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Quels sont les types de pompes à chaleur ?

Les pompes à chaleur se différencient par la nature de leurs sources froide et chaude .

Suivant les types, il y aura ou non un fluide secondaire au niveau de l'évaporateur et/ou au niveau du condenseur. Ce fluide secondaire circule dans un circuit secondaire qui échange sa chaleur avec la pompe à chaleur au moyen d'un échangeur.

Par exemple :

  • une pompe à chaleur air/eau transmet la chaleur via à un échangeur intermédiaire au niveau du condenseur à un circuit secondaire d'eau qui alimente, par exemple, des radiateurs ;
  • une pompe à chaleur sol/eau dont le fluide à l'évaporateur est de l'eau glycolée

    • puise la chaleur du sol par l'intermédiaire d'un circuit secondaire d'eau glycolée qui transmet cette chaleur au niveau d'un échangeur à l'évaporateur de la pompe à chaleur,
    • transmet la chaleur via à un autre échangeur au niveau du condenseur à un circuit secondaire d'eau qui alimente par exemple des radiateurs.

Il y a donc aucun, un ou deux circuits secondaires suivant les cas . Lorsqu'il n'y aucun circuit secondaire, on parlera de pompe à chaleur à détente directe . Il existe ainsi des PAC sol/sol, où le fluide de la source froide passe directement vers la source chaude sans échangeurs intermédiaires. Ces PAC engendrent des COP supérieurs.

Les pompes à chaleur eau/eau, sont soumises à un régime d'autorisation stricte et une étude d'incidence environnementale.

Le tableau ci-dessous reprend les différents types de pompes à chaleur.

Au niveau de la terminologie adoptée dans le Guide, la dénomination des sources froides correspond au milieu dans lequel la chaleur est puisée et non pas par la nature du fluide secondaire éventuel côté évaporateur. Par exemple, on désignera une pompe à chaleur dont le fluide secondaire côté évaporateur est de l'eau glycolée qui parcourt un circuit secondaire dans le sol et dont la source chaude est de l'eau par ‘PAC sol/eau'.

Pour plus d'informations sur chaque type de pompe à chaleur en particulier, cliquer sur le lien dans le tableau.

Les différents types de pompes à chaleur suivant les types de sources chaude et froide et les éventuels fluides secondaires

Source chaude (milieu à chauffer)

Air

(air du local à chauffer)

Eau

(ECS)

Sol

(sol du local à chauffer)

Fluide secondaire condenseur-EauFluide frigorigène-Eau-
Source froide (milieu refroidi)Fluide secondaire évaporateur
Air Air extérieur-

Air/Air

Détente directe

Air/Eau

Fluide secondaire condenseur

-

Air/Eau

Détente directe

--
Air extrait
Eau Eau souterraine-

Eau/Air

Détente directe

Eau/Air

Fluide secondaire condenseur

-

Eau/Eau

Détente directe

--
Eau de surface
Sol Eau glycolée-

Sol/Air

Circuit secondaire évaporateur + circuit secondaire condenseur

Sol/Air

Circuit secondaire évaporateur + circuit secondaire condenseur

Sol/Eau

Circuit secondaire évaporateur

--
Saumure
Fluide frigorigène
-----

Sol/Sol

Circuit secondaire évaporateur

Sol/Sol

Détente directe

Les différents types de pompes à chaleur suivant les types de sources chaude et froide et les éventuels fluides secondaires

Les pompes à chaleur air/eau électriques à compression sont des systèmes technologiquement très développés et les plus répandus. Les PAC sol/eau dont la source froide est souterraine (et dont le fluide à l'évaporateur est de l'eau glycolée ou de la saumure) se développent de plus en plus.

La norme NBN EN 15450 reprend les aspects relatifs à la conception des systèmes de chauffage de pompe à chaleur. Il faut donc noter que les systèmes conçus principalement pour le refroidissement et les systèmes réversibles ne sont pas couverts par cette norme. 

Types de circuits

Les PAC peuvent utiliser :

  • un fluide secondaire :

    Schéma des circuits

    image03fr

    (Source : EF4)

Le fluide frigorigène circule en boucle fermée dans le circuit de captage (capteur et évaporateur), le compresseur, le condenseur et le détendeur de la PAC. Un fluide caloporteur secondaire (généralement de l'eau) circule en boucle fermée entre le condenseur et les émetteurs de chaleur.

C'est le cas, par exemple, des PAC air/eau ou des PAC sol/eau dans lesquelles un circuit secondaire est généralement intercalé entre le condenseur et la source chaude.

