Comment fonctionne une pompe à chaleur ?

Très sobre et exempte de rejets polluants à l’utilisation, la pompe à chaleur est un mode de chauffage particulièrement prisé dans le cadre de la transition énergétique. Elle s’invite souvent dans les maisons à la faveur d’un remplacement de chaudière au fioul ou gaz, voire de convecteurs électriques très énergivores. Toutefois, le fonctionnement d’une pompe à chaleur paraît généralement abstrait. Comment fait-elle pour puiser les calories de l’air extérieur malgré des températures polaires ? Voici la réponse.

La mission d’une pompe à chaleur (PAC) est de prélever l’énergie thermique d’une source extérieure et de la transmettre à un fluide, qui chauffe ou refroidit ensuite une surface intérieure. La pompe à chaleur est un transporteur d’énergie issue de l’air, de l’eau ou de la terre. Pour cela, on exploite le principe de la thermodynamique, qui est l’utilisation d’un fluide frigorigène ayant une forte propension à produire de la chaleur lorsqu’il est comprimé et une forte évaporation lorsqu’il est détendu.

La pompe à chaleur en détail

L’environnement extérieur est la source d’énergie principale d’une pompe à chaleur. L’énergie thermique est captée dans l’air, pour les PAC aérothermiques, dans l’eau pour les PAC hydrothermique ou dans le sol pour les PAC géothermiques. De l’électricité est consommée, en proportions variables selon la température de la source, principalement pour alimenter le compresseur. Environ 70 % de l’énergie délivrée provient de la source naturelle, les 30 % restants de l’électricité consommée par l’appareil.

Voici le cycle de fonctionnement d’une pompe à chaleur :

1 – Le fluide frigorigène, qui est un gaz, se charge des calories de la source extérieure grâce à un réseau de fins tubes en contact avec l’air ambiant, l’eau ou le sol. Il est ensuite mis sous pression par le compresseur. Sa température augmente significativement.

2 – Cette augmentation de température fait passer le fluide d’une phase vapeur basse pression à une phase vapeur haute pression.

3 – La chaleur est transmise au circuit de chauffage à travers un échangeur appelé condenseur. C’est lors de cette phase de condensation que le fluide cède une grande partie de son énergie à la zone à chauffer. Sa pression et sa température diminuent. Le fluide passe donc en phase liquide haute pression. Il passe ensuite dans une vanne de détente, avant de revenir sur l’élément de récupération d’énergie à la source.

4 – Le fluide frigorigène est alors très froid et en phase liquide basse pression avant d’entrer dans l’évaporateur pour récupérer l’énergie de la source. Ainsi réchauffé par l’air extérieur, l’eau ou le sol, il se retrouve en phase vapeur basse pression et il peut être de nouveau comprimé par l’action du compresseur.

Schéma d’une pompe à chaleur en mode climatisation

Pompe à chaleur en mode climatisation / Infographie : Révolution Énergétique.

Schéma d’une pompe à chaleur en mode chauffage

Pompe à chaleur en mode chauffage / Image : Révolution Énergétique.

Bon à savoir : tous les modèles équipés d’une vanne d’inversion de cycle sont réversibles, pour fonctionner en mode climatisation. Dans ce cas, ils produisent du froid à l’intérieur et rejettent du chaud à l’extérieur, comme votre réfrigérateur.

Les différents types de pompes à chaleur

Le principe de fonctionnement est identique quelle que soit la source d’énergie extérieure. En fonction de l’appellation, on saura reconnaître la source d’énergie et le vecteur dans lequel elle transmet sa chaleur.

1 – Les PAC aérothermiques

L’air extérieur est la source d’énergie. Il existe plusieurs types de pompes à chaleur aérothermiques :

→ La PAC air/air

La source extérieure est l’air et la diffusion du chauffage ou de la climatisation s’effectue air soufflé. Elle est effectuée au moyen d’un diffuseur de type ventilo-convecteur, sous différentes formes, pour chauffer ou refroidir l’habitat. On l’appelle également un climatiseur, qui est son nom d’origine, car sa première vocation est de faire du froid et de climatiser les locaux.

