Les pompes à chaleur sont considérées comme une technologie clé dans la transition vers un chauffage et une production d'eau chaude sanitaire durables dans les bâtiments. Elles fonctionnent en extrayant la chaleur d'une source basse température (par évaporation d'un fluide frigorigène) et en la transférant vers un réservoir haute température (par condensation), utilisant l'électricité pour alimenter un compresseur. Pour plus de détails, consultez l'article précédent : « Pompes à chaleur et circuits de refroidissement ». Par souci de simplicité, les pompes à chaleur réversibles ne sont pas abordées dans cette discussion.

L’un des systèmes les plus largement adoptés dans les bâtiments est la pompe à chaleur à air, qui utilise un échangeur de chaleur à ailettes pour capter la chaleur de l’extérieur.

1. Quel est le principal problème des pompes à chaleur à air ?

Les performances d’une pompe à chaleur à air sont fortement influencées par les variations de température et d’humidité de l’air extérieur, à la fois saisonnières et quotidiennes.

En particulier, les performances ont tendance à diminuer pendant les périodes de basses températures extérieures, car ces conditions réduisent la température d'évaporation du réfrigérant. Ceci est particulièrement critique les matins d'hiver, lorsque les températures extérieures sont généralement plus basses et les besoins en chauffage plus élevés.

De plus, la combinaison de températures extérieures froides et d'une humidité relative élevée peut entraîner la formation de glace entre les ailettes de l'évaporateur. La glace agit comme un isolant thermique, entravant le transfert de chaleur et réduisant le rendement de l'évaporateur, et donc celui de la pompe à chaleur aérothermique. Pour maintenir un rendement élevé de l'évaporateur, des cycles de dégivrage sont nécessaires, ce qui augmente la consommation d'énergie et interrompt temporairement la distribution de chaleur à l'utilisateur.

Pour atténuer les limitations imposées par les conditions de l’air extérieur sur les performances des pompes à chaleur aérothermiques, une solution possible consiste à utiliser des sources de chaleur renouvelables alternatives, telles que le sol ou le rayonnement solaire.

2. Pompes à chaleur géothermiques

Les pompes à chaleur géothermiques utilisent le sol comme source de chaleur basse température grâce à des échangeurs enterrés. De ce fait, elles sont beaucoup moins affectées par les variations de température de l'air extérieur, car la température du sol reste quasiment constante tout au long de la journée et des saisons, surtout à grande profondeur. Ainsi, comparées aux pompes à chaleur aérothermiques, les systèmes géothermiques peuvent fournir un chauffage plus stable et plus performant. L'échangeur peut être installé dans des forages verticaux ou des tranchées horizontales. Les installations horizontales nécessitent une plus grande surface de terrain mais ne sont profondes que de quelques mètres, tandis que les installations verticales nécessitent une surface plus petite mais des forages plus profonds.

Avantages :

• Performances supérieures à celles des pompes à chaleur à air, en particulier dans les climats froids.

• Coûts d'exploitation réduits.

• Aucun problème de formation de glace sur l'échangeur de chaleur.

• Aucune unité extérieure bruyante.

• Il peut fournir un refroidissement en été avec un fonctionnement en cycle inversé.

Inconvénients:

• Nécessite une grande surface pour l'échangeur de chaleur.

• Installation complexe et longue.

• Coût d'installation élevé.

• Longue période de récupération de l’investissement, généralement supérieure à 15 ans par rapport aux pompes à chaleur à air.

3. Pompes à chaleur solaires

Les pompes à chaleur solaires captent la chaleur du rayonnement solaire et, dans une moindre mesure, de la température de l'air, grâce à des capteurs solaires thermiques. Les capteurs photovoltaïques thermiques (PV-T) constituent une alternative innovante aux capteurs thermiques. Ils permettent de produire simultanément de l'électricité et de la chaleur dans un même espace. Bien que le rendement thermique des capteurs PV-T soit inférieur à celui des capteurs solaires thermiques, l'effet de refroidissement du fluide de travail sur les cellules photovoltaïques contribue à améliorer leur rendement électrique.

Avantages :

• Meilleures performances que les pompes à chaleur à air, surtout lors des journées ensoleillées.

• Coûts d'exploitation réduits.

• Aucun problème de formation de glace sur l'échangeur de chaleur.

• Aucune unité extérieure bruyante.

Inconvénients:

• Performances réduites par temps nuageux, la nuit ou aux latitudes élevées.

• Besoin d'une grande surface pour installer des panneaux solaires.

