Pompes à chaleur

On peut comprendre la température comme la concentration d'énergie thermique dans une substance ou un espace donné. S'il y a beaucoup d'énergie entassée dans un espace ou un objet, il est chaud. Si l'énergie est relativement dispersée, il est froid.

Une température plus élevée signifie que les molécules d'une substance ont plus d'énergie cinétique - c'est-à-dire qu'elles vibrent plus vite dans un solide, ou qu'elles se déplacent plus vite et se heurtent plus souvent dans un liquide ou un gaz. Quand elles vibrent ou se heurtent, nous ressentons cette énergie cinétique comme de l'énergie thermique (c'est-à-dire de la chaleur). On peut donc augmenter la température en ajoutant activement plus d'énergie depuis une source extérieure ou en concentrant cette énergie en comprimant (davantage de) molécules dans un espace plus petit.

Selon les lois fondamentales et universelles de la thermodynamique, l'énergie a toujours tendance à se disperser ou à passer des zones où elle est très concentrée vers celles où elle l'est moins, jusqu'à ce que tout soit équilibré et égal (cela s'appelle l'entropie - voir Autres vidéos). C'est pourquoi, les jours froids, l'énergie thermique s'échappe d'une maison chaude vers l'extérieur froid. L'isolation peut ralentir ce transfert de chaleur, mais les pompes à chaleur l'inversent complètement grâce à une utilisation astucieuse de ces mêmes principes et à un fluide spécial sous pression appelé fluide frigorigène.

Ce qui rend les fluides frigorigènes particulièrement utiles ici, c'est qu'on peut facilement modifier leur point d'ébullition.

Points d'ébullition

Plongeons dans la science des points d'ébullition. L'ébullition désigne l'évaporation d'un liquide en gaz, quand les molécules gagnent assez d'énergie cinétique pour se libérer des forces intermoléculaires qui maintiennent le liquide ensemble. Dans un liquide, ces forces se rompent et se reforment sans cesse, ce qui permet aux molécules de se déplacer les unes autour des autres. Transformer le liquide en gaz demande assez d'énergie pour que ses molécules se séparent complètement. Cela ne doit pas forcément se produire exactement à 100 °C (212 °F), comme c'est généralement le cas pour l'eau, ni même quand il fait chaud…

Par exemple, si tu chauffes une bouilloire en montagne, tu verras qu'elle bout en fait à une température plus basse. C'est parce que la pression atmosphérique en altitude est plus faible qu'au niveau de la mer, ce qui permet aux molécules de se disperser et de s'échapper plus facilement, donc l'eau a besoin de moins d'énergie pour bouillir. À l'inverse, sous une pression plus élevée, les molécules d'eau sont comprimées et ont besoin de plus d'énergie - et donc de températures plus élevées - pour bouillir et se libérer. La pression peut donc modifier le point d'ébullition de l'eau.

Chaleur sensible ou latente

En général, quand tu chauffes (ou refroidis) quelque chose comme de l'eau, ajouter (ou retirer) de l'énergie modifie d'abord sa température, en augmentant (ou diminuant) l'énergie cinétique de ses molécules et en les faisant bouger ou vibrer plus vite (ou plus lentement). Cette énergie s'appelle la chaleur sensible et c'est ce que nous ressentons quand quelque chose est chaud ou froid au toucher.

Mais voici une autre astuce - une fois que l'eau atteint son point d'ébullition, sa température cesse d'augmenter. Toute cette énergie thermique sert alors à rompre les liaisons qui maintiennent les molécules ensemble et à les séparer les unes des autres, transformant l'eau en vapeur. La température de l'eau (ou plutôt, de la vapeur d'eau produite) ne recommencera à monter que lorsque toute l'eau se sera évaporée. C'est pareil quand la glace fond et passe de l'état solide à l'état liquide. Cela s'appelle la chaleur latente et représente une énorme quantité d'énergie. En fait, il faut 7x plus d'énergie pour évaporer de l'eau que pour amener l'eau à son point d'ébullition au départ.