  • deux fluides secondaires (PAC à fluides intermédiaires) :

    Schéma des circuits d'une PAC à fluides secondaires

  • image04fr

    (Source : EF4)

    Dans les PAC à fluides secondaires, le fluide frigorigène circule en circuit fermé uniquement dans l'évaporateur, le compresseur, le condenseur et le détendeur de la PAC. Un fluide caloporteur secondaire (généralement de l'eau) circule en boucle fermée entre le condenseur et les émetteurs de chaleur. De l'eau glycolée ou une solution saumure/eau circule en boucle fermée dans un troisième circuit entre le capteur (situé dans le sol) et l'évaporateur.

    C'est le cas, par exemple des PAC sol/eau .

  • aucun fluide secondaire (PAC à détente directe) :

Schéma des circuits d'une PAC à détente directe

image05fr

(Source : EF4)

Dans les PAC à détente directe, le fluide frigorigène est le seul fluide utilisé . L'évaporateur joue le rôle de capteur thermique, en contact direct avec la source froide. Le condenseur est en même temps l'émetteur de chaleur, en contact direct avec la source chaude.

C'est le cas, par exemple des PAC air/air, sol/air, sol/sol.

Pour quel mode de fonctionnement de la pompe à chaleur opter ?

Avant de se lancer dans le choix d'un modèle de pompe à chaleur, il faut impérativement déterminer son mode de fonctionnement . Suivant le mode de fonctionnement choisi, la part du besoin annuel de chaleur couvert par la pompe à chaleur variera.

Ce choix est bien évidemment essentiel pour le dimensionnement de la pompe à chaleur.

Modes de fonctionnement des pompes à chaleur

Le tableau ci-dessous présente les 4 modes de fonctionnement typiques d'une pompe à chaleur. Chacun d'eux présente des avantages et des inconvénients.

Modes de fonctionnement typiques d'une pompe à chaleur

Mode de fonctionnementProducteur de chaleurPrincipe de fonctionnement
MonovalentPAC seule

La PAC fonctionne toujours comme producteur de chaleur préférentiel et unique

Plutôt réservé à des bâtiments parfaitement isolés

MonoénergétiquePAC + appoint électrique

La PAC fonctionne seule jusqu'à un point d'équilibre. En dessous d'une température extérieure fixée, une résistance électrique fournit le complément de chaleur à un accumulateur, ou via des radiateurs ou des ventilo-convecteurs

La seconde source de chaleur utilise donc le même vecteur énergétique que la première : l'électricité

Bivalent

Pour des puissances de chauffe utiles plus importantes par rapport à la puissance disponible au niveau de la source froide ou pour des températures de fonctionnement supérieures à 50 °C, un chauffage d'appoint (chaudière,…) est généralement nécessaire ; le système de chauffage fonctionne alors en mode bivalent

Le point de bivalence (ou température de bivalence) est la température à laquelle on passe de la PAC à la chaudière ou inversement

Il existe 2 variantes possibles : bivalent alternatif et bivalent parallèle

Bivalent alternatifPAC + chaudièreLa PAC fonctionne seule jusqu'au point de bivalence. En dessous de cette température extérieure, la totalité de la demande en chaleur est couverte par une chaudière qui prend le relais de la PAC.
Bivalent parallèlePAC + chaudière La PAC fonctionne seule jusqu'au point de bivalence. En dessous de cette température extérieure, elle continue à fonctionner partiellement et le complément de chaleur est fourni par une chaudière.

Avantages et inconvénients des modes de fonctionnement des pompes à chaleur

Le tableau ci-dessous présente les avantages et inconvénients des 4 modes de fonctionnement des pompes à chaleur possibles.

Avantages et inconvénients des différents modes de fonctionnement d'une PAC

Comparaison PACAvantagesInconvénients
Fonctionnement monovalent

En cas de rénovation énergétique du bâtiment, possibilité de remplacement pur et simple de la chaudière.

Investissement de départ le plus faible

Evolution contraire de la température de la source de chaleur et de la température du système de chauffage : la puissance de chauffe diminue lorsque les besoins en chaleur augmentent

PAC surdimensionnée pendant une partie de la saison de chauffe car dimensionnement prévu pour couvrir la totalité des déperditions thermiques du bâtiment pour une température extérieure donnée

Le FPS réel chute en-dessous d'une température de l'air extérieur £ 5°C. ce qui réduit la performance globale annuelle du système

Production d'ECS en dehors des périodes de demande de chauffage pour limiter le surdimensionnement

Fonctionnement monoénergétique

Investissement de départ à peine  plus élevé que pour un système monovalent.

Confort préservé lors des cycles de dégivrage et des périodes de gel, lorsque la PAC, dimensionnée au plus juste, ne couvre pas 100% de la demande de chaleur.

Risque de surcharge du réseau. Consommation d'électricité non maitrisée.

