De la pompe à chaleur au puits canadien

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1 25/01/ Par Michel Berkowicz, De la pompe à chaleur au puits canadien Découvrez dans ce dossier introductif sur les pompes à chaleur, les différents types de pompes à chaleur, de la pompe à chaleur aérothermique à la pompe à chaleur géothermique. Page 1/13 - De la pompe à chaleur au puits canadien Le fonctionnement de la pompe à chaleur (PAC) est basé sur l utilisation des énergies renouvelables. L installation prélève les calories présentes à l état naturel dans l air, l eau, le sol (avec de l'énergie électrique) et les restitue pour chauffer une maison ou la rafraîchir (système réversible) avec un faible coût d exploitation. Exemple d'installation de pompe à chaleur. Crédits DR. Moyennant un équipement spécifique, on peut aussi se fournir en eau chaude sanitaire. L investissement de départ est conséquent mais s amortit dans la durée. Ce qui permet de l alléger par des crédits d impôts (au même titre, d ailleurs, que la clim réversible). Il est à signaler qu une PAC a pour mission première de chauffer. Ses capacités rafraîchissantes sont plus limitées que celles d une climatisation, dont c est la fonction prioritaire. Découvrez dans ce dossier introductif sur les pompes à chaleur, les différents types de pompes à chaleur, de la pompe à chaleur aérothermique à la pompe à chaleur géothermique. Page 2/13 - Pompe à chaleur aérothermique Comme sa désignation le laisse entendre, une PAC aérothermique utilise les calories de l air. Même en hiver, l air contient une certaine quantité de chaleur partout dans le monde (où l on reste loin du zéro absolu). Celle-ci est captée par une unité extérieure qui la transmet à un réseau d insufflation (caissons muraux, gaines de distribution ) ou au circuit hydraulique d une installation de chauffage central (planchers chauffants, radiateurs ), voire d une piscine. L efficacité est d autant meilleure que l écart de température entre l extérieur et l intérieur est réduit. L aérothermie est donc plus appropriée aux climats tempérés (descendant peu en dessous de 0 C) que rudes. Côté Page 1 / 18

2 obligations, l installation est soumise aux mêmes conditions qu un climatiseur réversible : en général, il s agit simplement de respecter les règles de bon voisinage. Découvrez dans les prochaines pages, les pompes à chaleur air / air et air / eau. Page 3/13 - Pompe à chaleur air / air Les pompes à chaleurs air/air sont simples à installer, en particulier dans des maisons implantées sur de petits terrains ou à rénover. Source AC Clim65 En contrepartie, ils ont les rendements les plus faibles de tous les types de PAC en usage (COP moyen de 3). Ce sont en quelque sorte de gros climatiseurs réversibles orientés prioritairement vers le chaud et disposant du même type d unités intérieures. Il suffit d actionner le dispositif de commande (boîtier fixe ou télécommande) pour chauffer ou passer en mode froid. Attention aux distributeurs ou installateurs qui présentent abusivement comme pompes à chaleur ou chauffages air/air de «simples» climatiseurs réversibles! Pompe à chaleur air/air gainable triphasée. Puissance 11 kw. Fonctionnement chaud jusqu à - 25 C. Chaleur constante jusqu à - 15 C. Fonctionnement froid jusqu à + 46 Page 2 / 18

3 C. Niveau sonore 52/53 db(a). Gaz réfrigérant R 410A. Ref. PUHZ HRP1125YHA (6015 HT unité ext. seule). Source Mitsubishi Page 4/13 - Pompe à chaleur air / eau Le principe de captage d air d'une pompe à chaleur air / eau est identique au précédent. La différence réside dans le mode de distribution des calories (chauffage central) et la nature des émetteurs de chaleur, déjà en place ou à prévoir. Si la maison dispose d une chaudière gaz ou fioul en bon état, nul besoin de modifier l installation intérieure. La pome à chaleur air / eau s installe en relève de chaudière : c est-à-dire en parallèle. Recadrée - Exemple de PAC en relève de chaudière La pompe aérothermique (1) capte la chaleur de l'air et la transmet au circuit hydraulique. Une vanne (2) permet de répartir l'eau chaude entre le circuit de radiateurs Basse Température (3) et la chaudière (4). La chaudière alimente la maison en eau chaude (5) et relève la pompe lorsque la température extérieure l'exige. Source NovEnergie Elle fonctionne tant que la température extérieure permet un bon rendement. Lorsque le froid s intensifie au risque de provoquer une surconsommation d électricité, la chaudière se met en route. Ce n est qu à cet instant que le stock de gaz ou de fioul est entamé. Page 3 / 18

