Les pompes à chaleur géothermiques

Les PAC géothermiques puisent de la chaleur au niveau du sol pour la transférer au circuit de chauffage central de la maison. La température assez constante de la terre fait que le système est bien adapté au climat rigoureux. Il peut même rafraîchir presque gratuitement le logement sous certaines conditions. Pourtant, les PAC géothermiques restent un marché confidentiel car elles présentent des contraintes d’installation assez fortes à commencer par la nécessité d’avoir un jardin. Voici un guide pratique pour peser le pour et le contre de cette technologie peu répandue mais pourtant très performante.

• Fonctionnement
• Performances
• Captages
• Types
• Confort
• Paradoxe
• Prix
• Avantages et Inconvénients

Fonctionnement des pompes à chaleur géothermiques

Géo-Thermie, la chaleur de la terre : La terre emmagasine de l’énergie. En surface, elle reçoit l’énergie du soleil, de la pluie, du vent. Plus en profondeur, la chaleur provient des roches et du magma qui forment le noyau terrestre. Il s’agit donc d’une énergie gratuite, locale et renouvelable.

Température : Pour autant, cette énergie n’est pas directement exploitable. En effet, la chaleur dans le sol se situe autour de 12°C à partir de 10 mètres de profondeur. Or, nos chauffages fonctionnement plutôt entre 30°C (plancher chauffant) et 60°C (radiateurs classiques). Il faut donc élever le niveau de température entre la source froide (le sol) et la source chaude (le chauffage). C’est là qu’intervient la pompe à chaleur.

Pompe à chaleur : Son rôle est de permettre une élévation de la température entre les deux sources.

Pour cela, elle met en circulation un fluide frigorigène en circuit fermé qui va traverser 4 organes principaux : l’évaporateur, le compresseur, le condenseur et le détendeur (schéma : Ademe).

1. L’évaporateur utilise l’énergie du sous-sol pour vaporiser le fluide.
2. Le gaz est ensuite compressé ce qui augmente sa pression et sa température.
3. Le condenseur liquéfie le gaz ce qui abaisse sa température : l’énergie libérée est cédée au circuit de chauffage.
4. Le détendeur abaisse la pression du liquide pour faciliter sa future vaporisation.

Performances des pompes à chaleur géothermiques

Coefficient de performance (COP) : Ce cycle thermodynamique consomme de l’électricité, notamment au niveau du compresseur. Mais au final, la pompe à chaleur géothermique produit bien plus d’énergie qu’elle n’en consomme. On estime qu’elle consomme en moyenne 1 kWh d’électricité pour restituer 4 kWh de chaleur soit un COP de 4.

Performances constantes : Les performances sont en plus assez constantes sur l’année car la température du sol varie peu. Il n’y a donc pas besoin d’une énergie d’appoint contrairement aux PAC air-air ou air-eau dont les performances sont plus météo-sensibles. C’est pourquoi la pompe à chaleur géothermique est considérée à juste titre comme le système de PAC le plus performant.

Les PAC géothermiques peuvent chauffer l’eau chaude sanitaire sans appoint (JR Energie)

Augmenter encore les performances : Une pompe à chaleur est d’autant plus performante que la différence de température entre la source froide (le sol) et la source chaude (le chauffage) est faible. Autrement dit, moins on a besoin d’élever la température, mieux c’est.

Pour encore améliorer encore le COP, il faut donc privilégier les émetteurs basse température comme les planchers chauffants (35°C) ou les radiateurs basse température (45°C) plutôt que les radiateurs classiques (60°C).

Installation d’une PAC géothermique sur plancher chauffant (Ets Alsace Géo-Systèmes)

On peut aussi imaginer de capter une source plus chaude, en réalisant un forage plus profond par exemple.

Limite principale de la PAC : La principale limite des pompes à chaleur réside dans leur fiabilité et leur réparabilité. Il faut parfois changer un module complet voire la PAC en elle-même en cas de panne ce qui occasionne des coûts élevés de maintenance. L’Agence Qualité Construction note effectivement que les composants semblent être « relativement fragiles par rapport à d’autres appareils » et ne sont « pas réparables » pour la plupart d’entre eux. Les PAC sont également sensibles aux coupures et remises sous tension. Une fourniture de courant électrique de bonne qualité est donc indispensable. Les produits sont généralement garantis 2 ans avec des extensions de garantie payantes pouvant aller jusqu’à 7 ans selon les appareils.

Captage des pompes à chaleur géothermiques

Pour acheminer la chaleur de la terre vers la maison, il faut d’abord pouvoir la capter. On distingue principalement 3 types de captage qui présentent chacun des avantages et des inconvénients.