C'est pour cela que l'air semble plus chaud les jours humides même quand la température extérieure est la même (ou que la météo annonce une température, mais qu'on en « ressent » une autre) - la vapeur d'eau supplémentaire dans l'air contient plus d'énergie thermique que l'air sec (c'est-à-dire toute cette chaleur latente supplémentaire).

C'est aussi comme ça que la transpiration te refroidit : quand la sueur s'évapore, elle absorbe une énorme quantité de chaleur corporelle sous forme d'énergie latente et emporte cette chaleur loin de ta peau. Dans des conditions humides, où il y a déjà beaucoup d'eau évaporée dans l'air, ce processus ralentit, ce qui donne une sensation de chaleur bien plus forte.

L'inverse se produit lorsque l'eau se condense et passe de la vapeur à l'état liquide. Tout comme quand tu ajoutes de la chaleur pour faire bouillir l'eau, elle restitue une énorme quantité d'énergie lorsqu'elle se condense. Ainsi, quand quelque chose change d'état - c'est-à-dire bout, fond, se condense ou gèle - il doit absorber ou libérer de l'énergie thermique « latente » pendant ce changement, car ces liaisons se rompent ou se créent.

Température ou pression

Donc ajouter ou retirer de la chaleur modifie la température, mais il se passe quelque chose de similaire quand tu modifies la pression.

On peut appliquer une pression aux solides, aux liquides et aux gaz, mais les gaz peuvent être facilement comprimés car il y a de l'espace entre leurs molécules, qui sont relativement dispersées. Les liquides et les solides, eux, ne peuvent pas être comprimés de la même façon, car tu ne peux pas rapprocher leurs molécules davantage qu'elles ne le sont déjà. Pour un liquide, appliquer une pression rend plutôt plus difficile la séparation de ses molécules en gaz. Une vapeur est un type de gaz qui, sous une température critique, peut être comprimé directement en liquide sans le refroidir activement. Ce n'est pas possible pour tous les gaz, c'est-à-dire que toutes les vapeurs sont des gaz, mais que tous les gaz ne sont pas des vapeurs.

Nous savons que la vapeur d'eau se condense plus facilement sous pression, car cela aide à rapprocher les molécules. Mais avec assez de pression, tu peux comprimer la vapeur d'eau directement en liquide sans avoir besoin de la refroidir. Puis, quand la vapeur se condense en liquide, elle libère toute son énergie latente. À l'inverse, à une pression assez basse, les molécules liquides se dispersent sans avoir réellement besoin de chaleur. Puis, quand elles se séparent et s'évaporent, elles absorbent de l'énergie latente autour d'elles.

Mais cela crée un petit bras de fer. Lorsqu'on comprime des gaz et des vapeurs, appliquer une pression augmente aussi leur température. Comprimer les molécules dans un espace plus petit (ou davantage de molécules dans le même espace) augmente la concentration de molécules - les molécules sont plus proches, les collisions sont plus fréquentes, et davantage d'énergie cinétique est concentrée dans cet espace.

C'est là que ça se complique - en augmentant la pression, on obtient des effets opposés : les molécules de vapeur sont comprimées les unes contre les autres et ont donc plus de chances de se condenser, mais cela augmente aussi la température, ce qui réduit leurs chances de se condenser.

Le point d'ébullition (ou de condensation) de la vapeur a maintenant été augmenté par la pression, c'est-à-dire qu'il faudrait plus d'énergie et une température plus élevée pour maintenir la vapeur sous forme de gaz dans ces nouvelles conditions de haute pression.

Donc, si sa propre température ne changeait pas, avec la pression ajoutée, elle serait bien plus proche de passer sous ce nouveau point d'ébullition et de se condenser.

Mais bien sûr, sa propre température a changé, elle aussi augmente sous l'effet de la pression. Donc si la pression augmente le point d'ébullition, elle augmente aussi la température de la vapeur, et cette hausse simultanée de température s'oppose au processus de condensation et maintient la vapeur à l'état gazeux au-dessus du point d'ébullition qui ne cesse d'augmenter.

