Comparatif des pompes à chaleur : systèmes et conception

Les pompes à chaleur comme système de chauffage pour les maisons individuelles

La pompe à chaleur s’impose comme un système de chauffage à faibles émissions de CO₂ : en Suisse, les maisons individuelles neuves sont désormais presque exclusivement équipées de pompes à chaleur pour assurer le chauffage des pièces et la production d’eau chaude. Elle est aujourd'hui installée lors d'un remplacement de chauffage sur deux.

Chaque pompe à chaleur produit de la chaleur à partir d’une source d’énergie naturelle et renouvelable. L’unité de pompe à chaleur se compose d’un compresseur et d’un condenseur et elle est généralement installée dans la chaufferie. D’un point de vue technique, il est préférable que la distance entre la pompe à chaleur et la source de chaleur extérieure soit la plus courte possible. Par rapport à d’autres systèmes de chauffage, les coûts d’acquisition peuvent être plus élevés, mais les coûts d’investissement et d’entretien sont prévisibles à l’avance.

Comment fonctionne une pompe à chaleur ?

Les pompes à chaleur exploitent différentes sources de chaleur présentes dans leur environnement immédiat, comme suit :

• Pompe à chaleur air-eau : l’air ambiant est la source de chaleur la plus courante pour les pompes à chaleur. En hiver, leur rendement diminue toutefois proportionnellement à la baisse des températures extérieures, ce qui explique pourquoi le rendement des pompes à chaleur air-eau est inférieur à celui des autres types de pompes à chaleur.
• Pompes à chaleur sol-eau : une sonde géothermique capte la chaleur géothermique présente dans le sol à proximité de la surface. À une profondeur de 150 à 200 m, la température de sortie est d’environ 10 à 15 °C. Le transfert de chaleur entre le sol et la pompe à chaleur s’effectue par le biais d’une solution saline aqueuse (saumure) circulant à l’intérieur des sondes géothermiques.
• Pompe à chaleur eau-eau : la température de l’eau souterraine reste pratiquement constante tout au long de l’année et est généralement supérieure à celle du sol. C’est pourquoi les pompes à chaleur eau-eau présentent l’efficacité la plus élevée parmi toutes les variantes.

Voici comment fonctionne une pompe à chaleur

Les pompes à chaleur exploitent indirectement l’énergie du milieu naturel en la transformant, à partir d’une plage de basses températures, en chaleur utile. Plus la différence entre la température d’entrée et la température de chauffage est faible, plus elles fonctionnent efficacement. Dans l’idéal, les températures de départ dans le circuit de chauffage doivent être comprises entre 30 et 45 °C. Si la température de l’eau de chauffage est abaissée de 5 °C, le rendement (coefficient de performance annuel) d’une pompe à chaleur augmente d’environ 10 %. Or, plus le rendement de fonctionnement est élevé, moins la consommation d’électricité est importante.

La pompe à chaleur inverse le principe de fonctionnement d’un réfrigérateur. Ce dernier extrait la chaleur de l’intérieur de la chambre froide et la rejette dans l’environnement via l’échangeur de chaleur en boucle situé à l’arrière. Dans le cas de la pompe à chaleur, la chaleur est transférée au circuit de chauffage après que la pompe l’a extraite de l’environnement naturel – sol, air extérieur ou eaux souterraines. Le prélèvement et le traitement de la chaleur reposent sur des processus physiques éprouvés et des équipements techniques éprouvés assurent ces opérations, selon le schéma suivant :

• La chaleur ambiante réchauffe, dans l’évaporateur, un fluide frigorigène liquide (ammoniac, propane, éthane, CO₂), qui se transforme en gaz dès qu’il subit une légère augmentation de température.
• Un compresseur à entraînement électrique réchauffe encore davantage le fluide frigorigène évaporé.
• Un condenseur transfère la chaleur du fluide frigorigène sous forme de vapeur vers le circuit de chauffage. Le fluide frigorigène gazeux se liquéfie à nouveau et la pompe à chaleur recommence le cycle depuis le début.
• L’énergie thermique restituée est jusqu’à cinq fois supérieure à l’électricité consommée par le compresseur.

