POMPES À CHALEUR  
Install Magazine 1002 – février 2025

La nouvelle génération de pompes à chaleur

Réfrigérants, rendement et types

L’intérêt croissant pour la technologie et la nouvelle réglementation conduisent à de grandes évolutions techniques sur le marché des pompes à chaleur résidentielles. Le domaine d’application est clairement plus grand, le rendement augmente également, tandis que le placement et le montage ont été simplifiés.

Quo vadis, transition énergétique?

L’Europe est de plus en plus souvent sujette à des conditions météorologiques extrêmes. Selon les différents scénarios climatiques, nous nous rapprochons de plus en plus du point de basculement. Une réduction drastique des émissions de CO₂ est plus urgente que jamais. En chauffage et production d’ECS, il existe un grand potentiel d’économie qui peut être rapidement réalisé.

Une chaudière à condensation au gaz naturel avec un rendement annuel de 95% produit environ 212 g d’émissions de CO₂ par kWh délivré. Soit environ 27% en moins qu’une chaudière à condensation au mazout. Les émissions de CO₂ des chaudières à pellets et à bois va de 36 à 42 g par kWh, ce qui est inférieur de 80% à une chaudière à condensation au gaz naturel. En Allemagne, le chauffage au bois représente environ 65% de la chaleur verte, et couvre quelque 10% des besoins globaux en chaleur. Même avec une utilisation maximale des types de bois dont la disponibilité ne cesse de croître, on atteint à peine 20% des besoins totaux de chaleur (cfr. BMEL 2023 en FBR 2023). Le bois doit donc plutôt être perçu comme un ‘joker’ dans le chauffage des bâtiments, dans des cas où seule une rénovation limitée du bâtiment est envisageable. Il en va de même pour le biométhane, parce que celui-ci -selon la source- nécessite habituellement de grandes surfaces pour la production des matières premières. Le biométhane ne sera disponible que de manière limitée, et sera donc de préférence réservé à de la chaleur industrielle à hautes températures.

Si, par contre, on peut utiliser la chaleur ambiante -disponible de manière illimitée- au moyen d’une pompe à chaleur, les émissions de CO₂ spécifiques dépendent du rendement annuel et du bouquet électrique, comme le montre la figure 1. Avec un rendement annuel typique de 3 et une empreinte carbone pour l’électricité de 220 g/kWh, une pompe à chaleur (avec 73 g/kWh) performe largement mieux qu’une chaudière à condensation au gaz naturel. Si on atteint un rendement annuel de 4, les émissions spécifiques diminuent et passent à 55 g/kWh, soit à un niveau quasi semblable à celui du chauffage au bois. Plus basses sont les émissions de la production d’électricité, plus une PAC sera intéressante d’un point de vue écologique.

Le fait que de 2/3 à ¾ de la chaleur est immédiatement extraite de l’environnement lors de l’utilisation, explique que les pompes à chaleur jouent un rôle clé dans les différents scénarios pour la transition énergétique, même si le bouquet électrique doit encore être décarboné, et qu’une expansion significative du réseau électrique sera nécessaire. La part de chaleur qui est extraite de l’environnement, est directement disponible ; et il n’est pas nécessaire d’adapter le transport ou le stockage de combustible. Toutes les autres pistes technologiques exigent qu’une infrastructure capable de couvrir la demande de chaleur totale soit développée. Dans le cas des pompes à chaleur, on doit uniquement prendre en compte la part d’énergie motrice de la pompe à chaleur.

Lorsqu’il n’est pas possible d’utiliser directement la chaleur ambiante, par ex. dans les zones fortement urbanisées, où encore là où de la chaleur résiduelle est disponible (combustion de déchets par ex.), les réseaux de chaleur constituent une alternative pertinente.