Pour que la vapeur se condense vraiment, il faut soit augmenter encore plus la pression - jusqu'à ce que la hausse du point d'ébullition dépasse la hausse simultanée de température - soit la refroidir, en retirant activement de la chaleur, ce qui permet à toute cette énergie cinétique supplémentaire de se dissiper et à la température de descendre sous son nouveau point d'ébullition.

Cela montre à quel point température, points d'ébullition et pression sont étroitement liés. Tu peux forcer quelque chose à changer de température (ou d'état) soit 1) en ajoutant ou retirant activement de l'énergie thermique sensible (ou latente), soit 2) en modifiant la pression, ce qui peut à son tour forcer l'absorption ou la libération de chaleur latente. Et mettre un liquide ou un gaz sous pression augmente son point d'ébullition (c'est-à-dire la température à laquelle il s'évapore ou se condense).

Bien sûr, tout cela s'applique à d'autres composés que l'eau : c'est pourquoi vaporiser du déodorant contenu dans une bombe sous pression donne une sensation de froid sur la peau - la décompression rapide lors de sa libération permet aux molécules d'aérosol liquide (et à leur énergie) de se disperser en gaz et fait chuter sa température.

Une pompe à chaleur ne produit pas de chaleur comme les chaudières, les générateurs d’air chaud ou les radiateurs électriques classiques. Elle utilise plutôt ces principes thermodynamiques pour déplacer la chaleur déjà présente à contre-courant de son flux naturel, c'est-à-dire en captant l'énergie thermique de faible qualité (c'est-à-dire dispersée) à l'extérieur et en la concentrant à l'intérieur. Cela se fait grâce à un fluide frigorigène dans un système en circuit fermé, entraîné par quatre éléments clés : un compresseur, un détendeur, et deux échangeurs de chaleur, appelés évaporateur et condenseur. En fait, c'est exactement le même système que dans les réfrigérateurs et les climatiseurs, mais il fonctionne dans l'autre sens (c'est-à-dire qu'il concentre la chaleur dans une maison au lieu de l'expulser). Commençons par une pompe à chaleur air-air, qui est en gros un climatiseur à l'envers :

• Étape 1 : À pression atmosphérique normale, le fluide frigorigène a un point d'ébullition extrêmement bas, autour de -50 °C (-58 °F). Le cycle commence avec un mélange liquide-vapeur très froid, à très basse pression et proche de son point d'ébullition.
  Il passe dans un serpentin appelé évaporateur et commence à absorber la chaleur de l'air extérieur (soufflé sur le serpentin par un ventilateur). Comme le fluide frigorigène est très froid, il absorbe de la chaleur même quand il fait relativement froid dehors - même à des températures de l'air sous zéro (°C)^† - tant que l'air reste plus chaud que le fluide frigorigène lui-même. En absorbant de la chaleur, il se réchauffe et, une fois au-dessus de son faible point d'ébullition, s'évapore en gaz. Ce faisant, il absorbe encore plus d'énergie, c'est-à-dire sa chaleur latente.
• Étape 2 : Le fluide frigorigène est maintenant entièrement sous forme de vapeur gazeuse à basse pression. Il est encore relativement frais (au plus à la température de l'air extérieur), mais grâce à la chaleur latente supplémentaire qu'il a absorbée, il contient une quantité d'énergie considérable.
  Le gaz frigorigène passe ensuite dans un compresseur. Celui-ci met le gaz sous pression et le comprime, rapprochant les molécules et concentrant toute leur énergie dans un espace plus petit (c'est-à-dire que les molécules se heurtent plus souvent, donc leur énergie cinétique augmente), et la température augmente.
  C'est cette compression qui chauffe la vapeur. Le fluide frigorigène est maintenant assez chaud, généralement autour de 50-70 °C (120-160 °F) - assez chaud pour rester un gaz, même si son point d'ébullition a lui aussi augmenté.
• Étape 3 : Le fluide frigorigène passe ensuite dans l'unité intérieure et dans un autre serpentin appelé condenseur. Le fluide frigorigène est maintenant bien plus chaud (son énergie est plus concentrée) que l'air intérieur, donc la chaleur est naturellement libérée et se diffuse dans la pièce. En faisant cela, il refroidit. Il n'a pas besoin de beaucoup refroidir pour passer sous son nouveau point d'ébullition, augmenté par la pression plus élevée dans le serpentin du condenseur. Il se condense alors facilement de nouveau en liquide et libère cette énorme quantité d'énergie latente - assez pour chauffer une pièce entière ou une maison.
• Étape 4 : Le fluide frigorigène est maintenant un liquide frais (proche de la température ambiante) à haute pression, ayant perdu la majeure partie de son énergie thermique, et passe dans un détendeur qui fait baisser la pression. Cela réduit la pression dans le tuyau et permet au fluide frigorigène de se détendre - ses molécules peuvent ainsi s'écarter et laisser l'énergie restante se dissiper vers l'extérieur. Le fluide frigorigène redevient alors un mélange liquide-vapeur et devient soudain très froid, prêt à recommencer le cycle et à repasser dans l'évaporateur pour récupérer plus de chaleur.

