La pompe A chaleur AU gaz pour le chauffage et l'eau chaude sanitaire

les tempEratures d'alimentation ElevEes rendent
ces pompes A chaleur AU gaz idEales pour la rEnovation

Autrefois, les pompes à chaleur au gaz étaient surtout utilisées dans les gros projets. Elles existent aussi en petites puissances, spécialement conçues pour les habitations. Ces pompes à chaleur au gaz combinent les avantages d'une chaudière au gaz à condensation (températures d'alimentation élevées et une récupération de chaleur) et ceux des pompes à chaleur. Elles conviennent pour la nouvelle construction et la rénovation. Avec leurs températures d'alimentation jusqu'à 65 °C, elles sont idéales pour remplacer une chaudière. Les systèmes de diffusion existants peuvent ainsi être conservés. 

Pourquoi une pompe A chaleur AU gaz?

Comme son nom l'indique, la pompe à chaleur au gaz utilise du gaz naturel. Les avantages d'une pompe à chaleur (utilisation d'énergie renouvelable, rendement élevé et primes – voir encadré) sont les mêmes pour une pompe à chaleur au gaz. La différence réside dans la compression, qui n'est pas effectuée par de l'électricité, mais par du gaz.

Lorsqu'on est relié au réseau de distribution, le gaz est le combustible le moins cher (gaz: 0,05 centime par kWh/électricité: 0,28 cen­time par kWh) (source: VREG, août 2016). De plus, dans le calcul du niveau E, le gaz a un facteur d'énergie primaire de 1.

En revanche, le facteur d'énergie primaire de l'électricité est de 2,5 (ce qui fait grimper la consommation d'énergie primaire). Un avantage supplémentaire est qu'une pompe à chaleur gaz, contrairement à une pompe à chaleur électrique, ne perd pas ou guère de puissance calorifique, lorsque les températures extérieures sont faibles (la puissance diminue de 10%, lorsque la température extérieure varie entre +8 °C et -8 °C, avec une pompe à chaleur traditionnelle, la puissance peut baisser de plus de 50%). En effet, la chaleur produite lors de la combustion du gaz (celle du brûleur et celle des gaz de fumées) est récupérée. Il existe deux types de modèle: la pompe à chaleur à moteur au gaz et la pompe à chaleur au gaz à absorption.

Pompe A chaleur A moteur AU gaz

Principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur à moteur gaz est quasi identique à celui d'une pompe à chaleur électrique. La seule différence est que le compresseur n'est pas entraîné par de l'électricité, mais par un moteur au gaz naturel. Le fluide frigo­rifique R410A arrive dans l'évaporateur à basse pression et s'y évapore. L'évaporateur utilise l'air extérieur comme source d'énergie pour réaliser l'évaporation.

Dans le compresseur, le fluide frigorifique évaporé est compressé et augmente en pression et en température jusqu'à 50 à 53 °C. Ensuite, cette chaleur dans le condenseur est fournie au bâtiment via l'air ou utilisée pour chauffer un circuit d'eau. Le fluide frigorifique quitte le condenseur à l'état liquide à haute pression et est ramené à une basse pression via une soupape d'expansion. Ensuite, le processus peut recommencer.

Applications

Une pompe à chaleur à moteur au gaz peut être utilisée pour chauffer, mais aussi pour refroidir. Dans le second cas, le processus est inversé. Au lieu d'extraire de l'énergie de l'air extérieur, on extrait de l'énergie de l'intérieur. Le condenseur devient alors un évaporateur et l'évaporateur, un condenseur. Il est possible de chauffer et de refroidir dans une construction résidentielle, des bureaux, des bâtiments utilitaires, des maisons de repos, des com­plexes sportifs, etc. En revanche, il n'y a pas d'applications pour les particuliers. En effet, cette pompe à chaleur n'est disponible qu'en grosses puissances (de 26,5 kW à 84 kW pour chauffer et de 22,4 kW à 71 kW pour refroidir, les deux extensibles en cascade). Une pompe à chaleur à moteur au gaz est disponible en version air-air et air-eau. Elle atteint des températures d'alimentation d'env. 48 °C et est raccordée à des applications basse température (radiateurs, chauffage par le sol ou activation du noyau de béton).