Interdiction des fluides frigorigènes en Suisse

À partir de 2027, les nouvelles pompes à chaleur destinées aux maisons individuelles et aux maisons jumelées en Suisse devront utiliser uniquement des fluides frigorigènes naturels tels que le propane. Jusqu'à présent, les pompes à chaleur utilisent encore des fluides frigorigènes tels que le R410A et le R404A, qui contiennent des hydrocarbures fluorés et doivent donc être retirés du marché. Les pompes à chaleur déjà installées ou achetées avant l’entrée en vigueur de l’interdiction pourront continuer à fonctionner sans restriction.

Autorisation et conditions environnementales relatives aux pompes à chaleur

Pour des raisons de protection des eaux, les autorités interdisent l’installation de pompes à chaleur géothermiques et de pompes à chaleur sur nappe phréatique dans certaines régions. Les services cantonaux de l’énergie désignent les zones concernées et fournissent des informations à ce sujet sur leurs sites web. Parfois, les portails consacrés à l’énergie permettent d’effectuer une recherche par parcelle pour identifier les zones adaptées à l’installation de pompes à chaleur. Les autorités compétentes exigent toujours une autorisation pour l’installation de pompes à chaleur géothermiques et le forage de sondes géothermiques.

Réglementations communales

De nombreuses communes ont en outre mis en place un plan énergétique communal qui privilégie le raccordement des habitations à un réseau de chauffage collectif et n’autorise pas l’installation d’une pompe à chaleur dans ces lieux. Il est donc utile de consulter les documents de planification cantonaux et communaux. Dans le cadre d’un conseil d’impulsion « Chauffage renouvelable » ou d’un rapport de rénovation CECB, les spécialistes vérifient systématiquement ces éléments.

Conception d’une pompe à chaleur

Les maisons individuelles et les immeubles collectifs (jusqu’à 6 appartements ) sont généralement chauffés de manière monovalente, c’est-à-dire exclusivement à l’aide d’une pompe à chaleur. Le chauffage de l’eau sanitaire peut également être intégré. L’eau est ainsi utilisée à la fois pour le chauffage (environ 35 °C) et pour la production d’eau chaude sanitaire (55 à 60 °C). Lors de l’entretien avec le ou la concepteur·trice spécialisé·e en chauffage, vous devez donc aborder les aspects suivants :

• Besoins en puissance thermique du bâtiment, avant et après la rénovation énergétique de l’enveloppe du bâtiment
• Détermination du point de commutation lorsqu’un système d’eau chaude sanitaire séparé est installé.

Dimensionnement de la pompe à chaleur

Outre le rendement, vous devez prêter attention au dimensionnement d’une pompe à chaleur. Souvent, les nouvelles installations sont surdimensionnées ou dotées d’une puissance excessive. Pour les constructions neuves, il est recommandé de demander plusieurs devis. Dans le cas de rénovations, vous devez en revanche améliorer l’enveloppe extérieure et la distribution interne de la chaleur avant d’installer une pompe à chaleur. Si vous remplacez des systèmes de chauffage à haute température par une pompe à chaleur, cette dernière ne pourra, dans la plupart des cas, pas fonctionner de manière optimale. À des températures de départ supérieures à 55 °C – c’est-à-dire dans des bâtiments mal isolés –, une pompe à chaleur fonctionne de manière inefficace. De plus, le chauffage au sol est mieux adapté à la diffusion de chaleur à basse température que les radiateurs.

Veillez au label de qualité

Lors du choix des équipements et des entreprises chargées de l’installation, vous devez veiller à la présence du label de qualité de l’Association professionnelle des pompes à chaleur de Suisse (FWS). De plus, lors de la remise de l’installation, il convient d’exiger un certificat « Module système de pompe à chaleur ». Celui-ci donne droit, d’une part, à un contrôle des performances après environ deux ans de fonctionnement et, d’autre part, le label est une condition préalable à toute demande de subventions cantonales.