4 Principe de la PAC aérothermique Source Avenir Énergie Avec des radiateurs classiques, cas le plus fréquent, le choix se porte sur une PAC haute température (65 C et +) capable d assurer aussi la production d eau chaude sanitaire. Si la maison est déjà équipée de radiateurs basse température ou de planchers chauffants, c est un modèle BT (plus économique) qui convient. Il peut être associé à un ballon ECS indépendant. Dans le cas d une rénovation complète, l idéal est la PAC réversible avec option planchers rafraîchissants. Ce système est toutefois moins performant qu une clim réversible car l eau circulant dans le circuit n est pas vraiment froide : 18 C au plus bas. Exemple d équipement basse température (données pour circuit hydraulique à 35 C) 1. Pompe à chaleur techno Inverter (4 références). Puissance absorbée ext. + 7 C : 1880 à 4170 W. Ext. - 7 C : 1910/ Puissance restituée ext. + 7 C : 8500 à 1880 W. Ext. - 7 C : 5000 à W. COP : 4,52/4,40 à 2,61/2,50. Volume eau piscine à 26 C (ext. 15 C) : 50 à 110 m3. Niveau sonore : 45/49 à 45/54 db(a). Modèle Ener O de Walter Meier (renseignements commerciaux auprès du fabricant) 2. Module hydraulique ECS (intérieur). Débit d eau mini : 1,5 à 3,2 m3/h. Niveau sonore 30/31 db(a). Puissance Page 4 / 18

5 absorbée circulateurs (en option) 9300 à W. Ref. 254, 364, 484 et Ventilo-convecteurs 4. Plancher chauffant Comparaison installations clim réversible et PAC aérothermique Page 5/13 - Pompe à chaleur géothermique En quelques années, la géothermie s est hissée au troisième rang des énergies renouvelables, derrière la biomasse et l hydraulique. Les problèmes techniques qui handicapaient la filière (corrosion des équipements, rentabilité faible ) sont réglés. L énorme quantité de chaleur emmagasinée par le sol terrestre est aujourd hui exploitée à grande échelle en Amérique, Asie et Europe. On estime à près de mégawatts thermiques (MWth) les installations implantées, pratiquement à parts égales, sur ces trois continents (source Ademe). Page 5 / 18

6 Source ADEME/BRGM La géothermie, dans son sens originel, puise la chaleur à des profondeurs magmatiques. De type basse, moyenne ou haute énergie, elle assure le chauffage urbain, alimente des usines, des stations thermales, produit de l électricité. Les systèmes dédiés au secteur résidentiel utilisent en fait la chaleur solaire accumulée pendant des années dans la croute terrestre. Leur qualification de géothermiques est donc impropre mais communément admise. De type très basse énergie, ils permettent de chauffer et rafraîchir, à de faibles coûts d exploitation, l habitat individuel et le petit collectif, en construction neuve comme en rénovation. Deux sources d énergie pour l habitat Page 6 / 18

7 Source Quatre technologies sont actuellement accessibles au secteur résidentiel. Trois utilisent la chaleur du sol par captage, plus ou moins profond, horizontal ou vertical : elles sont dites eau glycolée/eau, à détente directe (sol/sol) ou sol/eau. La quatrième, eau/eau, puise directement l énergie dans les nappes phréatiques. Une étude géologique détermine le choix du système, qui dépend de la surface de terrain disponible et de la nature du soussol. À partir des capteurs, la chaleur souterraine est véhiculée par l intermédiaire d un fluide caloporteur jusqu à la PAC. Le générateur la restitue ensuite à l intérieur de la maison pour alimenter une installation de chauffage central, la production d eau chaude sanitaire, etc. 4 - Comparatif des systèmes géothermiques Page 7 / 18

