Les performances des pompes à chaleur (PAC) aquathermiques
Une caractéristique importante des pompes à chaleur sur nappe phréatique (PAC à eau) est d'utiliser l'eau à environ 12 °C provenant d'un pompage à faible profondeur dans un sous-sol alluvionnaire et de rejeter l'eau de cette source dite froide à une température encore plus froide. C'est le cœur même de la PAC dans un cycle thermodynamique presque idéal, utilisant les propriétés enthalpiques des fluides caloporteurs assurant les transferts thermiques modernes qui permet d'obtenir ce résultat.
Le
fonctionnement conventionnel d'une PAC génère en effet un flux thermique
capable d'assurer le chauffage des maisons individuelles ou des immeubles.
Comme les miracles n'existent pas il faut naturellement apporter de l'énergie
pour assurer le cycle thermodynamique du fluide caloporteur. Cette énergie est
électrique et a naturellement un coût. Un compresseur, entraîné par un moteur
électrique comprime le fluide caloporteur pour assurer le cycle
thermodynamique. Il augmente la pression du fluide caloporteur alors qu'il est
en phase gazeuse avant qu'il ne passe à l'état liquide dans le condenseur. Ces
transferts thermiques sont d'autant plus intéressants et économiques pour
l'utilisateur que la différence de température entre la source froide et la
source chaude est faible. Cette particularité de la pompe à chaleur est
importante pour l'utilisateur car elle conditionne en grande partie son coût d'exploitation.
Elle privilégie l'eau par rapport à l'air en tant que fluide utilisé pour la
source froide. L'eau lorsqu'elle est pompée dans le sous-sol a en effet une
température sensiblement constante de 12°C et ceci même en hiver. L'air ambiant
au contraire peut avoir une température négative ce qui augmente la différence
de température entre les sources froide et chaude et affecte le rendement de la
PAC. Avec les pompes à chaleur à eau moderne, la température de rejet de l'eau
vers le sous-sol ou dans la rivière est de l'ordre de 4° C, voir même
inférieur. Les débits d'eau mis en jeu ne sont pas importants en regard des
débits souvent disponibles dans nos nappes aquifères et très faibles par
rapport au débit de la rivière.
Les puissances
thermiques mise en jeu sont par contre loin d'être négligeables. La puissance
thermique générée par un débit d'eau de 4 l/s (15 m3/h) dont la température
chute de 8°C est de l'ordre de 130 kW. (Chaleur spécifique de l'eau : 1
calorie/gramme et °C avec l'équivalent mécanique de la calorie de 4,18
joules) Cette puissance est suffisante
pour chauffer un gros immeuble correctement isolé avec des coûts d'exploitation
réduit par rapport à celui de l'énergie produite à partir de la combustion des
produits fossiles.
A l'encontre
des centrales nucléaires qui se servent de l'eau de la rivière pour refroidir
le réacteur et qui rejette de l'eau tiède dans celle-ci, le gros avantage d'une
PAC à eau – lorsqu'elle est utilisée pour le chauffage - est l'abaissement de
la température de l'eau de la rivière lorsque l'eau sortant de l'évaporateur
est rejetée directement dans la rivière. A l'inverse de la chaleur, le froid
diminue en général l’activité microbienne et bactériologique. En diminuant ces
activités il réduit la consommation d’oxygène qui en résulte ce qui conduit à
une diminution de la pollution des eaux.
Bien que difficile à trouver, il existe maintenant sur le marché des constructeurs qui proposent des PAC à eau dans des gammes de puissance allant de 20kW à 500 kW couvrant la plupart des besoins individuels et collectifs en chauffage.
La raison pour laquelle la technologie des pompes à chaleur sur nappe phréatique ou aspirant plus simplement l'eau de la rivière n'est pas plus développée en France est probablement est probablement lié à l’ignorance et au lobby pétrolier. Le fait que le prix du gaz soit indexé sur le pétrole devrait conduire sur le long terme à augmenter sensiblement le prix du gaz et être une incitation au développement des PAC à eau en France. L'avance de l'Allemagne sur la France dans ce domaine s'explique probablement par le fait que le gaz est 2 fois plus cher en Allemagne qu'en France. Ces technologies étant relativement nouvelles, l’utilisateur final, qui doit se transformer en Maître d’œuvre pour faire aboutir le projet, était jusqu'à maintenant peu enclin à jouer le rôle de cobaye car l’incitation financière était trop faible. De plus, il ne suffit pas qu’une technologie soit aboutie pour qu'elle soit utilisée. Ces pompes à chaleur sur nappe phréatique mériteraient en tout cas à être mieux connues. Claude Allègre qui s’est trompé pour le réchauffement climatique n'avait par contre pas tort de dire dans son dernier livre que, en France, la vérité scientifique met beaucoup de temps à être acceptée.