• Installation complexe et longue.

• Coût d'installation élevé.

• En été, il est nécessaire de gérer la température pour éviter la surchauffe des capteurs.

4. Comment concevoir une pompe à chaleur utilisant une source renouvelable ?

Lors de la conception d'une pompe à chaleur géothermique ou solaire, deux configurations principales du système sont possibles : la détente indirecte et la détente directe.

a) Expansion indirecte

Le fluide frigorigène ne circule pas directement dans l'échangeur thermique qui absorbe la chaleur de la source renouvelable. Un fluide secondaire (généralement un mélange d'eau et de glycol) circule dans l'échangeur thermique, absorbant la chaleur et la transférant au fluide frigorigène via un échangeur intermédiaire. Cette configuration, largement répandue, facilite la gestion du système ; elle permet par exemple l'intégration de réservoirs de stockage thermique pour une plus grande flexibilité. Cependant, elle entraîne des pertes de chaleur et des coûts d'installation plus élevés en raison de composants supplémentaires.

b) Pompe à chaleur à détente directe

Le fluide frigorigène circule directement dans l'échangeur de chaleur en contact avec la source renouvelable, absorbant la chaleur et s'évaporant. Comparée aux systèmes indirects, cette configuration réduit les coûts d'installation, améliore la performance énergétique en évitant les pertes intermédiaires, réduit les risques de corrosion et de gel dus au fluide secondaire et diminue les coûts d'exploitation. Cependant, les systèmes à détente directe nécessitent une gestion précise de la charge de fluide frigorigène et une conception soignée pour garantir un fonctionnement sûr et efficace.

5. Pompe à chaleur multi-sources

Une solution prometteuse pour surmonter les limites des systèmes mono-sources est l'utilisation de pompes à chaleur multi-sources. Ces pompes exploitent différentes sources d'énergie basse température grâce à des évaporateurs séparés, améliorant ainsi les performances globales du système. Les configurations doubles les plus courantes sont les configurations air-sol ou solaire-air, où les sources sont utilisées en alternance. Cependant, pour commuter efficacement entre les sources et toujours utiliser la plus avantageuse, le système doit intégrer un contrôleur intelligent capable de surveiller et de prédire en continu les performances de la pompe à chaleur en fonction des conditions environnementales et de fonctionnement dynamiques. Cependant, le fonctionnement en alternance ne permet pas toujours d'atteindre le rendement potentiel maximal des deux sources. Une autre approche consiste à utiliser simultanément les deux sources, en intégrant deux évaporateurs au circuit frigorifique. Cette configuration peut être mise en œuvre de deux manières principales, selon la disposition des évaporateurs :

• Configuration parallèle : le débit massique de fluide frigorigène est réparti entre les deux évaporateurs.

• Configuration en série : le fluide frigorigène traverse séquentiellement les deux évaporateurs, l'un après l'autre.

L'utilisation simultanée de deux sources de chaleur accroît la flexibilité et la polyvalence du système. Même une surface limitée de capteurs géothermiques ou solaires (et donc un investissement réduit) peut améliorer considérablement les performances lorsqu'elle est combinée à un système aérothermique. Les pompes à chaleur multi-sources constituent ainsi une solution viable pour accroître l'efficacité dans les environnements à espace restreint ou variable.

6 Conclusions

Le principal défi pour développer des pompes à chaleur toujours plus performantes consistera à exploiter les sources de chaleur renouvelables telles que l'énergie solaire et la géothermie, en trouvant un équilibre entre complexité et polyvalence du système, coûts d'installation et de maintenance, et stratégies de contrôle. La recherche se poursuit et, espérons-le, nous verrons un nombre croissant de pompes à chaleur renouvelables sur le marché.

Références:

• Riccardo Conte, Emanuele Zanetti, Marco Tancon, Marco Azzolin, Sergio Girotto, Davide Del Col. Avantages de l'utilisation d'une pompe à chaleur CO₂ à détente directe avec des sources de chaleur solaire et aérothermique simultanées : études expérimentales et numériques . Applied Energy, 2024. Vol. 369, page 123478. DOI

• Riccardo Conte, Marco Tancon, Mohammad Mozafarivanani, Emanuele Zanetti, Marco Azzolin, Davide Del Col. Étude d'une pompe à chaleur multisources à détente directe au dioxyde de carbone pour maximiser l'utilisation des énergies renouvelables . Applied Thermal Engineering, 2025. Vol. 274, page 126533. DOI