	Captage horizontal	Captage vertical (sol)	Captage vertical (eau)
Schéma (Ademe)
Principe	Des tubes sont enterrés entre 60 et 120 cm de profondeur. Ils forment un circuit fermé en boucle dans lequel circule de l’eau glycolée ou directement le fluide frigorigène. Pour limiter l’emprise au sol, il est possible de creuser plus profond et de superposer les capteurs.	Un tube dans lequel circule de l’eau glycolée est inséré dans un forage de 50 à 150 m de profondeur. Il est ensuite scellé par du ciment. Ce capteur est aussi appelé « sonde géothermique ». Il faut compter un espace de 10 mètres entre 2 forages.	Cette technique nécessite la présence d’une nappe phréatique à proximité du logement. Un premier forage est réalisé pour capter la chaleur de l’eau. Un second pour rejeter l’eau froide. Il n’y a donc pas de consommation d’eau.
Puissance extraite	20 à 25 W par m²	45 W par mètre linéaire	Selon le débit prélevé
Dimen- sionnement	La surface des capteurs est d’environ 1.5 à 2 fois la surface à chauffer. Soit 200 m² occupés dans le jardin pour une maison de 100 m².	On compte 1 à 3 forages pour une maison individuelle. Deux sondes pour une maison de 120 m² par exemple.	On prévoit un débit de 1 à 3 m3/h selon les performances de l’habitation. (150 à 200 L/H/kW)
Avantages	Solution la moins chère Facile à mettre en place	Température constante Emprise au sol minime
Inconvénients	Emprise au sol Plus météo sensible	Solution la plus chère Démarches administratives Entreprise très spécialisée

On retiendra que les capteurs horizontaux sont plus simples à poser mais qu’ils occupent une place importante et sont davantage soumis aux variations de température que les capteurs verticaux. Ces derniers ont une emprise au sol très faible (1 m² par sonde géothermique) et sont bien adaptés aux régions les plus froides. En contrepartie, les démarches administratives sont plus complexes.

Captage horizontal classique – captage horizontal avec superposition (limite de l’emprise au sol)

On peut aussi évoquer les corbeilles géothermiques qui sont à mi-chemin entre des capteurs horizontaux et verticaux. Elles sont constituées de tubes spiralés que l’on enterre à moins de 5 mètres de profondeur. Comptez 5 à 10 corbeilles géothermiques pour chauffer une maison individuelle.

Corbeille géothermique (Géo Clim Loire) – Forage vertical

Dans tous les cas, les capteurs ont une durée de vie supérieure à la pompe à chaleur et pourront être réutilisés. L’Ademe indique par exemple une durée de vie supérieure à 40 ans pour les capteurs enterrés.

Les différents types de pompes à chaleur géothermiques

Il existe plusieurs types de pompes à chaleur géothermiques. Celles qui contiennent le plus de fluide frigorigène à savoir les PAC « sol/sol » et « sol/eau » deviennent obsolètes. En effet, la réglementation tend à limiter au maximum l’utilisation des fluides qui sont de puissants gaz à effets de serre en cas de fuite.

A droite, la présence de 2 échangeurs permet de limiter la quantité de fluide frigorigène.

A l’inverse, les pompes à chaleur géothermiques « eau glycolée/eau » et « eau/eau » sont dites « à fluides intermédiaires ». De l’eau glycolée (sans danger pour l’environnement) circule dans les capteurs et dans le réseau de chauffage. L’utilisation du fluide frigorigène est ainsi limitée à sa fonction essentielle : l’échange de chaleur. Voici un comparatif des différents types de pompes à chaleur géothermiques que vous pouvez rencontrer :

On peut retenir que les pompes à chaleur géothermiques de type « eau glycolée/eau » deviennent le standard car elles sont compatibles avec un réseau de chauffage central et sont capables de produire du froid presque gratuitement en été (voir point suivant).

Si une nappe phréatique est disponible à proximité du logement, une pompe à chaleur « eau/eau » est également envisageable pour les mêmes raisons.

Installation d’une pompe à chaleur « eau / eau » pour chauffer une maison de 300 m² avec eau chaude sanitaire de 500L (Ets CNC Energie)

A noter que l’on retrouve parfois la PAC « eau/eau » présentée comme de « l’aquathermie » car le système puise de la chaleur dans l’eau d’une nappe (voire d’une rivière). Mais in fine, cette énergie provient de la terre ce qui explique son classement dans les PAC géothermiques.