Réfrigérants

Outre les émissions de CO₂ , les systèmes de chauffage ont encore d’autres effets environnementaux. La combustion produit par exemple également encore des particules fines et d’autres émissions nocives. En termes d’effets indirects, pour les pompes à chaleur, ce sont surtout le PDO (potentiel d’appauvrissement de la couche d’ozone) et le PRP (potentiel de réchauffement planétaire) dus aux fuites qui sont importants. Par ailleurs, des PFAS (substances per- et polyfluoroalkylées) nées des processus de dégradation des réfrigérants dans l’atmosphère peuvent également apparaître. Depuis, l’interdiction des CFC et des HFC a permis de limiter les dégâts à la couche d’ozone. De plus, le recours aux réfrigérants à PRP élevé est systématiquement limité. La nouvelle version de la réglementation F-gaz, qui sera d’application en 2024, joue ici un rôle. L’utilisation du R32 et d’autres HFC comparables sera de ce fait interdite progressivement dans les nouveaux appareils entre 2027 et 2033. La calendrier précis dépend du type de pompe à chaleur, de la puissance et de l’origine du réfrigérant (nouveau ou recyclé). Étant donné que des PFAS ont été trouvées dans les eaux souterraines, on prévoit en Europe une interdiction de la commercialisation de tous les gaz fluorés entre 2032 et 2050, y compris les HFO à bas PRP comme le R1234ze.

À moyen et à long terme, seuls des réfrigérants naturels pourront donc être utilisés dans les pompes à chaleur, parce qu’ils sont exempts de tels effets environnementaux négatifs. Outre l’ammoniac (R717) pour le refroidissement et le CO2 (R744) pour les applications à hautes températures comme les réseaux de chaleur, entrent surtout en ligne de compte pour les PAC résidentielles les hydrocarbures, comme le fluoroéthane (R161), le diméthyléther (RE170), le propane (R290), le cyclopropane (RC270), le propène (R1270), soit purs soit sous forme de mélanges. (Höger et al 2022).

En raison de la grande inflammabilité des hydrocarbures, des mesures de sécurité ont été adoptées dans la norme EN 378-3, afin d’éviter les accumulations de réfrigérant et les sources d’inflammation. Des distances de sécurité par rapport aux ouvertures des bâtiments ont également été fixées. Les mesures précises dépendent du volume de réfrigérant. Pour les pompes à chaleur résidentielles classiques, on parle d’une distance de sécurité d’environ 1 m pour les maisons unifamiliales, et de 2 à 5 m pour les immeubles à appartements.

Domaines d’application et rendement

Au cours des 10 ans passés, des HCFC à PRP élevé ont été utilisés dans des PAC (comme par ex. le R410A). Le passage au R32 contribue non seulement à diminuer le PRP d’environ 68%, mais il permet en outre d’accroître le champ d’applications pour le chauffage, comme on peut le constater dans la figure 2. Pour une température extérieure de -10°C, les pompes à chaleur air-eau au R410A affichent en général une température de départ allant jusqu’à 55°C. Les appareils au R32 atteignent par contre des températures de départ de 60 à 65°C. Et si on utilise le propane (R290), le champ d’application devient encore plus grand : jusqu’à 70°C dans certains cas, et même parfois 75°C, comme le montre la figure 2.

De telles températures de départ permettent aux pompes à chaleur au propane de convenir également à des bâtiments qui n’ont pas été rénovés ou alors de manière limitée (avec une courbe de chauffe de 1,6 à 1,8 environ). Le rendement est certes faibles dans ces conditions (COP<2), mais de telles températures ne sont requises que marginalement (voir figure 3).

Même dans des régions comme les Préalpes, 80% de la demande de chaleur se situe à des températures supérieures au point de congélation. Des radiateurs avec une température de départ de 55°C peuvent dès lors suffire. À ce point de fonctionnement (A0/W55), les PAC usuelles au propane atteignent déjà un COP de 3. Le rendement des appareils actuels au R32 est à peine inférieur. La plage de fonctionnement plus réduite (voir figure 2) a pour conséquence que le chauffage électrique d’appoint doit être activé plus rapidement.

La figure 4 montre un aperçu du SCOP selon EN 14825 des pompes à chaleur usuelles au R32 et au propane en Allemagne.

Dans le cas des appareils au R32, et pour des puissances nominales de plus de 25 kW, nous constatons une baisse systématique du SCOP. Il s’agit ici effectivement principalement de chillers réversibles qui sont optimalisés pour un mode frigorifique. Une analyse des appareils affichant une puissance nominale jusqu’à 25 kW montre un SCOP moyen quasiment équivalent pour le R32 et pour le R290 en fonctionnement à basse température (jusqu’à 35°C) : 4,70 pour le R32 et 4,72 pour le R290. Le maximum pour le R290 (6,03) est clairement supérieur au R32 (5,61). Pour des températures moyennes (55°C), le SCOP moyen pour le propane (3,62) est à nouveau plus élevé que pour le R32 (3,42). Il en va de même pour les rendements les plus élevés : 4,58 pour le R290 et 3,98 pour le R32.