Cela montre comment jouer sur la pression, les changements d'état et la chaleur latente peut déplacer de grandes quantités d'énergie, bien plus que ce qui pourrait être déplacé par de simples écarts de température avec la seule chaleur sensible. À l'inverse, l'eau chaude de ton radiateur perd vite sa chaleur sensible que tu peux sentir (qui, on le sait, est assez faible comparée à la chaleur latente), donc pour chauffer une pièce entière, il faut constamment y faire circuler davantage d'eau chaude par tes radiateurs. Le débit du fluide frigorigène dans une pompe à chaleur peut être bien plus faible pour fournir la même quantité de chaleur. Heureusement, les pompes à chaleur peuvent aussi être associées à des chaudières et à des systèmes de chauffage à eau pour transférer la chaleur à l'eau qui circule dans tes radiateurs, ton chauffage au sol et ton eau chaude sanitaire (voir Types de pompes à chaleur).

^† Remarque : La chaleur ou l'énergie thermique reste présente même quand la température est sous 0 °C - elle est juste très dispersée. Le 0 °C est lui-même un repère arbitraire sur une échelle de température continue (l'échelle Celsius), basée sur le point de fusion/congélation de l'eau à pression atmosphérique normale. L'échelle Celsius peut donc descendre sous zéro, vers des nombres négatifs.

Le véritable « zéro absolu » repose sur une échelle absolue de l'énergie (l'échelle Kelvin), qui indique la température la plus basse théoriquement possible pour tout composé, où l'énergie est à son minimum absolu. L'échelle Kelvin ne descend pas sous 0 K, ce qui correspond à -273 °C, car on ne peut pas avoir d'énergie négative. Au-dessus de cette température, une pompe à chaleur peut théoriquement fonctionner. En pratique, les pompes à chaleur modernes peuvent extraire de l'énergie d'un air aussi froid que -20 °C (c'est-à-dire 253 K). Si les performances sont mauvaises à des températures supérieures à celles-ci, c'est généralement dû à la conception ou à l'installation plutôt qu'à la technologie elle-même.

Les pompes à chaleur utilisent l'électricité pour déplacer la chaleur d'un endroit à un autre, plutôt que pour la produire. À l'inverse, les systèmes de chauffage classiques produisent de la chaleur, soit par résistance électrique (« chauffage résistif », utilisé dans les radiateurs électriques), soit en brûlant des combustibles fossiles comme le charbon ou le gaz dans un générateur d’air chaud ou une chaudière.

