Principe de la géothermie et des pompes à chaleur
Il existe quelques sites géographiques, telles les sources chaudes, qui permettent de bénéficier de géothermie haute énergie avec une utilisation directe de la chaleur par simple échange. Cependant, dans l'immense majorité des cas, la géothermie nécessite la mise en œuvre d'une pompe à chaleur pour prélever l'énergie basse température pour l'augmenter à une température suffisante pour le chauffage d'habitations.
La pompe à chaleur (PAC) utilise un fluide frigorigène dont le changement d'état (vapeur ou liquide) permet de transférer les calories captées dans l'air extérieur, le sous-sol ou une nappe phréatique vers le logement. Contrairement au chauffage électrique classique (à effet Joule), l'électricité sert ici au transfert en assurant les compressions/décompressions du fluide comme dans un réfrigérateur. De ce fait, les PAC peuvent assurer une fonction de climatisation en été. On parle de chauffage réversible.
Comme pour une chaudière gaz ou fioul, le durée de vie typique de ces appareils est de l'ordre de 15 ans.
On appelle coefficient de performance (COP) d'une pompe à chaleur, le rapport entre la quantité de chaleur totale fournie par la PAC au système de chauffage et l'énergie électrique nécessaire pour actionner la PAC. COP = Energie délivrée par la PAC/Energie pour actionner la PAC.
Ce rapport est théoriquement toujours supérieur à 1. C'est-à-dire que la pompe à chaleur délivre plus de chaleur qu'on ne lui fournit d'énergie pour l'actionner.
Le COPréel d'une installation sera toujours intéfieur au COPusine mesuré dans des conditions normalisées et repris dans les documentations commerciales.
Les pompes à chaleur sur air
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Qui n'a jamais eu d' "ami" vous proposant toujours de vous venir en aide, mais qui s'efface comme par hasard le jour où vous êtes vraiment dans le besoin ?
C'est un peu le principe de la PAC / air qui puise les calories dans l'air extérieur à l'aide d'un ventilateur. Le capteur n'est pas très coûteux à installer, mais contrairement à la température du sol qui reste stable tout au long de l'année, celle de l'air extérieur fluctue et peut devenir très basse.
Or la performance d'une PAC est directement proportionnelle à la différence entre la température du milieu où l'on prélève la chaleur et la température du logement. De plus, dès que la température extérieure descend en dessous de 6° (surtout par temps humide), l'évaporateur peut givrer, ce qui diminue encore plus l'efficacité de la PAC. Autrement dit, c'est quand vous aurez le plus besoin de chauffage que le système ne sera plus d'aucune utilité !
Ce dispositif est compatible avec les planchers chauffants (système air/eau), et avec les ventilo-convecteurs (système air/air).
Et pour en finir par rapports aux PAC géothermiques, les pompes à chaleur sur air :
- sont généralement beaucoup plus bruyantes;
- ont une durée de vie moins bonne que les systèmes à eau glycolée;
- consomment énormément plus d'électricité en mode climatisation car si besoin de clim il y a, c'est justement parce que la source "froide" (l'air extérieur) est très chaude !
- la chaleur émise par les ventilo convecteurs est peu confortable.
En février 2005, l'état avait fort justement supprimé ce type de pompe à chaleur des dispositifs éligibles au crédit d'impôt... courageux mais pas téméraire il a fini par céder sous les coups de boutoir des lobbies industriels par un arrêté publié le 12 décembre 2005.
Pour bénéficier du crédit d'impôt, les pompes à chaleur à air doivent avoir un COP égal ou supérieur à 3 par une température extérieure de 7°C et un fonctionnement garanti par le fabricant jusqu'à une température extérieure de - 15°C ... mais sans aucune contrainte sur la performance du dispositif à ces températures négatives !
