En plein contexte de réchauffement climatique sur fond d’augmentation du prix de l’énergie et d’appauvrissement des ressources naturelles, la pompe à chaleur (PAC) constitue une alternative séduisante. Preuve en est, l’Association française de pompes à chaleur détermine à plus d’un million le nombre de pompes à chaleur installées en 2020.
Mais comment fonctionne une pompe à chaleur et en quoi permet-elle de faire des économies sur sa facture d’énergie ? Fonctionnant avec très peu d’électricité, la PAC récupère une partie des calories nécessaires au chauffage de la maison directement dans l’environnement extérieur. Ces calories servent à chauffer un fluide frigorigène servant lui-même à chauffer le logement.
Deux types de pompes à chaleur existent, la PAC aérothermique, la plus connue, et la PAC géothermique. Assez méconnue, elle offre pourtant une très bonne performance. Comblons ces lacunes avec ce guide dédié au fonctionnement de la pompe à chaleur géothermique.
La différence entre les pompes à chaleur aérothermique et géothermique
Pompe à chaleur aérothermique et pompe à chaleur géothermique, vous ne saisissez pas vraiment la différence. C’est normal, leur mode de fonctionnement est sensiblement identique et repose sur le même phénomène thermodynamique.
L’une comme l’autre, elles captent les calories de l’environnement extérieur afin de chauffer l’intérieur de la maison et l’eau chaude sanitaire après un processus de transformation de l’énergie captée. La différence entre les pompes à chaleur aérothermique et géothermique repose seulement sur l’origine des calories. Comme son nom l’indique, la PAC aérothermique puise l’énergie dans l’air extérieur. À cette fin, elle nécessite l’installation d’une unité de ventilation sur la façade de la maison.
Quant à la PAC géothermique, elle récupère l’énergie du sol (terre ou eau des nappes phréatiques). Pour cela, elle implique l’installation d’un réseau de tuyaux dans le sol du jardin (les capteurs), en forme de serpentin. Le captage des calories du sol se réalise grâce à la circulation d’un liquide caloporteur dans les tuyaux (de l’eau glycolée résistant au gel).
Plus la région d’habitation est froide et plus les capteurs doivent être enterrés en profondeur (entre 60 cm et 1,20 m) afin d’obtenir un meilleur rendement et profiter des avantages de ce mode de chauffage. Mais nous reviendrons ultérieurement sur les aspects techniques de son installation, car plusieurs modes de captage sont possibles.
Pour la pompe à chaleur géothermique utilisant l’eau des nappes phréatiques, il faut donc forer un puits pour récupérer l’eau à l’aide d’une pompe et l’envoyer au système de chauffage de la PAC.
Le fonctionnement de la pompe à chaleur géothermique
Hormis l’origine des calories, le fonctionnement de la pompe à chaleur demeure identique. Les capteurs enterrés dans le sol vont donc permettre le captage des calories. Il faut savoir que la température de la terre reste relativement constante, ce qui en fait une source adaptée même dans les régions froides, contrairement à l’air.
Néanmoins, cette température ne suffit pas puisque la majorité des radiateurs fonctionnent entre 30 °C (plancher chauffant) et 60 °C (radiateurs). Il faut donc augmenter la température entre le captage et le circuit de chauffage intérieur.
Pour cela, les calories captées sont dirigées jusqu’à la PAC par le liquide caloporteur afin d’alimenter un cycle de chauffe bien précis. Le système de chauffage se compose de 4 phases et repose sur l’utilisation d’un fluide frigorigène. Le fluide frigorigène est un liquide capable d’absorber la chaleur à différents niveaux de pression pour ensuite libérer la chaleur accumulée.
- Le fluide frigorigène à l’état liquide récupère les calories captées par le liquide caloporteur par l’intermédiaire de l’évaporateur de la PAC. Cet échange élève donc la température du fluide. En se chauffant, le fluide se transforme alors en gaz basse pression.
- Le fluide vaporisé est alors récupéré par le compresseur fonctionnant à l’aide d’un moteur électrique. Le compresseur va donc compresser le gaz basse pression pour le transformer en gaz haute pression. Par ce procédé, la température du gaz augmente naturellement (jusqu’à 90 °C).
- Le fluide sous haute pression passe dans le condensateur. Celui-ci va récupérer la chaleur et la transmettre à l’eau de chauffage qui est alors envoyée dans le système en place (radiateurs, plancher chauffant, eau chaude sanitaire).
- Le fluide est moins chaud puisqu’il a transmis une partie de sa chaleur, mais toujours sous haute pression. Il est dirigé vers le détendeur. Cette phase permet de faire chuter la pression du fluide frigorigène et, de fait, de le refroidir. Enfin, le fluide redevenu liquide repart vers l’évaporateur pour un nouveau cycle.
Comme nous l’évoquions, la température de la terre est relativement stable, environ 12 °C à 10 m de profondeur. Cela signifie-t-il qu’il faille creuser aussi profond pour installer une pompe à chaleur ? Oui et non, il existe plusieurs solutions de captage.
L’installation d’une pompe à chaleur géothermique
Pas de suspens, il semble évident que l’installation d’une pompe à chaleur géothermique implique de creuser votre jardin. Mais simple terrassement ou forage, là est la question. Pour y répondre, voyons les différents moyens de captage.
- Le captage horizontal est la technique la plus couramment utilisée, car elle est plus simple et donc moins chère. Elle consiste à installer les capteurs à l’horizontale («à plat»), ce qui implique une faible profondeur (entre 60 cm et 1,20 m). Néanmoins, pour une meilleure performance, le terrain de captage doit représenter environ 2 fois la surface habitable à chauffer, soit 200 m² pour une maison de 100 m².
- Le captage vertical est surtout utilisé lorsque la surface du terrain n’est pas suffisante ou lorsque l’on ne souhaite pas abimer son terrain. La technique consiste à forer le sol d’une profondeur d’au moins 80 à 100 mètres pour installer les capteurs à la verticale. Bien entendu, le captage vertical est plus onéreux.
- Le captage sur eau de nappe correspond à la pompe à chaleur à eau. L’utilisation des nappes phréatiques est la plus courante, mais il est possible de capter les calories contenues dans un cours d’eau ou un lac. Il faut forer un ou deux puits (le puits de relevage de l’eau et le puits de rejet de l’eau utilisée par la pompe à chaleur).
La lecture de ce qui précède met en exergue que le prix d’installation d’une pompe à chaleur géothermique demeure plus élevé que l’installation d’une pompe à chaleur aérothermique. Néanmoins, ce système offre plus de performance (COP entre 3 et 5), intéressant notamment pour les personnes résidant dans une région froide. Dans un tel cas, le captage vertical se révèle être la solution la plus recommandée. À savoir également qu’il existe des aides de l’État pour le financement de vos travaux énergétiques (crédit d’impôt, écoprêt, prime ANAH, etc.).
Il faut également savoir que la durée de vie d’une pompe à chaleur géothermique est estimée entre 15 à 20 ans, ce qui ne signifie que l’intégralité de l’installation sera à changer. Le circuit de captage sous-terrain peut tenir son rôle pendant environ 40 ans. Néanmoins, quelques vérifications régulières doivent être effectuées, comme le niveau de liquide caloporteur des capteurs.
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