Le rendement dépend de la source d'énergie

Près des deux tiers des pompes à chaleur installées en Suisse sont des pompes à chaleur air-eau. Elles sont plus économiques que les pompes à chaleur géothermiques, par exemple, car elles ne nécessitent pas le forage de sondes géothermiques.
Les pompes à chaleur sol-eau puisent leur énergie dans le sol, dont la température est constante, aux alentours de 12 °C. Chauffer cette eau pour atteindre une température de départ de 35 °C nécessite donc moins d’énergie que d’effectuer le même travail à l’aide de l’air extérieur. Par conséquent, le rendement des pompes à chaleur air-eau diminue lorsque les températures sont basses en hiver.
En termes de rendement (coefficient de performance annuel, CPA), les pompes à chaleur air-eau obtiennent donc de moins bons résultats. Le CPA annuel est jusqu’à 50 % inférieur à celui des pompes à chaleur qui puisent leur énergie dans le sol ou dans les nappes phréatiques. Une pompe à chaleur sol-eau peut atteindre un CPA annuel de 5 ; les pompes à chaleur air-eau n’atteignent généralement que 3,5.

Pompe à chaleur géothermique, aérothermique ou sur nappe phréatique ?

Chauffage par sonde géothermique

Les sondes géothermiques fournissent l’énergie de base provenant du sol, ce qui nécessite un forage vertical. Plus la conductivité thermique du sol est élevée, plus la puissance d’extraction est importante. Dans un sol très sec, par exemple, celle-ci n’est que de 30 W/m². Les sols plus humides, en revanche, fournissent entre 50 W/m² et 55 W/m². En règle générale, les sondes géothermiques s’enfoncent à une profondeur comprise entre 150 et 250 mètres.
Une planification minutieuse consiste à vérifier au préalable l’emplacement des sondes géothermiques situées sur les terrains voisins. Cela permet d’éviter tout prélèvement de chaleur réciproque. De plus, une pompe à chaleur ne doit pas fonctionner plus de 1 800 heures par an, afin que le sol puisse se régénérer thermiquement de manière naturelle.
Pour le forage des sondes géothermiques, faites appel à des entreprises titulaires du « label de qualité pour les entreprises de forage de sondes géothermiques » décerné par l’association FWS. Ce label garantit une installation respectueuse de l’environnement et un fonctionnement de haute qualité de l’installation.

Option supplémentaire : refroidissement des bâtiments

Les pompes à chaleur eau glycolée-eau, couplées à une sonde géothermique, offrent une option supplémentaire intéressante lors des journées chaudes. Le sol peut être utilisé pour refroidir un bâtiment : sans mettre le compresseur en marche, de l’eau froide circule entre le chauffage au sol et le sol. Seule la pompe nécessaire à l’entraînement de ce circuit consomme de l’énergie électrique. Le processus est le suivant : l’eau froide circulant dans le chauffage au sol extrait une partie de la chaleur de la pièce et la transfère dans le sol. Le sol se régénère ainsi thermiquement.

Les spécialistes déterminent la profondeur des sondes géothermiques au cas par cas, selon que le sol doit être utilisé uniquement pour le chauffage ou également pour le refroidissement : les couches profondes du sol sont plus chaudes et améliorent la fonction de chauffage. À l’inverse, les couches proches de la surface augmentent l’effet de refroidissement. Même sans option de refroidissement et de régénération, le fonctionnement efficace d’un système de chauffage par pompe à chaleur est garanti pendant au moins 30 ans.

Champ de sondes géothermiques : pour les quartiers

Pour alimenter en chaleur renouvelable des quartiers de maisons individuelles ou un complexe immobilier de plus grande envergure, il est également possible de forer des champs de sondes géothermiques. Un tel champ peut comporter de quelques sondes à plusieurs dizaines, forées à intervalles réguliers à une profondeur comprise entre 30 et 300 mètres. Leur fonctionnement et leur principe d’utilisation sont identiques à ceux d’une sonde géothermique individuelle.