Cela rend les pompes à chaleur bien plus efficaces. Au mieux, un générateur d’air chaud ou une chaudière classique au gaz peut atteindre environ 90 % de rendement - une partie de l'énergie issue de la combustion s'échappe inévitablement avec les fumées chaudes lorsque de la vapeur d'eau est libérée (sous forme d'énergie latente non captée). Pour les radiateurs électriques, l'électricité du réseau - produite en brûlant des combustibles fossiles et acheminée depuis les centrales par des transformateurs et des kilomètres de lignes électriques - ne représente qu'environ 40 % de l'énergie chimique initialement contenue dans ces combustibles fossiles brûlés ailleurs.

Les pompes à chaleur, elles, consomment une quantité d'électricité relativement faible pour faire tourner les ventilateurs des unités intérieure et extérieure et alimenter le compresseur. Le fluide frigorigène dans le circuit change d'état lors d'un processus naturel et spontané - la pompe à chaleur crée simplement les bonnes conditions pour que cela arrive. Une pompe à chaleur bien conçue et bien installée peut donc déplacer plus de trois fois l'énergie qu'elle consomme en électricité (c'est-à-dire 300 %). Dans des conditions idéales (voir Systèmes de chauffage), ce rapport peut dépasser 5, voire atteindre 8 (500-800 %).

Rendement = L'énergie produite (la chaleur que tu reçois) ÷ L'énergie ou le combustible consommé (ce que tu paies)

Selon l'endroit où tu vis, les prix de l'électricité sont généralement bien plus élevés que ceux du gaz. Par exemple, au Royaume-Uni, l'électricité coûte environ trois fois le prix du gaz. Mais comme les pompes à chaleur peuvent fonctionner avec un rendement supérieur à 300 %, elles peuvent coûter moins cher à utiliser que les chaudières au gaz - surtout à mesure que l'écart de prix entre l'électricité et le gaz se réduit avec des réseaux plus verts et de nouvelles politiques, et que le prix de l'électricité baisse.

L'option la moins chère et la plus efficace est de faire fonctionner les pompes à chaleur avec de l'électricité renouvelable. Mais même si une pompe à chaleur est alimentée par une électricité produite à partir de combustibles fossiles, elle peut rester plus efficace et moins chère que les systèmes de chauffage classiques. Une pompe à chaleur avec un rendement de seulement 2,5 ne peut peut-être utiliser que 40 % de l'énergie initiale du gaz naturel brûlé dans la centrale, mais en utilisant cette électricité pour déplacer 2,5 fois l'énergie consommée, elle fait passer ces 40 % à 100 % - et dépasse ainsi même les 90 % de rendement obtenus en brûlant le gaz sur place.

La façon dont le rendement d'une pompe à chaleur se traduit en performance réelle et en coûts d'utilisation dépend de :

• La taille de la maison : les grandes maisons ont besoin de plus d'énergie pour être chauffées.
• L'isolation : les maisons bien isolées gardent la chaleur et permettent aux pompes de fonctionner à des températures plus basses, avec un meilleur rendement.
• La conception et l'installation du système : une mauvaise installation ou des appareils anciens peuvent mal fonctionner et coûter plus cher qu'une chaudière, mais des appareils modernes bien installés peuvent faire économiser beaucoup d'argent.

Il existe plusieurs types de pompes à chaleur, mais toutes reposent sur les mêmes grands principes. Les plus courantes récupèrent la chaleur de l'air :

