Une pompe à chaleur au gaz naturel est un dispositif thermodynamique permettant de transférer la chaleur d'un milieu froid (et donc le refroidir encore) vers un milieu chaud (et donc de le chauffer davantage).

Il existe deux types de pompes à chaleur gaz naturel qui ont toutes deux des applications dans le cadre de la thermique du bâtiment pour le chauffage et la climatisation de ceux-ci : les pompes à chaleur à compression gaz naturel (ou pompes à chaleur moteur gaz naturel), les pompes à chaleur à absorption gaz naturel.

Les pompes à chaleur à compression gaz naturel

Définition Les pompes à chaleur gaz naturel sont des technologies qui misent sur la complémentarité des énergies entre le gaz naturel et les énergies renouvelables, puisées aussi bien dans l’air, le sol mais aussi en récupération (eaux usées, air extrait).

Les pompes à chaleur gaz naturel sont des équipements au service des objectifs de la transition énergétique, permettant le développement des énergies renouvelables contribuant à la réduction des émissions de . Elles permettent de surcroît la limitation de Pointe de consommation électrique liée à la production d’électricité thermique (centrales charbon, TAC fioul…).

Principe de fonctionnement Les PAC à compression gaz naturel (appelées également PAC moteur gaz naturel) ont un fonctionnement très similaire aux PAC à compression électrique : le cycle frigorifique est identique. Le compresseur n’est cependant pas entraîné par un moteur électrique mais par un moteur à combustion interne fonctionnant au gaz naturel (moteur dérivé de l’industrie automobile). La spécificité de ces machines tient dans la valorisation de l’énergie dégagée par le refroidissement du moteur et des gaz brûlés qui permet une optimisation de son fonctionnement.

Performances énergétiques D’un point de vue énergétique, leurs performances sont en moyenne supérieures de 30 % par rapport aux chaudières à condensation du marché. En effet, selon les constructeurs, les PAC moteur gaz affichent des COP sur énergie primaire de l’ordre de ) (soit un « COP équivalent électrique » de 3,9) et un EER de 1,4 (PCI) aux conditions nominales (EER équivalent électrique de 3,6).

La récupération d’énergie sur le moteur

La spécificité de ces machines est la récupération d’énergie provenant du refroidissement nécessaire du moteur thermique ainsi que de celui des gaz brûlés. Celle-ci a deux conséquences sur les performances et les modalités de fonctionnement. En saison de chauffage, la récupération d’énergie sert au quasi-maintien de la puissance de chauffage désirée même par très basse température extérieure (sans appoint jusqu’à -). Sur certains modèles, cela permet de s’affranchir de tout cycle de dégivrage. En mode climatisation, cette énergie peut être valorisée, pour la production d’eau chaude sanitaire (ECS) le plus souvent. Celle-ci est alors produite sans autre consommation de gaz naturel. Selon les constructeurs, l’efficacité globale climatisation et production d’ECS peut atteindre un EER de 2 (sur PCI), soit un .

Acoustique Malgré la présence d’un moteur à combustion interne, les niveaux sonores mesurés sont équivalents à ceux des PAC électriques. Les machines sont équipées d'une isolation phonique renforcée et le moteur est posé sur silentblocs. Par ailleurs, les constructeurs préconisent des raccordements flexibles et plots antivibratiles qui permettent une isolation de la machine vis-à-vis du bâtiment, minimisant ainsi la transmission de vibrations. L'admission d'air comburant et l'évacuation des gaz d'échappement doivent bien sûr être traitées phoniquement.

Maintenance

La maintenance est très similaire aux PAC électriques classiques puisque le circuit frigorifique est identique. La présence du moteur implique une intervention supplémentaire toutes les (soit de fonctionnement environ) durant laquelle une vidange et le remplacement des différents filtres et bougies sont effectués.

Durée de vie En effectuant la maintenance préconisée par les constructeurs, les PAC moteur gaz ont une durée de vie de l’ordre d’une quinzaine d’années, correspondant à une durée de vie moteur de .

Gamme de produits disponible sur le marché français Les PAC moteur gaz, très largement utilisées au Japon (marché de par an) sont disponibles sur le marché français. Les PAC commercialisées en France sont toutes réversibles (production de chaud et/ou de froid), elles produisent du chauffage, de la climatisation et l’eau chaude sanitaire par récupération d’énergie sur le moteur. Aérothermiques, elles existent en deux versions : type air/air (type DRV) en version deux tubes (chaud et froid successifs) et trois tubes (chaud et froid simultanés) et en version air/eau avec l’ajout d’un module hydraulique optionnel. Trois constructeurs (Sanyo, AISIN Toyota et YANMAR) distribuent des machines dont les puissances chaud/froid varient de / à / . La gamme de puissance disponible en fait des machines adaptées aux petits et moyens bâtiments tertiaires chauffés et climatisés, tant dans le neuf que dans l’existant. En additionnant plusieurs modules, la gamme peut couvrir les besoins de chauffage et de climatisation de bâtiment de surface comprise entre 500 et environ.