Structure et installation

Les pompes à chaleur air-eau au R32 sont principalement disponibles sous forme de split et de multisplit, ce qui s’explique par la grande expérience des fabricants asiatiques avec ce type d’appareil. Les restrictions en matière de volume de réfrigérant pour le propane signifient toutefois que ces appareils sont principalement disponibles sous forme de monobloc.

Une étude de marché sur les PAC géothermiques démontre qu’il y a moins d’évolutions dans cette catégorie. On recense encore peu de pompes à chaleur géothermiques au propane (sous forme de monobloc pour installation en extérieure). La majorité des appareils disponibles sur le marché fonctionne encore avec une génération précédente d’HFC, tels que le R410A.

Dans les pompes à chaleur air-eau, l’unité extérieure et l’unité intérieure sont reliées par des conduites de réfrigérant. L’unité extérieure comprend habituellement l’évaporateur, le compresseur et la vanne d’expansion. L’unité intérieure abrite le condenseur et le raccordement hydraulique. Dans le cas d’un monobloc, par contre, l’ensemble du circuit frigorifique se situe dans l’unité extérieure. Le transport de chaleur entre l’unité extérieure et l’unité intérieure s’effectue à l’aide de conduites hydrauliques, équipes d’un séparateur de gaz ou d’une protection semblable, de façon à ce qu’en cas de problème au niveau du compresseur, du propane ne puisse pas pénétrer dans l’habitation.

L’unité intérieure des appareils actuels comprend non seulement un circulateur, un chauffage d’appoint électrique et une vanne pour le passage entre le chauffage (température de départ en fonction de la courbe de chauffe) et la production d’ECS. Certains fabricants prévoient également un vase d’expansion et/ou un petit tampon pour fournir la chaleur nécessaire au cycle de dégivrage. Les circuits de chauffage peuvent être directement raccordés à l’unité intérieure. En plaçant un vase tampon ou un boiler entre l’unité intérieure et le circuit de chauffage, on réduit le nombre de cycles start-stop, ce qui se révèle favorable à la durée de vie de la pompe à chaleur (on évite les pics de pression et une lubrification insuffisante à chaque démarrage du compresseur). Grâce à une bonne stratification dans le vase, le rendement du système augmente également. Et en mode ECS essentiellement, on court le risque de subir des pertes par mélange. (Haller et al 2015)

Conclusion provisoire

Les émissions de CO₂ spécifiques des PAC du bouquet électrique actuel sont clairement inférieures à celles d’une chaudière gaz à condensation.

Les PAC au R32 disparaîtront du marché européen entre 2027 et 2033 (selon le type et la puissance).

Les pompes à chaleur au propane atteignent des températures de départ de 70°C pour une température extérieure de -10°C. Elles peuvent de ce fait être utilisées dans de nombreux bâtiments équipés de radiateurs.

Plus de 80% de la demande de chaleur se situe à des températures extérieures supérieures au point de congélation. Les radiateurs atteignent alors 55°C, de sorte que l’on peut également s’attendre à un rendement annuel de 3 pour la PAC, y compris dans les bâtiments non rénovés.

Les pompes à chaleur au propane sont jusqu’à présent uniquement disponibles en mode monobloc. Il faut en outre tenir compte d’une distance de sécurité de 1 à 5 m jusqu’aux ouvertures dans l’enveloppe du bâtiment.

Bibliographie

[BMEL 2023]

Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft: Wärme aus Holz

Online-Quelle (10.09.2023): https://www.bmel.de/DE/themen/wald/holz/waerme-aus-holz.html

[FNR 2023]

Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe: Fakten zum Thema Holzenergie

Online-Quelle (10.09.2023): https://heizen.fnr.de/heizen-mit-holz/fakten-zum-thema-holzenergie

[Höges et al. 2022]

Höges, Christoph et al.: Bewertung alternativer Arbeitsmittel für Wärmepumpen im Gebäudesektor.

In: Forschung Ingenieurwesen (2022) 86, 213–224. DOI: 10.1007/s10010-022-00584-0

[Haller et al. 2015]

Haller, Michel Y. et al.: StorEx – Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Schichtungseffizienz von Wärmespeichern. Schlussbericht.

Hochschule für Technik Rapperswil: Institut für Solartechnik SPF, 2015.

Par: Prof. Dr.-Ing. Michael Schaub (Hochschule Coburg)

Illustrations: Hochschule Coburg

www.hs-coburg.de