Pompe a chaleur AU gaz A absorption

Principe de fonctionnement

Le fonctionnement d'une pompe à chaleur à absorption diffère de celui d'une pompe à chaleur électrique.

• En général, le fluide frigorifique est une solution d'ammoniaque et d'eau qui est chauffée dans le générateur par un brûleur gaz à condensation. Cette opération entraîne l'évaporation de l'ammoniac (celui-ci s'évapore à -33 °C) qui se sépare de l'eau. L'eau reste dans le générateur et l'ammoniac qui a augmenté en pression sous l'effet de la chauffe et a atteint une température de 97 °C, se déplace vers le condenseur.

• Dans le condenseur, la vapeur d'ammoniac transmet sa chaleur au circuit d'eau de l'habitation via un échangeur de chaleur. L'ammoniac qui est refroidi dans le condenseur, est redevenu liquide, mais est toujours sous haute pression.

• Une soupape d'expansion réduit la pression du liquide d'ammoniaque, qui peut à nou­veau s'évaporer à basse température.

• Dans l'évaporateur, l'ammoniac s'évapore. L'évaporateur puise l'énergie nécessaire dans l'air extérieur, dans le sol ou dans de l'eau. L'ammoniac se transforme en gaz à basse pression et atteint une température qui ne peut pas dépasser celle de l'air extérieur.

• Ensuite, la vapeur d'ammoniac arrive dans l'absorbeur, où l'eau du générateur est nébulisée sur le gaz d'ammoniac. Cela entraîne une réaction exothermique qui libère de la chaleur et fait grimper la température jusqu'à 70 à 75 °C. Cette chaleur libérée est utilisée une deuxième fois pour chauffer le circuit d'eau.

• Enfin, la solution ammoniaque-eau est retransportée à basse pression via une pompe à membrane vers un environnement haute pression dans le générateur, où le processus peut recommencer.

Applications

Comme le circuit d'eau entre deux fois en contact avec des températures élevées pendant le processus, une pompe à chaleur au gaz à absorption permet d'atteindre des températures d'eau de 65 °C (voire 70 °C). Une pompe à chaleur au gaz à absorption est donc idéale pour les systèmes de chauffage à basse température et à haute température ainsi que pour la production d'eau chaude sanitaire.

Les systèmes air-air ne sont pas possibles avec les pompes à chaleur au gaz à absorption. La chaleur produite peut uniquement être transmise à une source comportant de l'eau. Les pompes à chaleur gaz à absorption existent en version air-eau, sol-eau et eau-eau. Ce système permet aussi de refroidir, mais ce n'est pas intéressant au niveau du rendement. Ce type de pompe à chaleur est appliqué dans les bureaux, les écoles, les complexes sportifs, les maisons de repos, les centres culturels, les bâtiments d'entreprise, etc. où il ne faut pas de refroidissement (ou alors de manière sporadique).

Pour ça, il existe de plus grosses puissances de 34,9 kW (extensibles en cascade). Et aujourd'hui, on trouve des pompes à chaleur au gaz à absorption dans les habi­tations.

applications rEsidentielles

Nouvelle construction et rénovation

Une pompe à chaleur au gaz à absorption peut être utilisée pour le chauffage central, éventuellement combiné avec la production d'eau chaude sanitaire. Le système est uniquement disponible en version air-eau et a un coût moyen de 8.000 à 9.000 euros. La pompe à chaleur convient aussi bien pour la nouvelle construction que pour la rénovation avec des besoins thermiques de 8 à 18 kW. Le système atteint des rendements jusqu'à 169% (ce qui correspond à un COP d'environ 4). Dans le cas d'une rénovation, la pompe à chaleur gaz à absorption est très intéressante pour rem­placer une chaudière au gaz. Comme le système atteint des températures d'alimentation jusqu'à 65 °C, il ne faut pas remplacer le système de diffusion existant (p.ex. des radiateurs qui ne con­viennent pas pour le chauffage à basse température). 

Dispositif

Le principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur au gaz à absorption pour un usage résidentiel est le même que pour les grosses puissances. L'appareil présente la même composition, sauf que celui-ci est plus petit. C'est un système mono-bloc qui se compose d'une unité extérieure.