Sur la base d'un COP de 3 à une température extérieure de 7°, voici les COP réels auxquels vous devez vous attendre en fonction des températures extérieures moyennes sur la saison de chauffe :
- Nord-est de la France : 1,7
- Champagne, Bourgogne, Nord, Rhône-Alpes en plaine, Centre : 1,9
- Limousin, Val de Loire, Pays de Loire, Normandie, Bretagne-Est : 2 à 2,3
- Midi-Pyrénées (en plaine), Aquitaine, Bretagne-Ouest, Vallée du Rhône : 2,5 à 3
- Côtes des Pyrénées-Atlantiques et de la Méditerranée : 3 à 3,4
- Côte d'Azur en bord de mer, Corse : 3,8 à 4
Les pompes à chaleur géothermiques (proprement dites)
- Les systèmes à détente directe (dite également gaz/gaz ou sol/sol)
- Très en vogue dans les années 80, 90, le fluide frigorigène est utilisé dans les deux boucles (boucle du capteur dans le sol et boucle du plancher chauffant dans l'habitat).
- Ces systèmes en utilisent donc une grande quantité, or les fluides frigorigènes qui se dégagent dans l'atmosphère sont de très forts gaz à effet de serre. Toute installation de PAC présente des fuites et nécessite des recharges périodiques. En outre, lors de leur démantèlement, le gaz frigorigène est rarement récupéré.
- Signalons qu'une variante dite sol/eau ou gaz/eau existe (détente directe du fluide frigorigène dans les capteurs du sol du jardin et plancher chauffant à eau).
- Les systèmes eau/eau
- Ils pompent de l'eau dans une nappe phréatique à un débit de 2 m3/h.
- Ce système offre le meilleur rendement (COP de 6) , mais très peu de sites ont accès à une grande nappe phréatique permettant un tel débit sur la durée.
- Les systèmes eau glycolée/eau
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La PAC utilise un circuit de captage dans le sol, soit avec des boucles de captage horizontales, soit avec des forages verticaux.
PAC à boucle de captage horizontaleLes systèmes eau glycolée/eau à boucles de captage horizontales :
Le circuit de captage est constitué par un réseau de tuyaux enterrés. Dans le cas d'un plancher chauffant, le COP peut atteindre 3,5 avec une machine de qualité et si les boucles sont bien réalisées :
- Les tuyaux doivent être espacés de 80 cm au minimum (et non pas de 40cm comme on peut le lire parfois 1)
- Les tuyaux doivent être enterrés entre 1,20 et 1,50m de la surface du sol (et non pas à 0,60cm comme on peut le lire parfois 1).
- La surface de la boucle de captage doit être deux fois celle de la maison (et non pas 1,5 fois comme on peut le lire parfois 1).
1 préconisations optimistes de certains fabriquants, mais infos vues également sur les guides pratiques de l'ADEME !
Ces dispositions sont en réalité très rarement appliquées et dans la plupart des cas, le COP réel sera entre 2 et 2,5 (voir les forums de discusion de futura-sciences.com). Si la surface de capteurs est sous-dimensionnée, la performance du système baissera drastiquement au fil des ans.
Par ailleurs, les capteurs horizontaux :
- ne sont pas adaptés aux petits terrains;
- ne sont pas adaptés aux sols rocheux;
- sont impossibles à réaliser en rénovation, sauf à "dé-paysager" tout le terrain;
- interdisent la plantation des arbres sur la surface occupée;
- empêchent tout terrassement ultérieur (fondations pour un 2ème garage, piscine, cuve à eau de pluie, etc.).
Le coût de l'installation du réseau de capteurs est de l'ordre de 20 €HT/m2 de capteur soit 40 € HT/m2 de surface habitable. Ce coût n'est pas pris en compte dans l'assiette de calcul du crédit d'impôt.
- Les systèmes eau glycolée/eau à forages verticaux :
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Un ou plusieurs forages sont réalisés dans votre jardin, d'un diamètre de 15 cm et d'une profondeur de 100m au maximum.
On place dans chaque forage un ou deux tubes en " U ". Deux tubes sont préférables car cela apporte une redondance si l'un d'entre-eux se perce pour une raison quelconque. Dans le cas d'une construction neuve, il est même possible de prévoir le forage sous la maison.