• Les pompes à chaleur air-air sont en gros des climatiseurs à l'envers. Les deux types de systèmes utilisent deux échangeurs de chaleur à ventilo-convecteurs, où un ventilateur fait passer l'air sur chaque serpentin contenant le fluide frigorigène afin d'absorber ou de libérer de la chaleur. Elles diffèrent très peu des climatiseurs, sauf que le fluide frigorigène déplace la chaleur dans l'autre sens - dans les climatiseurs, l'évaporateur se trouve à l'intérieur pour absorber la chaleur, et le condenseur est dehors pour la libérer.
  Les pompes à chaleur air-air peuvent chauffer les pièces plus vite et sont parfois réversibles pour les refroidir. Ici, l'évaporateur et le condenseur sont interchangeables, et une vanne supplémentaire inverse le flux du fluide frigorigène sans avoir besoin d'inverser le compresseur. Cela peut aussi apporter les avantages de la climatisation et de la déshumidification : le serpentin de l'évaporateur absorbe la chaleur autour de lui et rend donc tout ce qui l'entoure très froid - la vapeur d'eau se condense hors de l'air au contact du serpentin, ce qui réduit ainsi l'humidité dans la pièce.
  Elles sont moins chères et faciles à placer autour des meubles ; mais elles sont généralement moins confortables dans les pièces à vivre (elles peuvent être bruyantes, souffler fort et créer des mouvements d'air turbulents, tout en dépassant puis en restant sous la température visée), et il est plus difficile de répartir la chaleur dans toute la maison, ce qui demande souvent plusieurs unités intérieures dans différentes pièces, ou un réseau de gaines pour envoyer de l'air chaud dans tout le bâtiment. En plus, il faut toujours une forme de chauffage supplémentaire pour l'eau chaude sanitaire.
• Les pompes à chaleur air-eau utilisent un serpentin ou un échangeur de chaleur à plaque métallique pour transférer la chaleur du fluide frigorigène à l'eau qui circule dans tes radiateurs et ton chauffage au sol, ou à l'eau de ton ballon d'eau chaude sanitaire (ce sont des systèmes séparés ; tu n'as pas envie de te laver dans l'eau des radiateurs !). Ces systèmes mettent plus de temps à chauffer, mais aussi à refroidir. Ils conviennent donc à un environnement plus confortable et stable. Ton ballon d'eau chaude peut aussi servir de forme de stockage d'énergie. Mais ils sont bien plus chers et peuvent demander d'importants travaux sur les tuyaux et les radiateurs (qui prennent de la place sur les murs et peuvent être bloqués par des meubles). Et certains endroits, comme les États-Unis, n'ont peut-être pas déjà de systèmes à eau installés.
• Les systèmes combinés peuvent utiliser à la fois des radiateurs et des ventilo-convecteurs, selon la pièce, par ex. des radiateurs dans les salles de bains et des unités à ventilateur dans les autres pièces. Pendant ce temps, les systèmes de récupération de chaleur peuvent utiliser la chaleur extraite par les systèmes de climatisation qui serait normalement rejetée dehors en été et l'utiliser plutôt pour chauffer l'eau chaude sanitaire.

Les unités de pompes à chaleur aérothermiques existent aussi dans différentes configurations :

• Les unités split sont historiquement les plus courantes, avec un échangeur de chaleur placé à l'intérieur et un autre à l'extérieur. Le compresseur et le détendeur sont généralement placés dans l'unité extérieure afin de limiter le bruit et de prendre moins de place à l'intérieur. Des tuyaux de fluide frigorigène relient alors l'extérieur à l'intérieur, où les unités peuvent être éloignées l'une de l'autre pour mieux utiliser l'espace.
• Les unités monobloc sont désormais de plus en plus populaires. Ces unités sont généralement des pompes à chaleur air-eau, dont les deux échangeurs de chaleur et tout le circuit de fluide frigorigène se trouvent dans une seule unité extérieure, avec des tuyaux qui alimentent les radiateurs intérieurs en eau chaude. Cela évite d'avoir besoin de tuyaux de fluide frigorigène fabriqués sur mesure qui entrent et sortent de la maison, ce qui réduit le temps, le coût et les risques.

Les pompes à chaleur aérothermiques fonctionnent bien dans la plupart des conditions, même si elles peuvent peiner sous -20 °C. Comme les climatiseurs peuvent déshumidifier l'air, en hiver, de l'eau peut se condenser et geler sur le serpentin ou l'unité extérieure, provoquant une accumulation de givre. Cela peut être facile à régler (par ex. les systèmes inversent automatiquement et temporairement le cycle frigorifique pour laisser fondre le givre), mais cela peut réduire le rendement moyen au fil du temps (même s'il existe de nouvelles technologies actives de dégivrage ou de prévention du givre).