Diminution de la performance annuelle de l'ensemble  (baisse du FPSréel)

Fonctionnement bivalentAdapté au chauffage d'une large gamme de bâtiments : maisons unifamiliales, logement collectif, hôtels, hôpitaux, écoles, bureaux, bâtiments industriels…Investissement de départ plus important (chaudière d'appoint)
Fonctionnement bivalent alternatifRégulation simple.  Production de chaleur par la PAC moindre qu'en fonctionnement bivalent parallèle.
Fonctionnement bivalent parallèle

Des besoins en chaleur plus importants peuvent être couverts.

Le chauffage d'appoint consomme moins d'énergie.

La commande de la température d'alimentation doit être exactement réglée sur la régulation de la PAC, ce qui est parfois difficile.

Choix du mode de fonctionnement suivant le type de projet

Dans le résidentiel , si les besoins en chaleur sont très faibles, une PAC seule, fonctionnant en mode monovalent ou monoénergétique est à privilégier, avec un ballon tampon compte tenu d'un éventuel besoin en eau chaude sanitaire à couvrir à une température supérieure à 50°C. A noter, les compresseurs des PAC de faibles puissances sont moins efficaces (le rendement des moteurs asynchrones augmente proportionnellement à leur puissance).

Dans le secteur tertiaire , les apports internes compensent généralement la perte de puissance temporaire liée aux cycles de dégivrage. Ceci est d'autant plus vrai dans le cas d'une PAC réversible dimensionnée sur base des besoins en froid du bâtiment qui se traduit généralement par un surdimensionnement de la puissance de chauffe. Dans ce cas de figure, le fonctionnement de la PAC en mode monoénergétique avec appoint électrique ne se justifie pas.

Dans un système bivalent (le plus courant dans les bâtiments tertiaires), le dimensionnement est optimisé sur base du choix de la puissance de la pompe à chaleur par rapport à celle du chauffage d'appoint fonctionnant en relève par grand froid. Le concepteur déterminera à cette fin les températures de dimensionnement, de bivalence et de limite de chauffe.

L'affectation du bâtiment caractérise également le type de besoins énergétiques à couvrir et, partant, la spécificité du dispositif de pompe à chaleur à prévoir pour assurer les différentes fonctions (chauffage, ECS, froid).

Spécificité de la PAC selon l'affectation du bâtiment

AffectationBesoin énergétiqueSpécificités de la PAC
Résidentiel unifamilial

Chauffage

ECS

Monovalente ou Bivalente

Haute température

Logements collectif

Chauffage

ECS

[Rafraîchissement]

Bivalente

Haute température

Réversible

Petit tertiaire (immeubles de services, PME, commerces,…)

Chauffage

Froid

Bivalente

Réversible

Grand tertiaire (hôpitaux, grands hôtels…)

Chauffage

ECS

Froid

Bivalente

Haute température

Réversible

Industrie et froid commercial

Chauffage

Froid

Bivalente

Réversible

Quel type de montage de la pompe à chaleur envisager ?

Dans le cas d'une pompe à chaleur air/eau, voir le dispositif Pompe à chaleur air/eau.

Quelle source d'énergie de compression utiliser ?

Il existe 2 familles de PAC :

  • pompes à chaleur électriques à compression ;
  • pompes à chaleur gaz , parmi lesquelles on distingue :

    • les pompes à chaleur à compression (moteur) ;
    • les pompes à chaleur à absorption ;
    • les pompes à chaleur à adsorption (non traitées dans ce dispositif. Plus d'informations concernant ces dernières pourront être trouvées sur le site Energie+).

Pompe à chaleur électrique à compression

Ce sont les plus courantes : la compression est assurée par un moteur électrique. Il existe différents modes de compression.

Pour d'informations sur les différentes technologies de compresseurs, voir le site Energie+

Pompe à chaleur gaz

Pompe à chaleur à compression gaz

La particularité des PAC à compression gaz réside dans le fait que l'entraînement du compresseur est assuré par un moteur à combustion gaz.

De plus, la spécificité de ces PAC consiste à récupérer l'énergie provenant du refroidissement du moteur thermique et de celui des gaz brûlés. Avec deux conséquences sur les performances et les modalités de fonctionnement :

  • En saison de chauffe, la récupération d'énergie sert au maintien de la puissance de chauffage désirée même par température extérieure très basse (sans appoint jusqu'à -20 °C). Certains modèles n'ont dès lors plus besoin de cycles de dégivrage.
  • En mode climatisation, cette énergie peut être valorisée, pour la production d'eau chaude sanitaire (ECS) le plus souvent, produite sans autre consommation de gaz naturel. Selon les constructeurs, l'efficacité globale en climatisation et en production d'ECS peut atteindre un Coefficient d'efficacité frigorifique (EER) de 2 (sur PCI (pouvoir calorifique inférieur)), soit un EER équivalent électrique de 5.

Une analyse détaillée des pompes à chaleur gaz est disponible sur le site Energie+ .