8 Source ADEME Page 6/13 - Géothermie : captage horizontal Le captage horizontal est la solution la plus courante en France. Les coûts de mise en œuvre sont moins élevés que pour les autres techniques car le travail s effectue à faible profondeur. Le gros matériel de chantier se limite à un engin de terrassement.le captage horizontal fait appel à trois types de PAC : eau glycolée/eau, sol/eau ou sol/sol. Le choix dépend des équipements à alimenter : émetteurs existants, remplacement ou non d une chaudière, installation neuve basse température, option plancher rafraîchissant Les sondes géothermiques utilisent uniquement une PAC eau glycolée/eau, le captage sur nappe une PAC eau/eau. Page 8 / 18

9 Source geothermie Infos - L installation est cependant soumise à diverses contraintes. La surface de pose doit être 1,5 à 2 fois supérieure à celle de l habitation à chauffer et le terrain permettre de décaisser sur 60 à 120 cm de profondeur (L. 50 m env.). Mieux vaut un sol meuble que rocheux Installation d un réseau de tubes horizontal - Source geothermie Infos - D éventuelles conduites d eau, d électricité ne peuvent passer à moins de 1,50 m des capteurs. Le terrain doit être perméable aux eaux de pluie, qui jouent un rôle déterminant dans la régénération de la chaleur du sol. Les capteurs horizontaux se composent de tubes polyéthylène haute densité (PEHD) ou de cuivre recuit gainé de polyéthylène : ils sont disposés en boucles espacées de 50 cm au minimum. Le réseau doit être distant d au moins 2 m de tout arbre ou ouvrage (puits, fosse sceptique ) mais peut cohabiter avec des buissons et massifs à racines courtes (- 50 cm). Page 7/13 - Géothermie : captage vertical Plus onéreux, le captage vertical requiert du matériel de forage pour enfouir des sondes à une profondeur Page 9 / 18

10 de 15 à 80 m, voire 100 m. Il s agit d une technique très pointue qui exige un personnel qualifié (peu nombreux en France). Mais les puits peuvent être creusés près de la maison (pas besoin de grand terrain) ou même, avant une construction neuve, sous le vide sanitaire. Source ADEME/BRGM Le captage vertical est plus performant que l horizontal : la source de chaleur est stable en profondeur alors qu à proximité de la surface, elle est sensible aux variations thermiques. Forage et mise en place de sondes géothermiques Source Le forage vertical impose des démarches administratives, liées à la protection du sous-sol : déclaration préalable à la DRIRE En général deux puits suffisent, nécessitant chacun une surface de 50 x 50 cm environ et distants d une Page 10 / 18

11 dizaine de mètres au moins. Ils reçoivent les sondes géothermiques, constituées de quatre tubes PEHD (Ø 25 ou 32 mm) formés en doubles U (soudés deux par deux à la base) et où circule de l eau glycolée en circuit fermé. Une fois les sondes reliées à la PAC, elles sont scellées dans leurs puits par injection d un coulis à base de ciment et d argile. Ce mélange, tout en protégeant les capteurs des pierres et racines, a la propriété d améliorer leur conductibilité. La capacité d absorption calorifique d un capteur vertical est en moyenne de 50 W par mètre de forage. Deux sondes profondes de 50 m peuvent ainsi chauffer 120 m 2 habitables. Parfois, la nature du sol (terre trop friable) oblige à tuber les sondes, augmentant ainsi le coût global de l intervention. Page 8/13 - Géothermie : captage sur nappe Deux procédés sont envisageables pour un captage sur nappe. L un, le plus écologique, implique de creuser deux trous profonds de 8 à 50 m, selon les régions. Le premier, ou puits d aspiration, se situe en amont de l écoulement de la nappe : la PAC y puise les calories de l eau et les valorise. Le second puits, dit de restitution, rejette l eau refroidie dans son milieu naturel en aval de l écoulement, sans altérer sa qualité. Source geothermie Infos - Moins coûteux, le système à un seul forage présente l inconvénient de rejeter l eau refroidie dans une rivière, un lac, un réseau d eaux pluviales D où un gaspillage certain. Dans la mesure du possible, il est à éviter. Page 11 / 18