Les pompes à chaleur géothermiques sont généralement plus efficaces et performantes à basse température, car les températures du sol sont plus stables et régulières que celles de l'air, surtout en hiver, quand le chauffage est le plus nécessaire. Elles utilisent un autre circuit fermé de fluide en circulation (généralement un mélange d'eau et d'antigel) appelé capteur, qui absorbe la chaleur du sol (ou y dépose de la chaleur s'il fonctionne à l'envers pour refroidir) et transfère la chaleur au fluide frigorigène via l'évaporateur. Il existe deux grands types de capteurs :

• Les réseaux horizontaux utilisent des tuyaux posés dans des tranchées peu profondes. Plus les tuyaux sont espacés (moins regroupés), plus ils peuvent extraire de chaleur, et plus ils sont efficaces. Cela réduit aussi le risque d'extraire tant de chaleur que le sol gèle (ce qui peut être très dommageable). Les capteurs les plus efficaces couvrent autant de terrain que possible avec une seule boucle continue.
• Les réseaux verticaux demandent beaucoup moins d'espace et s'enfoncent profondément dans le sol (dans la limite de ce que permettent les infrastructures souterraines existantes - une étude du sol est nécessaire !). Ils existent dans deux configurations différentes :
• • Circuit fermé - un forage profond est creusé avec une seule longue boucle de tuyau, puis rebouché. Plusieurs forages peuvent être nécessaires pour une maison classique, selon la profondeur de chacun.
  • Les circuits ouverts utilisent les aquifères, c'est-à-dire qu'ils utilisent directement l'eau souterraine comme fluide de transfert de chaleur qui circule dans la boucle du capteur. Ils sont plus efficaces (ils ont un point ou une barrière de transfert de chaleur en moins) mais demandent davantage de compétences et d'entretien (une eau sale impose de nettoyer régulièrement les filtres du système).

Les pompes à chaleur géothermiques dépendent souvent de l'eau présente dans le sol pour conduire et renouveler la chaleur, ce qui dépend de la porosité et de la perméabilité du sol. Une option plus simple consiste à extraire directement la chaleur d'une étendue d'eau.

Les pompes à chaleur hydrothermiques peuvent être encore plus efficaces et stables que les pompes à chaleur géothermiques et utilisent des circuits fermés ou ouverts de la même façon : un circuit fermé séparé de fluide caloporteur passant dans l'eau, ou directement l'eau de la source (ce qui améliore encore le rendement mais demande un nettoyage régulier). La vitesse à laquelle l'eau (et donc la chaleur disponible) se renouvelle est importante - l'eau courante peut être plus efficace que l'eau stagnante sans courants actifs qui renouvellent l'eau voisine. Il est aussi préférable de capter la chaleur en amont et de rejeter l'eau utilisée, appauvrie en chaleur, en aval, pour maximiser le rendement et éviter de faire recirculer une eau plus froide déjà utilisée.

Les pompes à chaleur géothermiques et hydrothermiques impliquent des coûts d'installation initiaux bien plus élevés et demandent assez d'espace ou d'eau, mais, grâce à leur meilleur rendement, elles peuvent permettre de plus grandes économies de fonctionnement avec le temps. Mais les pompes à chaleur aérothermiques se sont énormément améliorées et ont rééquilibré la donne - on insiste désormais moins sur la température et la stabilité de la source de chaleur, et davantage sur l'optimisation de la conception hydraulique et du système de chauffage lui-même.

Capteurs et contrôle du système :

• Thermostats intelligents - peuvent aider à garder un chauffage stable en modulant finement la température par de petits ajustements, au lieu d’éteindre et de rallumer sans cesse le chauffage.
• Compensation météo - le chauffage est ajusté à l’avance grâce à des capteurs qui détectent la température extérieure, avant qu’elle n’ait influencé la température chez toi.