Pompe à chaleur à absorption gaz

La pompe à chaleur à absorption gaz est composée d'un « circuit noir » contenant une solution eau-ammoniac (7 kg d'ammoniac pour 10 kg d'eau environ). Ce sont les propriétés thermochimiques de ce mélange qui permettent d'atteindre des performances élevées.

Elle est composée d'un bouilleur fonctionnant avec un brûleur gaz, d'un absorbeur, d'un évaporateur et d'un condenseur. Tous les ingrédients de la pompe à chaleur à compression électrique sont présents à l'exception du compresseur qui n'est plus électrique mais  est remplacé par une solution  eau-ammoniac amenée dans le générateur à plus haute pression par une pompe dont la puissance absorbée est de loin inférieure à celle d'un compresseur.

Schéma de fonctionnement d'une PAC gaz

image06fr

(Source : Xpair)

Cette réaction d'absorption dégage de la chaleur et la solution eau-ammoniac nouvellement formée cède elle aussi ses calories à la boucle d'eau chaude avant de retourner dans le bouilleur pour un nouveau cycle.

La performance des PAC aérothermiques gaz

L'efficacité d'une PAC aérothermique à absorption gaz, caractérisée par le coefficient de performance sur énergie primaire (COP) peut atteindre 1,65 (soit un COP équivalent électrique de 4,12, en tenant compte d'un rendement de production primaire d'électricité de 40 %). Pour 1 kWh de gaz consommé, ces PAC à absorption gaz produisent jusqu'à 1,65 kWh de chaleur utile ; soit un « rendement de production » supérieur à 160%. En termes de performance annuelle sur énergie primaire, une PAC à absorption gaz aérothermique dans des conditions optimales d'utilisation permet d'économiser 30 à 40 % d'énergie primaire par rapport à une chaudière à condensation.
Pompe à chaleur à adsorption gaz

Ce type de PAC gaz n'est pas traité dans ce dispositif. Plus d'informations concernant ces dernières pourront être trouvées sur le site Energie+

Choix de la source d'énergie de compression suivant l'affectation du bâtiment

Le choix de la source d'énergie de compression peut être guidé par l'affectation du bâtiment concerné :

  • Résidentiel et petit tertiaire :

    Ce sont les PAC électriques à compression que l'on retrouvera le plus souvent pour ces affectations.

  • Moyen tertiaire :

    Pour ces affectations, couvrant des surfaces de 500 et 5 000 m² en neuf ou existant et dont les besoins sont en chaleur et en froid, ce sont les PAC à compression alimentées au gaz naturel qui sont davantage adoptées. On retrouve le plus souvent des types air/eau dont la puissance chaud/froid varie généralement de 25 kWc/20 kWf à 85 kWc/70 kWf.

  • Grand tertiaire, industriel et autres applications :

    On retrouve pour ces affectations des PAC hybrides de forte puissance allant de 100 à 1000 kW électrique. Ces unités existent en version air/eau et eau/eau . Ces pompes à chaleur hybrides offrent l'avantage de fonctionner au gaz naturel ou avec l'électricité du réseau, en fonction de la disponibilité, du coût d'exploitation, des rendements respectifs sur énergie primaire des différents vecteurs énergétiques. Ces machines peuvent en outre produire simultanément de l'eau glacée et de l'eau chaude avec des rendements jusqu'à 240 % sur PCI, pour des applications spécifiques (hôpitaux, piscines…).

PAC hybride EnerTermoPac – ETP

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(Source : EnergYes)

Schéma représentant l'encombrement de l'installation d'une PAC hybride  en fonction de la puissance calorifique et électrique

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(Source : sival-innovation)

Avantages et inconvénients des différents types de compression

Le tableau ci-dessous reprend les principaux avantages et inconvénients de différents types de compression.

Avantages et inconvénients des PAC suivant la source d'énergie de compression

AvantagesInconvénients
Électricité

Coût inférieur à celui d'une PAC gaz

Large gamme de produits

Conversion d'électricité en chaleur, peu intéressant en termes d'énergie primaire

kWh électrique plus cher que le kWh gaz

Gaz

Meilleur bilan CO 2 qu'une chaudière à condensation

Peut monter plus haut en température  (70°C) et assurer une production d'ECS en toute sécurité sanitaire

Le dégivrage se fait sans inversion de cycle et sans risque d'inconfort pour les pièces à chauffer

Le brûleur et la pompe sont les seuls composants mobiles, ce qui nécessite moins de maintenance et risque de panne

Une pompe à chaleur gaz à absorption coûte sensiblement plus cher qu'une chaudière à condensation, et plus cher qu'une PAC électrique.
Quel émetteur de chaleur choisir avec une pompe à chaleur ?
Dans le cas d'une pompe à chaleur air/eau, voir le dispositif Pompe à chaleur air/eau.

mis à jour le 26/06/2017