Approvisionnement en chaleur avec un registre géothermique

Un registre géothermique constitue une alternative à la sonde géothermique lorsque celle-ci ne peut pas être enfoncée dans le sol. Il s’apparente à un réseau tridimensionnel enfoui près du sol – soit sous les fondations du bâtiment, soit sur le côté de celles-ci – à une profondeur d’environ 1 à 3 mètres. Un registre géothermique nécessite de grandes surfaces ; il faut compter environ 45 m² par kW de puissance thermique. La puissance d’extraction est au maximum de 20 à 30 W/m². Dans des conditions défavorables, avec un sol caillouteux, sec et fortement ombragé, elle peut même descendre en dessous de 10 W/m². Comme pour le captage d’énergie par sondes géothermiques, la règle suivante s’applique : la pompe à chaleur ne doit pas fonctionner plus de 1 800 heures par an, afin que le sol puisse se régénérer thermiquement pendant l’été.

Les pieux énergétiques fonctionnent de manière similaire aux sondes géothermiques : d’une part, on les enfonce dans le sol pour soutenir les fondations des bâtiments ; d’autre part, des conduites intégrées à ces pieux captent la chaleur du sol et la transmettent à une pompe à chaleur.

Pompe à chaleur géothermique : avantages et inconvénients

Avantages

• Conviennent au chauffage de différents types de logements (maisons individuelles ou immeubles collectifs)
• Approvisionnement en chaleur sans émissions de CO_₂
• Faibles coûts d’exploitation (consommation d’électricité)
• Encombrement réduit
• Pompe à chaleur d’une durée de vie de 20 ans ; sonde géothermique d’une durée de vie supérieure à 50 ans
• Fonction de refroidissement en été

Inconvénients

• Coûts d’investissement élevés (sonde géothermique)
• Fonctionnement efficace à une puissance spécifique inférieure à 40 W/m², ce qui nécessite une enveloppe du bâtiment bien isolée
• Les autorités n’autorisent pas la sonde géothermique partout pour des raisons de protection des eaux

Pompes à chaleur : la chaleur issue de l’air extérieur

Les pompes à chaleur air-eau aspirent l’air extérieur à l’aide d’un ventilateur et l’acheminent vers l’évaporateur par un conduit d’air. Une fois la chaleur extraite, l’air refroidi s’échappe vers l’extérieur. Les pompes à chaleur air-eau sont disponibles sous forme d’appareils monoblocs ou de systèmes à débit partagé. Ces derniers se composent d’une unité d’aspiration installée à l’extérieur. L’unité intérieure transfère la chaleur au circuit de chauffage. La version à deux unités permet un emplacement flexible. Le circuit de transfert nécessite peu d’espace. La conception à deux unités s’adapte plus facilement aux besoins en puissance thermique.

Pompes à chaleur à installation extérieure

L’unité extérieure d’une pompe à chaleur air-eau résiste aux intempéries et vous devez la protéger de la neige, des feuilles mortes et de la poussière. L’espace extérieur privé constitue un emplacement idéal, généralement au niveau de l’entrée ou du jardin. Vous devez également prévoir un socle solide et respecter une distance d’au moins trois mètres par rapport au mur extérieur, ainsi qu’aux zones de circulation et de séjour. Vous devez également tenir compte du niveau sonore du ventilateur d’aspiration. Dans tous les cas, vous devez respecter les prescriptions légales en matière de protection contre le bruit. Le boîtier d’une pompe à chaleur air-eau est généralement insonorisé. Lors du choix du produit, demandez aux fournisseurs les certificats de protection contre le bruit et les fiches techniques acoustiques.

Le centre indépendant d’essais de pompes à chaleur de Buchs publie les résultats des essais de type et donne accès à une base de données comparative. Le Groupement professionnel suisse pour les pompes à chaleur attribue en outre un label de qualité aux appareils silencieux. L’installation d’une pompe à chaleur utilisant l’air extérieur comme source d’énergie nécessite un permis de construire.

