'Union européenne fin 2017
Pays PAC
aérothermiques 		PAC
géothermiques 		Total PAC % UE28 PAC/
1000 habitants
Drapeau de l'Italie Italie19 520 00014 20019 534 20056,7 %332
Drapeau de la France France5 572 743154 8705 727 61316,6 %83
Drapeau de l'Espagne Espagne3 201 8101 3883 203 1989,3 %.68
Drapeau de la Suède Suède1 136 341525 6781 662 0194,8 %107
Drapeau de l'Allemagne Allemagne616 659358 181974 7502,8 %7
Drapeau de la Finlande Finlande683 621110 981794 6022,3 %124
Drapeau du Portugal Portugal528 746909529 6551,5 %52
Total UE2832 880 1601 544 56034 342 720100 %44

Marché en France

En 2006, 53 510 pompes à chaleur domestiques ont été installées en France contre seulement un millier en 1997, ce qui permet à ce pays de devenir le second marché européen pour cet appareil derrière la Suède mais devant l'Allemagne et la Suisse. Cependant, dans les pays nordiques, 95 % des maisons neuves en sont équipées contre seulement 10 % en France où, pourtant, le marché double de valeur d'une année sur l'autre[30].

En 2009, le gouvernement français proposait un crédit d'impôt à hauteur de 40 % sur le matériel, plafonné à une valeur de 16 000 € pour un couple marié et 8 000 € pour un célibataire ou un couple non marié ; ce plafond s'appréciant sur cinq années consécutives. Ce crédit d'impôt 2009 était exclusivement lié au seul coût du bloc principal de la pompe à chaleur, hors pose. Il couvrait les PAC géothermiques et les PAC air-eau ; depuis le , les PAC air/air ne sont plus prises en charge.

À partir de , la loi de finances (LFR 2009 article 28 ter) prévoit un maintien du taux de 40 %, mais uniquement pour les PAC géothermiques et thermodynamiques (eau-eau), y compris la pose du capteur géothermique. Le crédit d’impôt applicable aux autres pompes à chaleur (autres que air-air et thermodynamiques) a été ramené de 40 à 25 %.

En 2011, l’État réduit le crédit d'impôt pompe à chaleur à 36 % pour les PAC géothermiques (y compris la pose des capteurs en sol) et de 22 % pour les pompes à chaleur aérothermiques autres que air-air. Le marché français de la pompe à chaleur est ainsi assujetti aux diverses lois de finances. Ainsi en France le nombre annuel de nouveaux équipements en PAC air-eau et géothermie passe de 153 000 unités en 2008 à 121 000 en 2009 et à 63 000 en 2010[31] - [32].

Selon l'AFPAC (Association française de la PAC), sur le premier quadrimestre de 2014, le marché français de la PAC a beaucoup progressé, grâce à la {RT2012 : une PAC était installée dans 40 à 50 % des maisons neuves ; un groupe de travail associant l’AFPAC et l’AFPG (Association française des professionnels de la géothermie) venait d’être constitué pour relancer la PAC géothermique, réduire le coût des installations et permettre à ce marché de revenir, à terme, à un niveau « naturel » de 15 à 20 000 pièces par an[33].

En 2018, le mécanisme des certificat d'économie d'énergie (CEE) ainsi que le cumul du crédit d'impôt pour la transition énergétique (CITE) et de la prime « Coup de pouce économies d’énergie » permettent de faire bénéficier les foyers français à faible revenu de la « pompe à chaleur à 1 € »[34] sous certaines conditions de ressources fixées par l'ANAH[35].

Selon une étude parue dans Nature en 2020, même à supposer que le contenu en carbone de l'électricité ne présente pas d'amélioration, il y aurait quand même intérêt à passer aux voitures électriques pour les transports, et aux pompes à chaleur pour les bâtiments[36].

Dans le scénario « négaWatt 2017 », l'électricité dévolue au chauffage s'élève à 63,4 TWh/an, tandis que la chaleur renouvelable s'élève à 135,1 TWh/an, en France en 2050, les pompes à chaleurs, dont les climatiseurs réversibles, utilisant l'électricité beaucoup plus efficacement que ne le font les radiateurs électriques[37] - [38].

En 2022, le nombre d'installations de pompes à chaleur a progressé de 30 %. Interdites sur le marché de la construction neuve et affectées par la baisse des aides d'État sur le marché de la rénovation, les chaudières à gaz et au fuel ont subi un net recul : il s'en est installé 207 000 de moins, alors que les chaudières biomasse, les pompes à chaleur air-eau, les chauffe-eau thermodynamiques et la géothermie ont progressé ensemble d'environ 100 000 unités. Tous types confondus, le parc atteint sept millions de pompes à chaleur ; l'essentiel du marché reste dominé par les PAC air-air. La moitié des nouvelles maisons individuelles s'équipent d'une pompe à chaleur. La France est ainsi devenue le premier marché européen. Plus de 346 000 pompes à chaleur air-eau ont été installées en 2022. Le gouvernement cherche à relocaliser en France une partie de la production, car la moitié de la valeur ajoutée provient aujourd'hui de pays tiers, en particulier asiatiques. Le ministère de l'Industrie a fixé l'objectif d'atteindre le million de pompes à chaleur produites en France à l'horizon 2030, ainsi que 90 % de la valeur ajoutée en France ou en Europe[39].