On dit souvent que la consommation de produits fossiles en France se partage à part sensiblement égales entre les besoins liés au chauffage des habitations, ceux de la consommation des moteurs thermiques assurant le transport routier et l’industrie. A défaut de fournir de l'énergie mécanique, et a fortiori de l’énergie électrique puisqu’elles en consomment, la capacité des PAC à eau de délivrer économiquement des puissances thermiques importantes adaptées au besoin du chauffage urbain en n'envoyant que très peu de gaz nocifs dans l'atmosphère comparativement au gaz est très intéressante pour notre environnement.
En complément
des principaux avantages : faible coût d'exploitation et relative indépendance
de l'utilisateur sur le plan énergétique, elle présente des petits avantages
comme celui de pouvoir arroser gratuitement son jardin avec l'eau de retour de
la source froide moins calcaire plutôt que de payer au prix fort l'eau du
robinet. Elle nous donne aussi une
opportunité de régénérer notre sous-sol qui
en a bien besoin en filtrant éventuellement l'eau avant de la réinjecter dans
celui-ci ou de rejeter cette eau dans la rivière.
Il pourrait être de notre intérêt de nous rapprocher de pays en avance sur nous dans ce domaine. La Suisse, l'Allemagne et le Canada font partie de ceux-là. Ils sont de plus proches de nous sur le plan affectif. Allons-nous comme Astérix attendre que le ciel nous tombe sur la tête.
Un peu de théorie
La structure générale d’une PAC soumise à deux sources de chaleur (dite ditherme) est donnée ci – dessous.
Grâce à l’énergie électrique We fournie à ce système, on absorbe à la source
froide (qui est à la température Tf) l’énergie thermique Wf et on rejette à la source chaude (à la
température Tc > Tf) l’énergie thermique Wc.
En isolant le système constitué par la
PAC, le bâtiment et son sous-sol, on peut dire en raison du principe de la
conservation de l'énergie que l'énergie thermique Wc
dissipée par l'immeuble est égale à la somme des énergies thermiques provenant
du sous-sol Wf majoré de l'énergie électrique We d’entraînement
du compresseur de la PAC.
Wc = Wf + We 1)
Le COP de la PAC est par définition le rapport entre l'énergie thermique (gratuite)
et l'énergie électrique (payante) W d'entraînement du compresseur
COP = Wc / We
2)
En supposant que la machine ainsi considérée décrit un cycle
thermo dynamiquement idéal (en principe réversible), l’application du
second principe1)
au système ditherme, permet d’écrire : Wc / Tc = Wf / Tf (égalité de Clausius)
ou Wc / Wf = Tc / Tf 3)
en considérant
les équations 1 et 3 2
s'écrit
COP = Wc / We = ( Wf
+ We) / We = ( Wc / (Tc / Tf ) + We) / We = Wc/ We / (Tc / Tf ) + 1 = COP / (Tc /
Tf ) + 1
COP - COP
/ (Tc / Tf) = 1 ou COP ( 1 - 1/ Tc/Tf) = 1
ou COP = 1/ ( 1 - 1/ Tc/Tf) 4)
Cette formule importante permet de comparer les différents types de pompe à chaleur suivant
que l'eau le sol ou l'air est utilisé en tant que source froide pour les
transferts thermique. Elle permet en effet de se faire une idée de la façon
dont le rendement de la pompe à chaleur se dégrade lorsque la différence entre
la température de la source chaude et celle de la source froide augmente.
Bien qu'issue de théories anciennes basées sur le principe de la Machine de Carnot et
de fluide caloporteur tel que l'eau initialement utilisée pour les locomotives,
elle prouve que le rendement d'une pompe à chaleur
est amélioré lorsque la température de l'eau pompée augmente ou inversement lorsque
la température du circuit de chauffage diminue (utilisation de radiateurs
largement dimensionnés ou planchers chauffants basse température). Les progrès effectués récemment avec les fluides
caloporteurs modernes permettent d'arriver à des COP de 5 (voir 6 pour les PAC aquathermiques de forte puissance) avec un chauffage au sol
basse température.
La réutilisation des radiateurs muraux des immeubles anciens est également
envisageable pour la raison qu’ils étaient largement dimensionnés avant 1975.