12 Forage pour captage sur nappe Source nature & Énergie Le captage sur nappe phréatique est la technique la plus rentable en termes de consommation d énergie. Même en cas d hiver rigoureux, la température de l eau est constante entre + 8 et 12 C. Son COP est le plus élevé de la filière géothermique : + 5 en moyenne annuelle, contre 3 à 4 pour les dispositifs précédents. Le procédé est assujetti aux mêmes obligations que le captage vertical. Page 9/13 - Pompe à chaleur eau glycolée / eau Dans une PAC eau glycolée / eau, Les capteurs transmettent au générateur la chaleur du sol grâce un mélange d eau additionnée d antigel, qui circule en circuit fermé. Le générateur évapore et condense alternativement son fluide frigorigène pour chauffer, suivant les cas, l eau d un réseau de radiateurs classiques HT ou d émetteurs et planchers chauffants BT. Elle peut aussi rafraîchir si l installation intérieure comporte des émetteurs réversibles. Liée à un captage horizontal, cette solution est la moins coûteuse à mettre en œuvre et la moins performante aussi : COP de 3 en moyenne annuelle. En captage vertical, le COP atteint couramment 4. Page 12 / 18

13 PAC compacte HT intégrant une régulation de chauffage, un circulateur, une vanne de sécurité et une cartouche chauffante. Forme compacte pour montage en sous-sol d habitation ou petit local technique. Capacité thermique : 5,50 à 16,10 kw (selon modèle). Débit volumétrique côté source de chaleur : 1,40 à 3,80 m3/h. Température de départ chauffage jusqu à 60 C. Niveau sonore : nc. COP : 2,82 à 4,70. Modèle WPF Série Confort (prix voir fabricant). Source Stiebel Eltron Page 10/13 - Pompe à chaleur sol / sol : PAC à détente directe Cette technique (sol/sol) est basée sur un seul circuit composé du réseau de captage horizontal et de planchers chauffants en tubes de cuivre gainé, remplis de fluide frigorigène. Les capteurs extérieurs jouent le rôle d un gigantesque évaporateur, les émetteurs de chaleur celui d un condenseur. L évaporation et la condensation s effectuent progressivement, ce qui permet d optimiser l efficacité du dispositif. La conversion du fluide est assurée par un module regroupant l ensemble des éléments d une pompe à chaleur (compresseur, détendeur ) à l exception des deux échangeurs : il prend place dans un local technique, la cave ou le garage. Plusieurs compresseurs peuvent être employés pour chauffer différentes zones de l habitation. Ce système offre un rendement optimal pour une surface de captage limitée à une fois et demie celle à chauffer. Page 11/13 - Pompe à chaleur sol / eau Solution intermédiaire entre les PAC eau glycolée/eau et à détente directe (pas sol / sol), la pompe à chaleur sol / eau véhicule du fluide frigorifique dans le réseau de captage en cuivre gainé et restitue la chaleur, via son compresseur, au circuit d eau d une installation basse température. Page 13 / 18

14 Pompe à chaleur sol/eau adaptée au captage horizontal et vertical. Équipée d un compresseur Scroll. Puissance thermique 7 à 17 kw. Jusqu à 4 kw de chaleur produite pour 1 kw consommé : COP 4. Niveau sonore 41 db(a) à 1 m de distance. Gamme SOLO. Source De Dietrich Ce système mixte conjugue les avantages et inconvénients des deux précédents. Page 12/13 - Pompe à chaleur eau / eau Le générateur d'une pompe à chaleur eau / eau utilise directement l eau d une nappe phréatique. Nul besoin d antigel puisque cette eau conserve une chaleur suffisante pour chauffer une maison individuelle et même un immeuble. À Strasbourg, par exemple, plusieurs bâtiments sont alimentés de la sorte avec de bons rendements (COP + 3) à une température extérieure de - 15 C. Page 14 / 18