Températures de l’eau du système hydraulique :

• Des radiateurs plus grands et des ballons d’eau plus grands peuvent contenir plus d’eau et donc plus d’énergie thermique à une température donnée. Cela veut dire qu’ils peuvent garder l’eau à des températures plus basses pour stocker autant de chaleur que des ballons ou radiateurs plus petits (c’est-à-dire avec une densité thermique plus faible). Cela réduit les écarts de température entre l’eau et ce qui l’entoure, ce qui ralentit le transfert de chaleur. Même si cela ralentit la vitesse à laquelle le système chauffe ta maison, les radiateurs plus grands offrent aussi davantage de surface pour libérer la chaleur, ce qui compense le transfert plus lent. Cela augmente aussi la stabilité en fournissant la chaleur plus régulièrement et en ralentissant les pertes de chaleur indésirables et inutiles des ballons et des tuyaux qui les relient.
  De plus, cela permet au système de chauffage de fonctionner globalement avec des températures de départ plus basses. Comme le fluide frigorigène doit être plus chaud que l’eau pour que la chaleur passe dans celle-ci, une eau plus froide permet de maintenir plus basse la température cible du fluide frigorigène. La source de chaleur doit toujours être plus chaude pour provoquer le transfert de chaleur, donc une température de départ ou de ballon plus élevée oblige une pompe à chaleur à fonctionner plus chaud, tandis que des températures de départ ou de ballon plus basses permettent aussi au fluide frigorigène d’être moins chaud.
  Une température cible plus basse du fluide frigorigène signifie aussi un plus petit écart de température avec la source de chaleur extérieure que la pompe à chaleur doit surmonter. Le compresseur a donc moins de travail à faire pour augmenter la pression et la température du fluide frigorigène, ce qui réduit la consommation d’électricité et améliore le rendement.
• La stratification (c’est-à-dire la formation naturelle d’un gradient de température - ou « thermocline » - dans ton ballon d’eau) peut aider à abaisser la température de l’eau qui reçoit la chaleur du fluide frigorigène, augmentant ainsi la vitesse de transfert de chaleur ou réduisant le besoin d’un fluide frigorigène plus chaud. Il vaut donc mieux placer le serpentin de l’échangeur de chaleur au fond du ballon, où l’eau plus froide et plus lourde se trouve sous l’eau plus chaude.
  Pour cette raison, il vaut mieux avoir des ballons plus hauts et plus fins qui accentuent cette thermocline, et diriger vers le bas du ballon l’eau froide qui revient des radiateurs de la maison avec le reste de l’eau froide (à faible pression et faible vitesse pour éviter de remuer l’eau déjà dans le ballon).

Tuyaux et échangeurs de chaleur :

• Des échangeurs de chaleur plus puissants peuvent chauffer l’eau plus vite ou avec de plus petits écarts de température dans tout le système. Par exemple, des serpentins plus longs ou nervurés ont une plus grande surface et peuvent donc améliorer le transfert de chaleur. Mais :
• • Si le trajet d’écoulement est trop long ou trop étroit, il limitera le débit du fluide frigorigène et donc l’apport de chaleur. La pompe devra alors travailler davantage, en augmentant la température d’entrée nécessaire du fluide frigorigène dans la pompe à chaleur.
  • Si le diamètre intérieur du serpentin est trop large, la pression baissera et le fluide circulera trop lentement, ce qui permettra à une couche isolante de se former sur le bord du tuyau et limitera le transfert de chaleur.
  
  Cela vaut aussi pour les tuyaux d'eau et les serpentins qui vont jusqu'à tes radiateurs et les traversent. Les tuyaux doivent être réglés et équilibrés avec précision pour maximiser le transfert de chaleur au radiateur tout en limitant les pertes de chaleur dans les tuyaux de raccordement.

(Contenu bonus basé sur des informations de Technology Connections & Heat Geek)