→ La PAC air/eau

La source extérieure est l’air et la diffusion se fait sur un circuit de chauffage central à eau. Les émetteurs sont des radiateurs à eau ou des planchers chauffants. En principe, ces émetteurs ne permettent pas de climatiser les locaux. C’est la raison pour laquelle on lui a donné le nom de pompe à chaleur, car sa vocation est de faire du chauffage. Elles sont principalement recommandées pour remplacer les chaudières fioul et gaz.

Les PAC air/eau sont particulièrement performantes dans les zones au climat tempéré, avec des températures extérieures moyennement basses en hiver (jusqu’à -5 °C), comme le tiers sud de la France. Attention, cela ne signifie pas que la pompe à chaleur ne fonctionnera plus par très grand froid. Sa consommation d’électricité sera simplement supérieure à la normale lors de températures extrêmement basses, mais vous continuerez évidemment à bénéficier du chauffage et de l’eau chaude sanitaire.

Bon à savoir : dorénavant, on ne fait plus la différence entre climatiseur et pompe à chaleur. L’identification commerciale pompe à chaleur est désormais courante, que ce soit air/air ou air/eau, ce qui parfois, engendre des incompréhensions et arnaques sur le vrai modèle à choisir. Si vous voyez l’appellation « thermopompe », c’est que vous êtes sur un site du Québec au Canada, c’est le nom local donné à la pompe à chaleur.

Une PAC à air extérieur est par principe installée dehors. Toutefois, il existe des versions intérieures qui, par une conduite d’amenée d’air et de rejet, exploitent les calories de l’air extérieur.

L’unité extérieure d’une pompe à chaleur air/eau / Image : Révolution Énergétique – HL.

À gauche : le résumé technique apposé sur une pompe à chaleur air/eau de 16 kW. En haut à droite : l’intérieur du bloc extérieur d’une PAC air/eau. En bas à droite : l’unité extérieure d’une PAC air/eau / Images : Révolution Énergétique.

2 – Les PAC géothermiques et hydrothermiques

Le sol (géo) et/ou l’eau (hydro) sont utilisés comme source d’énergie. Il existe plusieurs types de PAC géothermiques et hydrothermiques :

→ La PAC eau/eau

La source extérieure est, soit l’eau d’une nappe phréatique, d’une rivière ou de la mer, soit un circuit à eau fermé et glycolé (dit également eau glycolée/eau), se présentant sous la forme d’un captage horizontal enterré ou d’un réseau de sondes profondes réalisées par forage. La diffusion se fait sur un circuit de chauffage central à eau, radiateur ou plancher chauffant.

→ La PAC sol/eau

La source extérieure est un circuit fermé en captage horizontal ou sonde, rempli d’un gaz frigorigène. La diffusion se fait sur un circuit de chauffage central à eau, radiateur ou plancher chauffant.

→ La PAC sol/sol

La source extérieure est un circuit fermé en captage horizontal ou sonde, rempli d’un gaz frigorigène. La diffusion se fait sur un plancher chauffant, rempli également de gaz frigorigène. Ces modèles sont rares et ils doivent être réalisés sous avis technique. Leur principal défaut est d’utiliser une grande quantité de gaz frigorigène.

Les pompes à chaleur géothermiques et hydrothermiques sont très performantes, notamment les modèles sondes et nappe, car les températures de captage sont peu sensibles aux variations climatiques. Elles sont plus coûteuses, car l’installation, et notamment les forages, augmentent le prix total.

Bon à savoir : les pompes à chaleur géothermiques sont installées à l’intérieur de locaux. Elles sont relativement silencieuses. Toutefois, il est important de les éloigner d’une zone nuit (chambre à coucher).

Des aides financières sont disponibles dans la cadre du dispositif Ma Prime Rénov’ et des Certificats Économie d’Énergie (CEE), pour l’acquisition d’une pompe à chaleur géothermique.

Le lexique de la pompe à chaleur

Quelques termes techniques très employés par les vendeurs et installateurs de pompes à chaleurs sont à connaître.

→ Fonctionnement mono-énergie

La pompe à chaleur n’utilise qu’une seule énergie externe (électricité, la plupart du temps).

→ Fonctionnement bi-énergie

La pompe à chaleur utilise deux énergies externes (gaz et électricité par exemple).

