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Quelles sources d'énergies sont-elles utilisés par les pompes à chaleur, et quels types d'énergies produisent-elles?
Les Pompes à chaleur produisent 100% de leur capacité énergétique à l'aide de 75% de chaleur de provenance naturelle et à l'aide de 25% d'énergie provenant de sources artificielles (principalement de l'électricité, accessoirement du gaz ou d'autres combustibles) soit 100% de chaleur utile pouvant servir pour le chauffage de bâtiment ou la préparation de l'eau chaude sanitaire. On trouve ces sources de chaleur naturelles et vertes pour ainsi dire partout ou presque. L'air, la terre et l'eau renferment des quantités importantes d'énergie, sans cesse naturellement renouvelée provenant du rayonnement solaire, des précipitations ou du flux de chaleur du sous-sol.
L'air comme source de chaleur
L'air ambiant est naturellement présent partout, disponible en très grande quantité et peut être utilisé facilement comme source de chaleur. Son utilisation est gratuite et n'est sujette à aucune autorisation particulière (éventuellement un permis de construire pour l'installation de la PAC). Les pompes à chaleur air-eau réhaussent le niveau d'énergie et transmettent la chaleur prise dans l'air ambiant à un système de distribution conventionnel (chauffage au sol, radiateurs) et/ou à un chauffe-eau. Bien moins fréquentes, les pompes à chaleur air-air transmettent cette même chaleur à un système de ventilation.
L'air ambiant est acheminé depuis la prise d'air par un canal de ventilation jusqu'à la pompe à chaleur. Une fois utilisé, cet air, plus froid de quelques degrés est évacué par un second canal. Le captage d'énergie dans l'air ambiant se base donc sur un échange thermique entre l'air extérieur et le fluide frigorigène de la PAC, dans l'évaporateur de cette dernière. La source d'énergie est inépuisable et constamment renouvelée par les apports solaires quotidiens et saisonniers, au sein de cette formidable machine thermique qu'est l'atmosphère terrestre.
Le sol comme source de chaleur (géothermie)
L'énergie accumulée de façon naturelle et sans cesse renouvelée dans le sous-sol est relativement facile à utiliser par le biais de sondes géothermiques verticales pouvant aller jusqu'à 300 mètres de profondeur. L'installation de sondes géothermiques reste soumise à autorisation (canton, commune). Il existe d'autres possibilités d'exploiter la chaleur du sol: par exemple, des pieux énergétiques, des corbeilles géothermiques, des géostructures énergétiques ou des capteurs horizontaux. L'installation de tels systèmes peut être soumise à autorisation.
Tous ces systèmes ont en commun de fonctionner en circuit fermé. Il n'y a pas d'échange physique de matière qui s'effectue dans le sol, uniquement de la chaleur. C'est par le biais d'un fluide caloporteur ("littéralement: qui transporte l'énergie") circulant généralement dans deux tubes en U que l'énergie du sous-sol est puisée. Ce type de PAC est nommé "sol-eau" ou également "saumure-eau", étant donnée que c'est généralement une saumure à base d'eau et d'antigel qui est utilisée comme fluide caloporteur. La source de chaleur souterraine peut aussi servir à réaliser du rafraichissement estival passif de bâtiment.
Plus de 99% de la masse du globe terrestre est à une température supérieure à 1000 degrés. Le flux de chaleur géothermique se propage de l'intérieur vers l'extérieur de notre planète. Sous nos pieds, la température du sous-sol augmente en moyenne de 3°C tous les 100 mètres. A 300 m. de profondeur, la température s'élève donc à 9°C +la valeur de la température annuelle moyenne du lieu. Par exemple, pour une localité sur le Plateau suisse où la tempéture annuelle moyenne est de 9°C, à 300 mètres sous cette localité, la température du sous-sol sera de 9 + (3 x 3) = 18°C. L'échangeur de chaleur qu'est une sonde géothermique capte littéralement en 3D le flux de chaleur géothermique conductif provenant des entrailles de la Terre. Pour pouvoir compter sur une installation "sol-eau" réussie, un point très important est de dimensionner correctement la longueur de l'échangeur thermique "sonde". Cela dépend notamment de la nature des couches composant le sous-sol. Depuis 2010, la norme SIA 384/6 réglemente le dimensionnement et la réalisation de sondes géothermiques.
L'eau comme source de chaleur
Les eaux souterraines ont une température quasi-constante tout au long de l'année ce qui en fait une source d'énergie idéale pour une pompe à chaleur. Les eaux de surface (lacs, fleuves, rivières et ruisseaux) peuvent également être utilisées comme source de chaleur. L'installation de pompe à chaleur eau-eau est toujours soumise à autorisation et à concession (canton et commune).
Le captage de la source d'énergie, – de l'eau souterraine dans ce cas – se fait par la réalisation d'un puits atteignant la nappe phréatique. Après un examen hydrogéologique préliminaire (effectué par un hydrogéologue) et d'éventuelles analyses d'eau complémentaires, le puits peut être mis en exploitation. Une canalisation transporte l'eau pompée dans la nappe jusqu'à la pompe à chaleur. Une fois refroidie, l'eau est remise en circulation, dans son système d'origine par un forage de réinjection, en aval hydraulique du forage de captage. Ce système de pompe à chaleur est dit à système ouvert. L'eau des nappes phréatique comme source d'énergie peut aussi servir à faire du rafraichissement et pas seulement à chauffer.
La quantité de chaleur puisée dans l'eau souterraine ou de surface est immédiatement et naturellement renouvelée par l'apport continu d'eau nouvelle s'écoulant dans la nappe phréatique.