Chauffage à l’eau souterraine (pompe à chaleur eau-eau)

Non seulement le sol, mais aussi les eaux souterraines offrent des conditions stables pour le captage d’énergie. La température des eaux souterraines oscille entre 8 et 15 °C tout au long de l’année. Pour utiliser les eaux souterraines comme source d’énergie renouvelable pour votre propre système de chauffage, vous devez toutefois respecter des exigences environnementales strictes. Afin d’exclure toute pollution des eaux souterraines, les autorités accordent de manière extrêmement restrictive les autorisations pour les pompes à chaleur sur nappes phréatiques et ne les acceptent généralement que pour l’alimentation de grands immeubles collectifs, d’immeubles commerciaux et d’établissements hôteliers présentant chacun des besoins élevés en puissance.
Sur le plan technique, deux puits sont nécessaires. Dans le premier, la pompe à chaleur extrait la chaleur de l’eau souterraine. L’eau refroidie est réinjectée dans le second. Autres aspects à prendre en compte :

• Pour les nappes phréatiques, vous devez compter 150 à 200 litres/h/kWth.
• Il faut 300 à 400 litres/h d’eau de surface par kWth.
• Protégez les conduites d’eau souterraine situées dans des pièces chaudes contre la condensation (isolation thermique étanche à la vapeur).
• Vous devez connaître la qualité de l’eau et respecter les valeurs limites.

Énergie issue des eaux de surface

En principe, les lacs, ruisseaux et rivières peuvent également servir de source d’énergie pour les installations de pompes à chaleur. C’est de plus en plus souvent le cas dans les réseaux urbains interconnectés.

Pompe à chaleur avec réservoir d’eau : vous vous chauffez grâce à la glace

Si vous ne pouvez pas exploiter le sol ou la nappe phréatique comme source d’énergie pour une pompe à chaleur eau glycolée-eau, une alternative existe : un réservoir d’eau dédié, utilisé comme accumulateur de glace solaire. Il sert de réservoir d’énergie pour une pompe à chaleur et peut être associé à une installation solaire. Le système de stockage de glace peut servir au chauffage et au refroidissement des bâtiments. Contrairement à un milieu naturel, il exploite l’énergie de cristallisation dégagée lors du gel et du dégel de l’eau.

L’énergie des cristaux de glace

Le réservoir de glace solaire contient de l’eau dans laquelle flotte un réseau de tubes servant d’échangeurs de chaleur. Le principe de fonctionnement est similaire à celui d’un congélateur : lors du chauffage, la chaleur est extraite du réservoir d’eau, ce qui fait baisser la température jusqu’à 0 °C. La formation de glace est expressément autorisée, car elle libère de l’énergie de cristallisation supplémentaire : lorsque l’eau gèle, des cristaux se forment et libèrent une énergie thermique équivalente à l’énergie nécessaire pour chauffer de l’eau de 0 à 80 °C.
Afin de retarder la formation de glace jusqu’à la fin de la saison de chauffage, l'installation solaire thermique alimente le réservoir à glace en chaleur. Pendant la saison chaude, l’eau dégèle à l’aide des capteurs solaires et se réchauffe autant que possible. Parallèlement, le contenu frais du réservoir peut être utilisé en été pour le refroidissement du bâtiment. L’installation solaire peut également servir à chauffer l’eau sanitaire.

Adaptée aux maisons individuelles

Au départ, la technologie de la glace solaire s’est répandue dans le secteur commercial, dans les complexes hôteliers ou dans les centres d’archives, dont le système énergétique doit passer du mode refroidissement au mode chauffage en l’espace d’une journée. Aujourd’hui, elle alimente également des logements et des maisons individuelles : pour les petites installations, le réservoir de glace solaire est un réservoir en béton d’environ 12 m³ que l’on enterre dans le jardin. L’eau provient de collecteurs d'eau de pluie ou d’eau de ruissellement installés sur place. Les systèmes standard disponibles se limitent à quelques fournisseurs sur le marché.

Coûts

Les coûts d’acquisition et d’installation du système de stockage de glace solaire sont comparables à ceux d’une pompe à chaleur avec sondes géothermiques. La consommation d’électricité en fonctionnement est inférieure en comparaison directe, car la fonction de stockage permet un fonctionnement plus économe en énergie. Ces conclusions sont issues de travaux de recherche indépendants et de tests pratiques soutenus par l’Office fédéral de l’énergie.