La pompe à chaleur

Pour les systèmes très peu profonds et peu profonds (Catégories I et II) et à l’exception de la climatisation passive (geocooling), il est nécessaire d’utiliser une pompe à chaleur (PAC) géothermique permettant, via un apport d’énergie électrique, de réguler la température du bâtiment à partir de la température extraite du sous-sol. Cette pompe à chaleur peut fonctionner comme un réfrigérateur pour produire du froid et ainsi réinjecter de la chaleur dans le sous-sol, ou à l’inverse produire du chaud en extrayant la chaleur du sous-sol.

Le principe de base

La pompe à chaleur est constituée d’un circuit fermé et étanche dans lequel circule un fluide frigorigène à l’état liquide ou gazeux selon les organes qu’il traverse. Ces organes sont au nombre de quatre : l’évaporateur, le compresseur, le condenseur et le détendeur.

Au sein de l’évaporateur, le fluide frigorigène capte l’énergie thermique du fluide provenant du sous-sol. La température du fluide frigorigène augmente et il s’évapore. 

Dans le compresseur, la vapeur d’eau est comprimée (via un moteur électrique alimenté par une source d’énergie extérieure), ce qui entraine une hausse de la température de la vapeur.

Dans le condenseur, le fluide frigorigène, qui se trouve à haute température, cède son énergie thermique au fluide circulant dans les émetteurs. De ce fait, la température du fluide frigorigène diminue et il se condense. Le fluide frigorigène atteint l’état liquide et possède une faible température et une haute pression.

Dans le détendeur, la pression du fluide frigorigène diminue, ce qui s’accompagne d’une nouvelle baisse de température. Le fluide frigorigène est de nouveau à l’état liquide, à basse température et basse pression et peut donc entamer un nouveau cycle.

La performance de la pompe à chaleur

La performance de la pompe à chaleur est définie par le coefficient de performance (COP).  Il exprime le rapport entre l’énergie thermique fournie par la pompe à chaleur (pour chauffer ou refroidir le bâtiment) et l’énergie (généralement électrique) apportée au système pour faire fonctionner la pompe à chaleur et nécessaire pour actionner le compresseur, le circulateur et d’autres auxiliaires.  Pour des pompes à chaleur géothermiques, il n’est pas rare d’obtenir des coefficients de performance supérieurs à 4 (pour 1 kWh de chaleur produit, 0.25 kWh est réellement consommé sous forme d’énergie électrique et 0.75 kWh est extrait du sous-sol).

Ce coefficient de performance dépend des températures du fluide au sein du circuit primaire (celui qui circule dans le sous-sol) et du fluide au sein du circuit secondaire (celui qui distribue la chaleur dans le bâtiment). Plus la différence de température demandée entre les deux circuits est importante, moins bonne est la performance énergétique de la pompe à chaleur. 

Ainsi, pour un système de chauffage à basse température (35°C, par exemple) et un système géothermique bien dimensionné (c’est-à-dire qui n’épuise pas le réservoir de chaleur du sous-sol), la pompe à chaleur peut atteindre des coefficients de performance supérieurs à 5. Au contraire, lorsqu’une température très élevée est exigée à la sortie de la pompe à chaleur, les performances de la pompe à chaleur chutent et le risque d’épuiser le réservoir de chaleur du sous-sol augmente. Il est donc intéressant d’utiliser un système de chauffage basse température, comme le chauffage par le sol, afin d’optimiser la performance de la pompe énergétique.

L’avantage des pompes à chaleur géothermiques est donc que la température du circuit primaire est relativement constante tout au long de l’année (entre 10 et 14°C selon les régions et la profondeur des sondes), ce qui évite des chutes drastiques du coefficient de performance en hiver comme observé avec les pompes à chaleur utilisant l’air extérieur comme source froide (avec une température très basse en hiver).  Il est cependant nécessaire de procéder à un dimensionnement précis du système géothermique par des professionnels. Ce dimensionnement doit prendre en compte d’une part les caractéristiques thermiques du sous-sol et d’autre part la demande en énergie du bâtiment à alimenter. Un tel dimensionnement permet d’éviter le risque d’épuisement du réservoir géothermique et ainsi la diminution des performances de la pompe à chaleur.