Le rendement peut être notablement affecté si la température requise à la
source chaude est trop élevée. Sur les pompes à chaleur aquathermiques
modernes, une température de sortie condensateur de 55°C entraîne un COP qui
reste supérieur à la valeur minimum admise de 3. Vu le le
coût important de l'énergie électrique il est généralement plus intéressant en
terme d'amortissement de remplacer les radiateurs en place.
1)Voir site des élèves et professeurs du lycée Paul Langevin (Voir page 43 les critères de choix des
fluides frigorigènes)
Voir également comment l'énergie thermique Wc délivrée par la pompe à chaleur est utilisée pour
chauffer l'habitation.
Comprendre ce qu'il faut faire, ou forer?
Le débit nécessaire pour assurer les échanges thermiques dans la pompe à chaleur sur nappe libre ne sont pas très importants (environ 2 l/mn par kW thermique restitué).
Il y a des régions plus favorables que d'autres pour assurer la pérennité du débit. Les nappes aquifères sont continus dans les zones hachurées de la carte ci-dessous
Synoptique
simplifié de fonctionnement d'une PAC eau/eau sur nappe libre
Evaporateur en chaufferie avec aspiration et rejet dans la
nappe libre
Synoptique
simplifié de fonctionnement d'une PAC eau/eau sur champ de sondes
Evaporateur dans la nappe libre
Elles sont donc plus favorables que les zones non hachurés ou les aquifères peu profonds sont discontinus.
La proximité de la rivière apporte une
garantie supplémentaire et les débits disponibles sont généralement supérieurs
au besoin.
Il existe même dans le sud ouest du bassin aquitain
et dans le bassin parisien des zones ayant des aquifères
raisonnablement profonds sans discontinuité favorables à la
géothermie grande profondeur avec des températures pouvant excéder 70°C.
Données
Géothermie perspectives).(cliquer sur
l'image pour l'agrandir)
Cliquer sur l'image pour prendre connaissance avec la PAC eau eau des Mureaux
La pesanteur régit la circulation de l'eau souterraine des nappes libres qui s'écoulent lentement vers l'aval par effet gravitaire. Il est raisonnable de penser que le sens d'écoulement des nappes phréatiques suit le profil moyen de la rivière.
Dans le cas de méandres tels par exemple ceux de la basse Seine on peut s'interroger si l'écoulement se fait en suivant le profil moyen de la rivière ou si des écoulements locaux ayant des directions différentes peuvent s'établir.
Ce point est important par le fait que le forage de la source chaude doit être effectué en amont de telle sorte que l'eau plus froide rejetée par la pompe à chaleur ne vienne pas diminuer le rendement de la pompe.
Cas des maisons individuelles en zone rurale
(puissance thermique 20 à 50 kw)
1) Ce qu'il ne faut pas faire |
|
2) Ce qu'il est préférable de ne pas faire Contrairement à la plupart des pays européens, les pompes à chaleur géothermiques vendues en France sont pour l'essentiel à capteurs enterrés horizontaux. Est-ce par crainte de ne pas trouver suffisamment d'eau dans le proche sous-sol?, cette solution probablement plus économique à implanter en raison du coût des deux forages verticaux entraîne pourtant des coûts d'exploitation et une consommation électrique plus importante en raison d'un COP plus faible. Elles utilisent de l'eau additionnée de glycol au cas où le sous-sol gèlerait et elle ont, toujours pour les raisons évoquées plus haut (formule 4)) un moins bon rendement. De plus elles sont condamnées en zones urbaines où le terrain est rare.
|
|
3)
Ce
qu'il peut être intéressant de faire |
|
4) Ce que l'on
peut faire |
|
Cas des immeubles en zone urbaine (puissance thermique jusqu'à 500 kw) |
|
Le
rendement des pompes à chaleur forte puissance est excellent |
|
6) Ce que les municipalités devraient entreprendre sous le contrôle d'un organisme accrédité |
Aspirer et refouler l'eau dans le fleuve ou la rivière traversant généralement la ville |
1). Lors de l'implantation d’un parking sous terrain au lieu-dit ‘’Parchamps’’ à Boulogne Billancourt 92100 dans un méandre de la Seine (voir figure 1 ci-dessus), il a fallu prévoir 4 forages verticaux avec dans chacun d'eux une pompe de 500 m3/h, soit un débit total de 2000 m3/h pour abaisser la nappe phréatique sur une surface de l’ordre de 2500 m² avant injection d’un béton d’étanchéité. (information communiqué par un ingénieur Bouygues)
On ne peut que regretter qu'à l'occasion de telles réalisations, les municipalités ne pensent pas à laisser en place certains de ces forages pour utilisation ultérieure aux fins du chauffage des immeubles situés à proximité.