LE PRINCIPE

L'air, l'eau et le sol stockent une grande quantité de chaleur, inépuisable et propre. Le sol sous nos pieds, l’eau des nappes, l’air qui nous entoure, emmagasinent chaque jour l’énergie que nous dispense le soleil. Les pompes à chaleur permettent de récupérer cette énergie gratuite et inépuisable pour s’en servir pour le chauffage. La pompe à chaleur est donc une solution performante pour produire de la chaleur à partir de l’énergie issue de l’environnement. Il en existe plusieurs sortes, qui puisent la chaleur soit dans l’air (pompes aérothermiques), soit dans le sol ou l’eau (pompes géothermiques).

La pompe à chaleur (PAC), cet appareil capable de capter l' énergie thermique de l’environnement extérieur et de la restituer à l’intérieur d’un bâtiment, permet d’économiser les énergies fossiles et de limiter les rejets de gaz à effet de serre.
Pour effectuer cette opération, la PAC consomme de l’énergie électrique. L'intérêt des pompes à chaleur réside dans leur faible consommation d’énergie électrique par rapport à l’énergie thermique restituée. Ce rapport qui correspond au rendement de l'appareil est appelé COP, Coefficient de Performance. Un COP égal à 3 signifie que l’énergie thermique utile restituée pour le chauffage est trois fois supérieure à l’énergie électrique consommée. Le Coefficient de Performance  permet de comparer les "rendements" des PAC entre elles sous des conditions d’essais identiques.  Le COP n'a de signification qu'à des températures de source froide et de source chaude données. La source froide est le milieu d'où l'on extrait l'énergie et la source chaude le milieu où on la réinjecte.

Pour comprendre le fonctionnement d'une pompe à chaleur, une comparaison est souvent faitre avec le réfrigérateur. Le principe est identique, mais pour produire de la chaleur et non du froid. La pompe à chaleur prélève un peu de chaleur à l'extérieur, augmente son niveau de température et la restitue à une température plus élevée à l'intérieur. Elle est constituée d’un circuit fermé, étanche, dans lequel circule un fluide frigorigène (état liquide ou gazeux) qui traverse quatre organes: l’évaporateur, le compresseur, le condenseur, et le détendeur.
Le frigorigène, froid et à l’état liquide, traverse l' évaporateur dans lequel circule le fluide extérieur (air, eau de nappe ou eau échangeant avec un capteur enterré dans le sol) qui est plus chaud. Le frigorigène va donc récupérer les calories de ce fluide extérieur (source froide). En récupérant cette énergie, le frigorigène se transforme en gaz,  d’où le nom d’évaporateur.Le gaz ainsi formé est aspiré par le compresseur qui va élever sa température ainsi que sa pression. Dans le condenseur, le gaz chaud transmet une partie de son énergie au fluide à chauffer (la source chaude), et va retourner à l'état liquide mais en restant sous pression. C'est le détendeur qui fait chuter la pression et donc le refroidit à une température inférieur à celle de la source (source froide).
Il existe des pompes à chaleur à détente directe dont le fluide frigorigène circule directement dans les convecteurs (ou les planchers chauffants) qui jouent le rôle de condensateur et dans le circuit de captage qui devient l'évaporateur. Quand les des deux systèmes coexistent on parle de détente mixte.

POMPE  "GEOTHERMIQUE"

Comme source froide (extérieure), l'eau issue d'une nappe souterraine offre le meilleur rendement annuel. On parle de pompes à chaleur eau/eau. La nappe doit se situer à une profondeur raisonnable (inférieur à 100 mètres) et présenter une température constante (10 à 12 °C). Après avoir prélevé les calories, l'eau est soit réinjectée dans la nappe par un second puits soit rejetée dans un cours d'eau, une retenue ou le réseau d'eaux pluviales. Ces différents systèmes nécessitent des autorisations administratives  nationales et /ou locales ainsi que d'avoir recours à des spécialistes.

Pour les habitations individuelles, la majorité des pompes à chaleur "géothermiques" captent l'énergie du sol avec des collecteurs enfouis dans le sol afin d'en recueillir la chaleur. Aux profondeurs qui intéressent les pompes à chaleur géothermiques (de l'ordre de un mètre), l’énergie du sol provient essentiellement du rayonnement solaire et de l'infiltration des eaux de pluie dans le sol. Deux types de captage existent: horizontal ou vertical.

A l' horizontal, un circuit constitué de boucles de tuyaux de polyéthylène est enterré, par exemple sous le jardin, sur une surface qui peut occuper environ une fois et demi à deux fois la surface à chauffer (par exemple 400 m² pour une habitation de 200 m²). La surface occupée par les capteurs dépend de la nature du sol, de la situation géographique, de la profondeur, etc... De nombreuses règles d'implantation doivent être respectées: espacement, courbure, pentes, superposition de différents réseaux, plantation, terrasses, etc... Un fluide caloporteur circule dans ce réseau fermé et apporte des calories à la pompe. Selon le fluide caloporteur présent dans le collecteur, on distingue les fonctionnements avec eau additionnée de liquide antigel ou par réchauffement direct. Les capteurs horizontaux peuvent équiper une PAC à détente directe, une PAC à fluides intermédiaires ou une PAC mixte.

Les capteurs verticaux, également appelés sondes géothermiques, occupent moins de surface que les capteurs horizontaux, mais sont une solution plus onéreuse. Les capteurs verticaux sont constitués de deux tubes de polyéthylène en U installés dans un forage (jusqu’à 80 m de profondeur). En général plusieurs sondes, distantes d'une dizaine de mètres, sont réalisées. Seules les pompes à chaleur avec fluides intermédiaires sont installées avec des capteurs verticaux.

POMPE  "AEROTHERMIQUE"

Ces  PAC ont pour source froide l'air extérieur, elles récupèrent les calories de l’air ambiant qui est une source de chaleur facile à exploiter mais dont la température varie beaucoup au cours de l’année et peut descendre très bas en hiver. Les performances des PAC aérothermiques varient elles aussi largement; un chauffage d'appoint est indispensable. L' efficacité des ces pompes à chaleur est améliorée en récupérant les calories extraites de la maison par la ventilation mécanique ou/et en faisant circuler le captage de l'air extèrieur dans un puit (canadien, provençal).
La pompe à chaleur existe en un ensemble monobloc installé soit à l’extérieur soit à l’intérieur d'un bâtiment. Elle existe également en deux modules séparés. Dans les deux cas, il faut songer au niveau sonore qui risque de devenir génant pour les occupants du logement ou le voisinage.  

REVERSIBILITE

Il est possible d'inverser le sens de fonctionnement d'une pompe à chaleur et de rafraichir l'habitation. La chaleur puisée dans le logement est rejetée à l’extérieur. C’est la réversibilité. Ce mode de fonctionnement n’est pas possible avec tous les types de PAC; de plus, il existe d'importantes contraintes liées aux emetteurs de chaleur..