Cette unité contient un brûleur au gaz à condensation ainsi que le circuit eau-ammoniaque (du générateur à l'absorbeur). Le circuit eau-ammoniaque est inaccessible et hermé­tiquement fermé en usine (il n'y a aucune pièce mobile et il ne faut pas d'entretien). L'unité est raccordée au circuit de chauffage central dans l'habitation (chauffage par le sol, radiateurs ou ventilo-convecteurs) et éventuellement aussi à un chauffe-eau.

Installation

L'unité est placée à l'extérieur, généralement à côté de la façade (ou sur une toiture plate). Le positionnement de cette unité est important.

Du côté ventilateur, il faut prévoir un espace d'1,5 mètre afin que le ventilateur puisse aspirer suffisamment d'air.

Du côté évaporateur, il faut prévoir 0,6 m pour un bon fonctionnement.

Sur l'unité, on prévoit une évacuation des gaz de fumées (on peut éventuellement faire un prolongement afin d'éviter une évacuation près des portes et des fenêtres) et on installe une évacuation de condensation qui débouche de préférence dans un bac de graviers ou bien, si l'unité est placée sur une toiture plate, donne dans les tuyaux d'eau de pluie (l'évacuation doit être réalisée dans un matériau résistant à la condensation, donc pas en cuivre). Le circuit hydraulique à l'intérieur est raccordé à l'unité via une conduite de départ et de retour. Plus loin, on prévoit également une conduite de gaz, une alimentation électrique 230 V et un signal 0-10 V pour la commande vers l'unité. Une vanne trois voies sur la conduite de départ évacue l'eau vers le circuit de chauffage central ou bien vers l'échangeur de chaleur dans le chauffe-eau. Sur la base du contenu du circuit hydraulique et de la puissance thermique nécessaire dans le bâtiment, on prévoit un réservoir tampon pour éviter d'avoir trop de démarrages-arrêts.

Extras

• Lorsque la pompe à chaleur au gaz à absorption est utilisée pour le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire, on place près du collecteur à l'intérieur un boîtier de commande qui est relié d'une part aux thermostats et à la régulation en fonction de la météo, et d'autre part à la pompe à chaleur. Si l'unité est uniquement utilisée pour le chauffage, il ne faut pas prévoir de boîtier de commande et la communication se fait directement entre les capteurs et l'unité extérieure.

• Pour compenser les pics de la demande de chauffage, on peut installer une chaudière au gaz à condensation supplémentaire à l'intérieur, dans le local technique (près du chauffe-eau, du réservoir tampon, etc.).

• Le chauffage d'appoint du chauffe-eau par des panneaux solaires thermiques est également possible.

• Outre au gaz naturel, la pompe à chaleur au gaz à absorption fonctionne aussi au propane. Dans ce cas, il faut paramétrer la partie gaz en fonction du propane. Cette opération est effectuée sur place par le fabricant de l'unité.

Entretien

Il est recommandé d'entretenir la partie gaz de l'unité tous les deux ans (en principe, un entretien biennal n'est pas obligatoire, car la partie gaz a une puissance inférieure à 20 KW et est positionnée à l'extérieur). Le circuit ammoniaque-eau, en revanche, reste toujours isolé et ne nécessite pas d'entretien (il n'y a pas de pièces mobiles, pas de perte, ...). Lors d'un entretien, on contrôle visuellement le ventilateur et l'évaporateur. Les feuilles et autres saletés qui pourraient entraîner une obstruction, sont éliminées afin de bien laisser passer le vent et l'air. Il faut également contrôler le bon fonctionnement de l'évacuation des gaz de fumées et de la condensation. Ensuite, on effectue une mesure des gaz de fumées. Si cette mesure ne suffit pas, cela peut être parce que la chambre du brûleur est sale. Il faut alors la nettoyer et remplacer les joints après l'ouverture.

En outre, il faut contrôler la qualité des tiges d'allumage et d'ionisation, et les remplacer, si besoin est. Tous les quatre ans, il est recommandé de remplacer la courroie d’entraînement de la pompe à huile qui commande la pompe à membrane.