15 Pompe eau/eau dotée d un échangeur à spirale en inox. Puissance thermique 13,40 à 13,60 kw. COP 3,40 ou 5. Débit d eau souterraine 3,30 m3/h. Limite température de fonctionnement (source) + 7 à 25 C. Débit d eau chaude en cas de différence de pression intérieure 1,30 m3/h. Niveau sonore 55 db(a). T maxi départ chauffage 55 C. Système de distribution pour circuits de chauffage mixtes ou non. Existe en version universelle avec production ECS. Modèles WI 14ME. Source Dimplex. À l intérieur de l habitation, la PAC eau/eau se raccorde à un circuit de chauffage à basse température : planchers chauffants, radiateurs BT L été, elle peut fonctionner en mode froid par inversion du fluide frigorifique, avec des performances EER supérieures aux technologies air/air ou air/eau. Page 13/13 - L intérêt d un puits canadien / provençal L e puits canadien (système de ventilation, dit de surface) utilise de manière passive l énergie géothermique (dans son sens commun). En hiver, il s agit d apporter de l air doux dans l habitation et de réaliser ainsi des économies en ménageant l installation de chauffage : on parle de puits canadien. Le principe, très ancien, nous vient en effet des pays froids où il permet de récupérer efficacement la chaleur du sol sous des températures largement en dessous de 0 C (- 10/-15). Il peut également remplacer une mise hors gel, lorsque l habitation est inoccupée. L été, dès qu on approche des 30 C, c est de l air frais qui est insufflé à bon compte : le puits devient alors provençal. Logique! Source Comment fonctionne un puits canadien? Page 15 / 18

16 En France, la température extérieure varie de - 15 à + 35 C selon la saison et la région. Avec des pics possibles lors d années exceptionnellement froides ou chaudes. La température du sol, elle, reste d une remarquable stabilité quel que soit le climat : entre 10 et 18 C à 2 m de profondeur. Le puits canadien/provençal exploite cette stabilité en faisant transiter l air extérieur par un collecteur enterré entre 1,50 et 2 m, suivant une pente de 2 à 3 %. Ce gros tube de Ø 20 cm alimente les pièces de la maison par un réseau de gaines de distribution. L entrée d air, qui pointe dans le jardin, est équipée d un filtre très efficace et de grilles interdisant l entrée aux petits rongeurs et insectes. Un ventilateur centrifuge, enterré ou placé dans la maison, assure une aspiration régulière de l air tandis qu un regard étanche ou un siphon évacue les condensats. 2 - Trois options pour un puits canadien 1. Collecteur géothermique PE, Ø 200 mm, L. 50 m. Ref. EWT-E 200 L50 2. Borne de prise d air Ø 200 en acier galvanisé (à peindre) avec triple filtre G. Ref. EWT-A 200 GALVA 3. Régulation double T en tôle d acier galvanisé Ø 200 mm, avec trappe de visite (nettoyage) et évacuation des condensats. Ref. EWT-F SIPHON Manchon de liaison Ø 200 mm, avec 2 joints d étanchéité adaptés. Ref. EWT-M 200 Modèle puits canadien/provençal Econologique (env ). Source Helios Page 16 / 18

17 Le procédé traditionnel associe le puits canadien à une ventilation naturelle. Ses versions modernes, sous forme de kit, proposent un flexible coextrudé en polyéthylène de qualité alimentaire, annelé à l extérieur, lisse à l intérieur. Le tube est complété d un manchon de liaison, d une borne de prise d air extérieure et d un dispositif de régulation permettant le nettoyage et l évacuation des condensats. Source Atlantic Pour obtenir une efficacité optimale, notamment dans la construction basse énergie ou passive, le puits canadien est couplé avec une VMC simple ou (mieux) double flux. L air n étant pas directement aspiré par les bouches d aération des menuiseries, on réalise des économies de chauffage en hiver et d électricité en été. Page 17 / 18

18 Source Helios Autre concept, le système géothermique utilise un échangeur d air à eau glycolée. Exit le gros collecteur d air, il est remplacé par un circuit (toujours enterré) rempli d eau additionnée d antigel. Celui-ci peut faire le tour de la maison et le système s applique dans toutes les configurations où la pose d un collecteur est difficilement réalisable. 3 - Précautions d usage À l instar d une VMC, le puits canadien demande un entretien régulier pour éviter des nuisances d ordre sanitaire : humidité, pollution de l air, prolifération de bactéries On doit veiller à laisser la trappe de visible et l entrée d air aisément accessibles pour le nettoyage. L étanchéité de l installation doit être parfaite et l évacuation des condensats en bon état de fonctionnement. Page 18 / 18