Confort obtenu avec les pompes à chaleur géothermique

En hiver : Les PAC géothermiques « eau glycolée/eau » et « eau/eau » sont compatibles avec le chauffage central. Le plancher chauffant offre un excellent confort thermique en fournissant une chaleur proche de celle de l’air (35°C) sans aucun appareil visible. Il est toutefois difficile à installer en rénovation. A défaut, on optera pour des radiateurs basse température qui proposent également un bon confort (45°C) mais sont assez imposants.

Le plancher chauffant et les radiateurs basse température offrent un rayonnement très agréable.

En été : Les pompes à chaleur « eau glycolée/eau » et « eau/eau » sont capables de rafraîchir presque gratuitement le logement, c’est ce qu’on appelle le « freecooling » ou « géocooling ». Mais cette astuce ne concerne que les planchers chauffants. L’idée est de faire circuler l’eau des capteurs (autour de 12°C) directement dans le plancher chauffant, sans passer par la pompe à chaleur. Ainsi, les consommations d’électricité sont réduites au maximum et cela préserve en plus la PAC.

Installation d’une pompe à chaleur sur plancher chauffant avec rafraîchissement passif en été (Ets Alsace Géo-Systèmes)

L’Ademe estime que l’on peut produit 50 kWh de froid pour seulement 1 kWh consommé (énergie nécessaire au circulateur) soit un COP de 50. Difficile de faire plus économe.

Paradoxe des pompes à chaleur géothermiques

Vous l’aurez compris, les pompes à chaleur géothermiques sont des systèmes très performants qui peuvent se targuer de produire 4 fois plus d’énergie qu’ils n’en consomment. Pour autant, il se vend 3 pompes à chaleur géothermiques pour 1 000 pompes à chaleur aérothermiques selon Uniclima. Cela fait que les installateurs spécialisés et compétents sont plutôt rares.

Une des raisons de ce désamour vient peut-être de la complexité du système. Côté installateur, il est plus rapide de vendre une chaudière ou une pompe à chaleur aérothermique sans passer plusieurs heures à expliquer son fonctionnement.

Captage horizontal (Géothermique Normandie) et Captage vertical (Normandie Forage).

Côté particulier, l’étape du forage (capteurs verticaux) ou des tranchées dans le jardin (capteurs horizontaux) peut représenter un frein psychologique. Aussi, les PAC avec sondes géothermiques nécessitent le recours à deux professionnels : un premier pour le forage et second pour l’installation de chauffage.

En bref, il faut retenir que la pompe à chaleur géothermique, bien qu’elle soit très performante, ne vous sera pas forcément proposée de prime abord. Un projet d’équipement viendra plus probablement de votre initiative.

Prix des pompes à chaleur géothermiques

Le prix élevé des pompes à chaleur géothermiques ne joue pas non plus en leur faveur. Il faut en effet compter un prix moyen de 18 500€ TTC pour une PAC installée par un professionnel. Toutefois, comme le système est performant, il est éligible aux aides financières ce qui fait que le reste à charge se situera plutôt entre 4 500€ et 16 000€ selon vos revenus.

Le captage horizontal a le mérite d’être moins coûteux mais prend de la place (Al’ PAC Géothermie)

Il est à noter qu’une PAC géothermique avec un captage horizontal aura un coût inférieur à un système avec captage vertical. Comptez autour de 13 000€ dans le premier cas contre plutôt 19 000€ dans le second.

Dans tous les cas, il faudra mettre les entreprises en concurrence pour obtenir le prix du marché le plus juste.

Rappelons qu’un devis sérieux doit toujours s’accompagner d’une étude thermique. Les qualifications suivantes vous orienteront vers des professionnels spécialisés :

• QualiPAC module « chauffage et ECS »
• Qualifelec PAC1 ou PAC2
• Qualibat PAC
• Qualiforage module sonde
• Qualiforage module nappe

Avantages et inconvénients des pompes à chaleur géothermiques

Conclusion : Le système de PAC le plus performant… mais le moins diffusé.

Sur le papier, les PAC géothermiques constituent le système le plus performant de pompes à chaleur. En effet, la chaleur captée au niveau du sous-sol offre des performances stables toute l’année ce qui rend les PAC géothermiques adaptés aux climats rigoureux.

En pratique, la pompe à chaleur géothermique est pourtant peu diffusée. La faute à une installation coûteuse qui peut parfois « faire peur » (forage) et qui nécessite un jardin. Les ventes sont donc assez rares, tout comme les entreprises spécialisées. Ce système ne vous sera donc probablement pas proposé spontanément par tous les professionnels. Il n’en reste pas moins très performant et mérite qu’on s’y attarde d’autant qu'il est très bien soutenu par les aides financières.

Pour en savoir plus sur les pompes à chaleur, consultez nos articles sur les modèles aérothermiques (air-air et air-eau), moins performants mais plus simples à mettre en œuvre et très répandus.