En moyenne, il faut prévoir une profondeur totale calculée par la formule suivante :
profondeur (m) = surface habitable (m²) x 0,85
Avec un plancher chauffant et une eau à 35°, ces systèmes haut de gamme atteignent des COP de 4,5 tandis que les systèmes de gamme courante (majorité du marché français) plafonneront à 3 (cf. mesures réelles disponibles sur ce document areneidf.com...geothermie, pages 8 à 10)
Avec des radiateurs de chauffage central et une eau à 50 60°, le COP des meilleurs systèmes sera de l'ordre de 2,5 à 3,2 (1kWh électrique consommé pour 2,5 à 3,2 kWh de chaleur produite).
Le coût du forage est de 50€ HT/m , soit 40 à 45€ HT/m2 de surface habitable, donc un même niveau de prix qu'une boucle horizontale de captage bien réalisée.
Dimensionnement des PAC géothermiques
Une erreur fréquente est de surdimensionner le système de pompe à chaleur. Trop puissante, elle sera plus chère à l'achat et aura des cycles courts de fonctionnement qui pénalisent fortement la performance et la durée de vie. Il vaut mieux prévoir un chauffage d'appoint pour les jours de très grand froid.
En première approximation, prévoyez une puissance selon les calculs suivants :
- 40W/m² pour une maison isolée selon la réglementation RT 2000/RT 2005
- 50W/m² pour une maison isolée selon les normes des années 90
- 80W/m² pour une maison isolée selon les normes des années 80
La longueur du forage vertical est d'environ 15m de par kW installés. Si la longueur à prévoir dépasse 100m, il est préférable de faire deux forages.
Coût des PAC géothermiques eau glycolée / eau
Compter 8000 € HT pour une pompe à chaleur de qualité + 1500 € d'installation, somme à laquelle il faut ajouter le coût du forage ou du réseau de captage horizontal.
Attention, un certain nombre de professionnels peu scrupuleux surfent sur la vage des crédits d'impôt et proposent des matériels à mauvais rapport qualité/prix. Ce type de fournisseurs se rencontrent plus dans le monde de la pompe à chaleur que sur les systèmes solaires. Lisez nos conseils sur les professionnels de la construction. Les mêmes conseils sont applicables ici.
Les questions à poser au professionnel avant de signer un devis :
- Quel est le type de la PAC (faites-vous bien préciser où circule le liquide frigorigène) ?
- La PAC permet-elle de se connecter à un ballon de production d'eau chaude sanitaire (et la régulation gère-t-elle ce ballon) ? Quel est le coût de ce ballon ?
- Si oui, est-elle prévue pour une connexion directe de capteur solaire ?
- Dans le cas où elle est couplée à un plancher chauffant à eau, la PAC permet-elle un mode de rafraichissement estival par simple circulation (sans utiliser la climatisation, donc consommant 10 fois moins d'électricité) ?
- La régulation est-elle programmable par plage horaire, permet-elle de gérer un mode " absence " ? Le thermostat d'ambiance est-il réglable par demi-degré ?
- La PAC dispose-elle d'un appoint auxiliaire (simple résistance électrique) se mettant en marche par grand froid ?
- Quel est le bruit émis par la pompe à chaleur ? Les systèmes haut de gamme (aux alentours de 45 dB) font de 2 à 3 fois moins de bruit que les systèmes bas de gamme (à environ 60 dB)
Sur le devis, faites-vous bien préciser :
- le nombre de boucles dans chaque forage, leur profondeur
- ou bien la profondeur de la boucle horizontale, sa surface et l'espacement entre les tubes
- le prix des accessoires (collecteurs, circulateurs, vase d'expansion, glycol, etc)
- le COP attendu de la PAC et les conditions pour obtenir celui-ci
- les réponses écrites aux questions précédentes
- le coût annuel du contrat de maintenance
Pour aller plus loin...
- Utilisez notre calculette d'aide à la décision.
- Pour de plus amples informations, visitez le site du thermicien Hervé Silve.