En Norvège

En Norvège en 2022, plus de la moitié des ménages ont adopté cette technologie[2].

En Suisse

La pompe à chaleur système-module est un standard suisse pour la planification, la construction et la mise en service de pompes à chaleur dont la puissance thermique est inférieure ou égale à environ 15 kW.

Références
  1. « thermopompe », Grand Dictionnaire terminologique, Office québécois de la langue française.
  2. (en) Jan Rosenow, « Debunking heat pump myths », sur illuminem.com citant (en-US) Mauro Anastasio, « Heat pumps perform successfully across Europe - New consumer analysis », sur Cool Products, (consulté le ).
  3. (en) Jim Erickson, « Could residential heat pumps be part of the climate solution? », sur université du Michigan.
  4. « Pompe à chaleur : technologies et applications dans le résidentiel », sur Techniques de l'ingénieur (DOI 10.51257/a-v1-be9791, consulté le ).
  5. « Principe et architecture de la pompe à chaleur », sur mines-paristech.fr.
  6. « Pompes à chaleur », sur Energie Facteur 4.
  7. État de l’art des modes de captage géothermique [PDF], sur groundmed.eu, .
  8. Lexique Pompe à chaleur, sur dimplex.de (consulté le 23 avril 2012).
  9. Yomiuri Shimbun, 12 novembre 2009, 13 ver.13S, page 8
  10. Mariage réussi de la pompe à chaleur et du photovoltaïque, batiactu.com, 18 septembre 2012 (consulté le 18 février 2016).
  11. Interview d'Alain Guiavarch (CEP Mines ParisTech), Présentation des résultats du Projet PACAirPV couplant la pompe à chaleur à des capteurs photovoltaïques, batiactu.com, 18 septembre 2012.
  12. « Généralités sur les pompes à chaleur – energie-environnement.ch », sur energie-environnement.ch (consulté le ).
  13. « Règlement (UE) no 813/2013 de la Commission du 2 août 2013 portant application de la directive 2009/125/CE du Parlement européen et du Conseil en ce qui concerne les exigences d’écoconception applicables aux dispositifs de chauffage des locaux et aux dispositifs de chauffage mixtes Texte présentant de l'intérêt pour l'EEE », sur EUR-Lex, (consulté le ).
  14. Le site, « (9) - Comment sont déterminés les coefficients de conversion en énergie primaire, notamment pour le bois et l’électricité photovoltaïque ? », sur rt-re-batiment.developpement-durable.gouv.fr, (consulté le ).
  15. « Pompes à chaleur », sur Ministère de la Transition écologique et solidaire, (consulté le ).
  16. (en) « Solar Cooling Overview », sur Thermopedia.
  17. Pompe à chaleur géothermique : Fonctionnement, QuelleEnergie.fr, juin 2011.
  18. Philippe Nunes, Pompe à chaleur sur eau de mer ou géothermie eau de mer (4 800 kW), XPAIR, 2012-08-01
  19. Philippe Nunes, Pompe à chaleur sur eau de mer pour 54 000 m2 à la Seyne/Mer 2010-02-01
  20. Marie-Jo Sader, De l'eau de mer pour chauffer des habitations, Actu environnement
  21. Site Massileo.
  22. Site edfoptimalsolutions.fr.
  23. ENGIE, innovateur en matière de géothermie marine, sur engie.fr, consulté le 20 décembre 2017.
  24. La Grande-Motte choisit Dalkia pour son réseau de thalassothermie, Les Échos, 17 janvier 2020.
  25. Bardot Océan va climatiser l'hôpital de La Réunion, Les Échos, 17 janvier 2020.
  26. (en) « Under the skin: How heat pumps improve electric cars », sur Autocar (consulté le ).
  27. La climatisation à bord d’une voiture électrique, Le Monde, (consulté le ).
  28. (en) The global energy crisis is driving a surge in heat pumps, bringing energy security and climate benefits, Agence internationale de l'énergie, 30 novembre 2022.
  29. Baromètre pompes à chaleur 2018, EurObserv'ER, novembre 2018.
  30. « Pompes à chaleur : la France rattrape son retard », sur bovethic.fr, .
  31. AFPAC - Conférences juillet 2011 premières rencontres de la pompe à chaleur sur media.xpair.com (consulté le ).
  32. David Bonnet (président de l’AFPAC), Table ronde no 1 : Le marché des PAC à 2010, perspectives pour 2011 [PDF], Premières rencontres de la pompe à chaleur, 8 Juillet 2011, INSA Lyon, sur Xpair (consulté le 20 novembre 2012).
  33. Perspectives plutôt favorables pour la géothermie française, Xpair (consulté le 29 avril 2014).
  34. « Pompe a chaleur a 1 € comment obtenir conseil gratuit prime conversion », sur Info énergies renouvelable s, (consulté le ).
  35. « Anah - Agence nationale de l'habitat », sur Anah (consulté le ).
  36. (en) « Net emission reductions from electric cars and heat pumps in 59 world regions over time » [« Réductions nettes des émissions des voitures électriques et des pompes à chaleur dans 59 régions du monde en fonction du temps »], Nature,‎ (lire en ligne [PDF]).
  37. Comparer diagramme 2015 simplifié et diagramme 2050 simplifié, association négaWatt.
  38. Maîtrise de l'électricité [PDF], association négaWatt.
  39. Comment la France veut profiter du boom des pompes à chaleur, Les Échos, 20 avril 2023.

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

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