La pompe à chaleur gaz intéressante pour le collectif BBC

Par Philippe NUNES - Ingénieur ENSAIS-ICG et Directeur Général d’XPAIR

La pompe à chaleur gaz permet des rendements élevés avec l’énergie gaz ainsi qu’un faible taux d’émission de GES, soit une solution avantageuse pour la réalisation de bâtiments BBC.

Pompes à chaleur gaz, fonctionnement air/eau (aérothermie) ou eau/eau (géothermie)

Rappelons qu’à partir du 1^er janvier 2013, toutes les constructions neuves devront consommer en moyenne moins de 50 kWh(ep)/m².an pour tous les usages de chauffage, d’eau chaude sanitaire, de climatisation éventuelle, et de consommation électriques pour l’éclairage et les auxiliaires (pompes et ventilateurs).
La notion « ep » d’énergie primaire est essentielle car elle caractérise « le caractère écologique » de l’énergie utilisée. Par exemple pour l’électricité produite à l’origine augmentée des pertes diverses, ce coefficient est de 2,58, c’est à dire que 1 kWh d’énergie finale = 2,58 kWh d’énergie primaire, quand il est de 1 pour le gaz naturel, soit 1 kWh d’énergie finale = 1 kWh d’énergie primaire.
En d’autres termes, le contenu du CO2 du kWh électrique est de l’ordre de 600 grammes de CO2 / kWh.
En comparaison, le gaz naturel pour le chauffage émet environ 230 grammes de CO2/kW.

Repères pour la pompe à chaleur à absorption gaz

• Rendement ou coefficient de performance : autour de 150% sur PCI (pouvoir calorifique inférieur) – Avec coefficient d’énergie primaire cela correspond à un COP de 1,5 x 2,58 = 3,87
• Stabilité du rendement selon la température extérieure
• Production de chauffage et d’eau chaude sanitaire
• Applications : logements collectifs basse consommation BBC
• Gamme de puissance de 20 à 70 kW (montage multiple possible)

La pompe à chaleur à gaz fonctionne sur le principe de l’absorption. Le chauffage direct au gaz permet le transfert de chaleur d’une source froide vers une source chaude via un fluide frigorigène, comme toute pompe à chaleur. La différence est que le cycle n’est pas à compression mécanique comme pour la pompe à chaleur électrique, mais de type thermochimique. Le fluide frigorigène est tout d’abord un fluide composé d’un mélange eau/ammoniac, sans impact sur l’effet de serre.; et le compresseur est si l’on peut dire remplacé par un brûleur gaz identique à une chaudière.

3 sources de chaleur : la production de chaleur est assurée par la condensation du fluide frigorigène (amoniac), par la réaction d’absorption entre le fluide et un absorbant (eau), et par la récupération de chaleur latente contenue dans les fumées.

Le fluide frigorigène capte la chaleur de la source froide au niveau de l’évaporateur, il sort sous forme gazeuse à basse pression et est porté à haute pression dans un absorbeur. Après avoir cédé la chaleur au niveau du condenseur, il sort sous forme liquide et passe par un détendeur pour revenir dans la partie basse pression du cycle. Puis il s’évapore de nouveau à l’évaporateur, etc, …

Les transferts de chaleur s’effectuent pour l’utilisateur au niveau de l’absorbeur, du condenseur, et de l’échangeur de récupération sur les fumées.

Si d’un côté pour la pompe à chaleur électrique le COP machine peut être de l’ordre de 3 voire plus dans des conditions nominales qui sont souvent favorables - exemple température extérieure de +7° pour les pompes à chaleur aérothermie - ce coefficient de performance chute quand la température extérieure est la plus basse pour atteindre dans certains cas 2 voire moins. C’est la prochaine problématique qui viendra nécessairement et prochainement classer les pompes à chaleur électriques et qui conduira à une notion de COP saisonnier ou de COP global, car seule compte la performance énergétique annuelle en kWh/an !

La pompe à chaleur gaz ne souffre pas de cet inconvénient. Elle délivre des performances constantes même par température extérieures basses.

En géothermie

Grâce à la récupération de chaleur au niveau de l'absorbeur, le dimensionnement des sondes est réduit par rapport à une pompe à chaleur électrique. Cette réduction est de l’ordre de 50 à 70%, ce qui diminue le prix des travaux extérieurs.

Aérothermie avec PAC gaz

Géothermie avec PAC gaz

Réglementation thermique

Notons également que la pompe à chaleur gaz naturel a décroché un titre V au niveau de la réglementation thermique actuelle, la RT 2005, ce qui permet de valoriser cette PAC au niveau des calculs réglementaires (arrêté du 13 janvier 2010).

Comparaison des coefficients de performance machine

• Pompe à chaleur électrique : admis 3
• Pompe à chaleur gaz : admis 1,5 x coeff ep de 2,58 = équivalent élec de : 3,87

Production d’eau chaude

La pompe à chaleur gaz produit de l’eau chaude comme une chaudière avec des températures autour de 70° à 75°. Soit un régime d’eau chaude sanitaire qui peut être callé à 60°C et sans risque de légionellose.

La pompe à chaleur est un concept « émergeant » en France. Sa commercialisation est encore limitée à une gamme de puissances autour de 20 à 70 kW, ce qui prédispose cette PAC pour des bâtiments de logements collectifs ou petits collectifs de type BBC.

Des marques comme ROBUR et France Air distribuent des pompes à chaleur avec deux régimes de températures.

La pompe à chaleur gaz est en passe de devenir un concurrent sérieux de la pompe à chaleur électrique. D’un concept moins commun, elle risque d’avoir besoin du soutien des prescripteurs tels que bureaux d’études, architectes et maîtres d’ouvrages, envieux de soutenir un concept de très haute performance énergétique.

L’installateur doit également suivre cette nouvelle technologie et se former avec l’aide des industriels fabricants à une technique qui ne s’avère pas plus difficile sinon moins que la technique de la pompe à chaleur électrique.

Schéma de réalisation d’un immeuble résidentiel BBC
avec chauffage 3 zones et eau chaude sanitaire solaire (appoint PAC)

Le développement de cette chronique concerne la pompe à chaleur gaz à absorption. Cette pompe à chaleur ne doit pas être confondue avec la pompe à chaleur gaz à moteur thermique. Cette dernière fonctionnant comme une pompe à chaleur électrique avec compresseur, si ce n’est que c’est le gaz qui, comme pour l’électricité, fait « tourner » le compresseur. Avec la pompe à chaleur à moteur à gaz, seule une part de l’énergie entrante est réellement utilisée dans le circuit; le reste part en rejets thermiques. C’est pourquoi on ne parle pas de coefficient de performance mais d’indice de chaleur.

Repères pour la pompe à chaleur à moteur gaz

• Rendement ou coefficient de performance : autour de 140% sur PCI (pouvoir calorifique inférieur)
• Stabilité du rendement selon la température extérieure
• Production de chauffage, de climatisation et d’eau chaude sanitaire
• Gamme de puissance de 20 à 80 kW
• Applications : tertiaire basse consommation BBC, hôtels, bureaux,…
• Distribution et marque : SANYO

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Fait par Philippe NUNES
Ingénieur ENSAIS-ICG et Directeur Général d’XPAIR, il intervient en apportant son éclairage et son expérience de plus de 20 ans dans les métiers du génie climatique et énergétique.

→ SOURCES & LIENS

• france-air.com
• particuliers.engie.fr