En complément de ces unités pour les applications tertiaires et industrielles, il existe des pompes à chaleur moteur gaz de forte puissance couvrant une gamme de . Ces unités EnerTermoPac (ETP) de fabrication Française existent en version air-eau et eau-eau. Ces pompes à chaleur hybrides présentent l'avantage de pouvoir fonctionner au gaz naturel comme avec l'électricité du réseau en fonction de différents critères tels que la disponibilité des énergies, le coût d'exploitation ou le rendement sur énergie primaire. Pour des applications spécifiques comme les bâtiments de santé ou les piscines, l'EnerTermoPac thermofrigopompe peut produire simultanément de l'eau glacée et de l'eau chaude jusqu'à des rendements de 240% sur PCI. Des options adaptées au marché Français sont disponibles comme le fonctionnement à débit d'eau variable, carrosserie en Inox, la production d'électricité de secours, toit débordant pour abriter du soleil ou des intempéries les techniciens.

Un écran tactile couleur de grande dimension permet à l'utilisateur de paramétrer au mieux l'EnerTermoPac ETP afin de garantir une performance optimale dans le temps. Le constructeur assure pendant la période de garantie une télésurveillance à distance pour apporter le conseil et les relevés nécessaires aux différents acteurs (Bureau d'études, exploitant...).

Pompes à chaleur à absorption gaz naturel

Rappels Pour rappel, une pompe à chaleur classique se compose de cinq composants fondamentaux : un fluide frigorigène dont on provoque les changements d'état pour qu'il prenne ou cède principalement sa chaleur latente à l'endroit voulu ; un compresseur, dont le rôle est de fournir l'énergie mécanique au fluide frigorigène pour lui permettre d'évoluer ; un condenseur où le fluide frigorigène se condense et cède l'énergie au milieu que l'on veut chauffer ; un réducteur de pressionqui peut être un simple orifice calibré, un tube capillaire adéquat ou un appareil plus élaboré., souvent improprement appelé détendeurÀ ce niveau, le fluide frigorigène se trouve en phase liquide. Il ne se détend donc pas (c'est une propriété des gaz) mais perd sa pression., qui permet d'abaisser le point d'ébullition du fluide frigorigène ; un évaporateur où le fluide frigorigène s'évapore en prenant l'énergie nécessaire au milieu que l'on veut refroidir. Après être passé dans l'évaporateur, le fluide frigorigène revient au compresseur et le cycle frigorifique recommence.

Principe de fonctionnement Dans une pompe à chaleur à absorption gaz naturel, deux des composants diffèrent sensiblement d'une pompe à chaleur classique : le fluide frigorigène et le compresseur. Les trois autres composants, certes adaptés, s'y retrouvent avec la même finalité.

Le fluide frigorigène

Dans une pompe à chaleur à absorption gaz naturel, le fluide frigorigène est associé à un sorbant, ces deux éléments formant un couple.

Le sorbant doit pouvoir absorber le fluide frigorigène à une certaine température et à une certaine pression et le désorber (le libérer) à d'autres températures et pressions.

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Le compresseur Dans une pompe à chaleur à absorption gaz naturel, il n'y a pas de compresseur mécanique. le fluide frigorigène évolue grâce à une réaction réversible dite « thermochimique » fonctionnant de la manière suivante : en revenant de l'évaporateur, le fluide frigorigène pur arrive en phase gazeuse à basse température et pression dans une enceinte d'absorption où il retrouve le sorbant qui l'absorbe ; une pompe augmente la pression du sorbant plus ou moins saturé de fluide frigorigène et le transfère dans une autre enceinte assimilable à une chaudière ; dans la « chaudière », le sorbant est chauffé par un brûleur à gaz naturel, ce qui libère le fluide frigorigène ; ce dernier se trouve alors en phase gazeuse à haute température et pression et est dirigé vers le condenseur ; un réducteur de pression permet au sorbant liquide plus ou moins pur de retourner dans l'enceinte d'absorption.

En cas d'utilisation d'un sorbant solide, ce dernier est solidaire d'un disque rotatif placé à cheval sur les deux enceintes, la première moitié absorbant le fluide frigorigène, l'autre moitié le libérant par chauffage.

C'est la libération du fluide frigorigène qui fait monter la pression (comme dans une chaudière à vapeur ou un autocuiseur), ce qui permet au fluide frigorigène d'évoluer. L'absence de pompe avec un sorbant solide le montre bien.

La chaleur spécifique de sorption n'a que peu d'importance puisqu'elle est d'abord soustraite puis additionnée au couple sorbant / fluide frigorigène.

Performances énergétiques L’efficacité des PAC à absorption gaz, caractérisée par le coefficient de performance sur énergie primaire (COP) peut atteindre 1,7 (soit un COP ) pour la version géothermique et 1,65 (soit un « COP équivalent électrique » de 4,3) pour la version aérothermique (avec de gaz consommé, les PAC à absorption gaz produisent jusqu’à de chaleur utile). En matière de performance annuelle sur énergie primaire, une PAC à absorption gaz aérothermique ou géothermique permet une économie d'énergie de par rapport à une chaudière à condensation.

Etiquette énergétique Depuis le , la directive-cadre Éco-conception, plus communément appelée directive Ecodesign, ainsi que la directive sur l’étiquetage énergétique s’appliquent à la « Pompe à Chaleur gaz à absorption », qui bénéficie d'une étiquette A++.

Grâce à l’élargissement de la gamme vers les petites puissances, les pompes à chaleur à absorption gaz vont constituer progressivement une solution très performante pour la rénovation de la maison individuelle. Les pompes à chaleur gaz individuelles devraient commencer à prendre des parts de marché à hauteur de plusieurs milliers de pièces par an d’ici quelques années.

Caractéristiques techniques Les pompes à chaleur à absorption gaz naturel destinées au chauffage (et éventuellement à la climatisation) des bâtiments se déclinent en deux versions : air / eau (aérothermique) eau / eau (géothermique)