→ Mode bivalent

En fonction d’une certaine température extérieure, on utilise un appoint en complément de la pompe à chaleur. C’est le cas des pompes à chaleur air/eau. Par très grand froid, des résistances électriques complètent si nécessaire.

→ Mode monovalent

La totalité des besoins est fournie par la pompe à chaleur, sans utiliser d’appoint. C’est le cas des pompes à chaleur géothermiques.

→ Dégivrage

Cycle de régulation qui permet d’éliminer le givre sur les unités extérieures des pompes à chaleur air/eau et air/air. Le nombre de dégivrages et son emplacement affectent le rendement annuel de la pompe à chaleur, en produisant de la chaleur à l’extérieur.

→ Coefficient de performance (COP)

Le rapport entre l’énergie calorifique dégagée et la puissance électrique absorbée par le compresseur. Un COP de 3,5 signifie que l’on dispose d’une puissance calorifique équivalente à 3,5 fois la puissance électrique absorbée par le compresseur (soit 3,5 kWh d’énergie thermique délivrée pour 1 kWh d’énergie électrique consommée). Ce dernier est calculé sur des bases de températures obtenues lors de protocoles réalisés en laboratoire.

→ Coefficient de performance annuel

Le rapport entre quantité de chaleur délivrée par la pompe à chaleur et l’énergie électrique consommée pendant un an. C’est un indice du terrain, en tenant compte de l’installation et ne doit pas être confondu avec le COP.

→ Fluide frigorigène

Gaz issu de l’industrie chimique, qui absorbe la chaleur à basse pression et dégage de la chaleur à haute pression. Les différents gaz frigorifiques ont un impact plus ou moins élevé sur le réchauffement climatique, car ils peuvent être de puissants gaz à effet de serre. D’où la nécessité d’avoir des charges embarquées faibles et de vieller à l’étanchéité des circuits. Le plus célèbre est le R22, responsable du percement de la couche d’ozone et dorénavant interdit. Les gaz actuels, R410 et R32 sont inoffensifs pour la couche d’ozone, mais ont un pouvoir de réchauffement 550 à plus de 2 000 fois plus élevé que le dioxyde de carbone (CO2). À noter que ces fluides travaillent à une pression élevée, pouvant atteindre 42 Bars en pleine puissance.

→ Technologie Inverter

C’est une gestion électronique qui permet d’avoir une compression et une détente en modulation de puissance. Cela permet d’améliorer le rendement annuel des machines. Autre avantage, le compresseur démarre en petite puissance, ce qui évite les bruits importants au démarrage avec des compresseurs non modulants. Les PAC non inverter fonctionnent en tout-ou-rien : elles alternent des cycles de fonctionnement à 100 % de la puissance et des cycles d’arrêt (0 % de puissance).

→ Ballon tampon

Il est conseillé afin d’augmenter la durée de fonctionnement de la pompe à chaleur, lorsque la demande de chaleur est faible, en réduisant les court cycles, nocifs à la longévité de la machine. Toutefois, la technologie Inverter a tendance à minimiser son implantation. Il est utile pour garantir une durée de fonctionnement suffisante en dégivrage, pour les PAC air/eau.

Comment choisir le bon modèle de pompe à chaleur ?

Vous souhaitez changer votre chaudière par une pompe à chaleur performante ? Vous devez :

– Faire réaliser un bilan thermique de votre habitation.

– Améliorer l’isolation si l’actuelle est mauvaise.

– Améliorer l’aération de votre logement en fonction de l’existant.

– Faire appel à un accompagnateur France Rénov’ , garant d’une information impartiale (attention aux sites se faisant passer pour France Rénov’, qui est un site gouvernemental).

– Faire appel à un professionnel RGE de proximité pour estimer la puissance nécessaire de votre pompe à chaleur, en fonction de l’isolation et des objectifs à atteindre.

– Faire le point sur les subventions possibles, pour faire baisser la facture d’investissement. Toutes les pompes à chaleur ne sont pas éligibles, c’est le cas des PAC air/air, assimilées à des climatiseurs.

– Souscrire un contrat d’entretien est obligatoire, car l’équilibre d’une pompe à chaleur est précaire. La moindre défaillance d’un des maillons, entraîne des désordres de confort et financiers.