FR
NLComment fonctionne une pompe à chaleur ?
Les pompes à chaleur (PAC) ont connu une forte croissance ces dernières années. Ce n’est pas sans raison : cette installation respectueuse de l’environnement vous permet d’économiser sur vos frais d’énergie. Mais comment est-ce que ça fonctionne ? Dans cet article, nous vous proposons une exploration détaillée du fonctionnement d’une pompe à chaleur, en décrivant les rôles de chacun de ses composants et en comparant les quatre principaux types de PAC disponibles sur le marché.
Comment fonctionne une pompe à chaleur ?
Une pompe à chaleur transfère de la chaleur en extrayant l’énergie thermique de la nature (air, sol ou eau souterraine), d’une manière plus écologique que d’autres systèmes traditionnels. Grâce à cette chaleur, l’installation peut assurer le chauffage central ainsi que la production d’eau chaude sanitaire.
Le fonctionnement d’une pompe à chaleur est en fait assez simple : l’appareil extrait la chaleur de l’environnement extérieur (une source froide) et la restitue à un système de distribution de chaleur (une source chaude). Les radiateurs, les ventilo-convecteurs ou le chauffage par le sol, par exemple, reçoivent cette énergie et l’utilisent pour vous garder bien au chaud dans votre logement.
Une pompe à chaleur a également besoin d’électricité. Environ 75 % de l’énergie est prélevée dans l’environnement. Les 25 % restants, correspondant à de l’énergie électrique, proviennent du réseau ou des panneaux photovoltaïques.
Que se passe-t-il concrètement ?
Tous les types de pompes à chaleur modifient les températures relativement basses en températures plus élevées. Le fluide frigorigène (ou réfrigérant) en est en partie responsable : il s’évapore (état gazeux) à des températures plus basses et se condense (état liquide) à des températures plus élevées grâce à la modification de la pression dans la pompe.
C’est en fait un procédé qui se répète à plusieurs reprises : d’abord le liquide s’évapore à basse pression, puis le gaz est comprimé, ce qui augmente la pression, puis ensuite la température du gaz, qui est condensé, donc retourne à l’état liquide. Ce liquide est alors détendu pour pouvoir passer à basse pression. Il s’évapore et un nouveau cycle commence.
Composants d’une pompe à chaleur
Ce cycle ne peut se dérouler correctement que si les différents composants remplissent bien leur fonction. Une pompe à chaleur se compose des éléments suivants :
- L’évaporateur, où la pression est plus basse afin que la pompe à chaleur puisse extraire la chaleur de l’environnement (sol, air ou eau). Le point d’ébullition du liquide réfrigérant est plus bas, puisque la pression est basse, et il s’évapore en transportant l’énergie (chaleur).
- Le compresseur, qui aspire le gaz obtenu dans l’évaporateur, augmente la pression, ce qui réchauffe le gaz réfrigérant, puisqu’il est comprimé.
- Le condenseur, où le gaz réfrigérant est chaud et libère cette chaleur vers le système de chauffage central. En perdant cette énergie thermique, le gaz redevient liquide, il est condensé.
- Le détendeur, où la pression redescend, ainsi que la température, pour préparer le liquide réfrigérant au nouveau cycle dans l’évaporateur, où la pression et la température sont basses.
En résumé, une pompe à chaleur comporte deux échangeurs de chaleur, l’évaporateur et le condenseur, une pompe électrique et un système de tuyauterie dans lequel circule le fluide réfrigérant.
Associations possibles avec une pompe à chaleur (chauffage sol, radiateurs, panneaux solaires,…)
La pompe à chaleur absorbe la chaleur de la nature, augmente sa température et la transmet à un système de distribution de chaleur. En fonction de vos préférences personnelles et des possibilités de votre habitation, vous pouvez raccorder l’appareil à un chauffage par le sol, à des radiateurs ou à des ventilo-convecteurs.
En outre, vous pouvez rendre votre installation encore plus écologique en utilisant d’autres sources d’énergie : vous pouvez produire l’électricité nécessaire à l’aide de panneaux photovoltaïques ou d’une chaudière solaire. De cette manière, vous ne dépendez plus du réseau électrique et vous bénéficiez d’une électricité et d’une chaleur durables.
Fonctionnement d’une pompe à chaleur (plan étape par étape)
Nous avons déjà abordé brièvement le fonctionnement et les composants d’une pompe à chaleur. Pour que le principe de cet appareil soit encore plus clair, nous présentons ci-dessous un plan étape par étape.
Étape 1 : La PAC extrait la chaleur de l’environnement
La première étape est très logique : la pompe à chaleur doit extraire la chaleur de l’environnement. Les sources de chaleur naturelles possibles sont l’air, le sol ou l’eau. Le processus se déroule dans l’évaporateur, qui est situé à l’intérieur de l’appareil pour la plupart des PAC.
Ce n’est pas le cas des pompes air-eau ou air-air, pour qui l’évaporateur se trouve à l’extérieur de l’appareil.
Le fluide réfrigérant circule à l’intérieur de l’évaporateur et absorbe la chaleur de l’environnement : la pression est basse, ce qui permet au liquide de s’évaporer à basse température et de transporter l’énergie extérieure. Ce processus peut avoir lieu même lorsqu’il fait très froid.
Étape 2 : Le fluide frigorigène est réchauffé
Ensuite, le fluide réfrigérant, toujours à l’état gazeux, entre dans le compresseur. Ici, le gaz est soumis à une forte pression. Cette compression augmente sa température : le gaz est à présent chaud.
Cette étape est cruciale pour passer à la suite : le transfert de l’énergie thermique au chauffage central, dans le condenseur.
Étape 3 : La chaleur est transférée au système de chauffage
Le fluide réfrigérant à l’état gazeux et chaud passe ensuite dans le condenseur. C’est là que la chaleur est finalement transmise au système de chauffage (chauffage par le sol, radiateurs ou système de traitement de l’air).
Le transfert de chaleur permet non seulement au fluide frigorigène de redevenir liquide, mais aussi à votre bâtiment de bénéficier d’un bon chauffage intérieur.
Étape 4 : Le cycle peut recommencer
Maintenant que le fluide frigorigène a perdu sa chaleur et qu’il est redevenu liquide, il s’écoule vers le détendeur ou la soupape d’expansion. Ici, la pression du fluide frigorigène diminue, ce qui signifie qu’il pourra s’évaporer de nouveau et récupère de la chaleur dans l’évaporateur.
En d’autres termes, le processus est terminé et peut maintenant recommencer.
Et les pompes à chaleur sans compresseur ?
Les pompes à chaleur sans compresseur sont appelées pompes à absorption. Ce type de pompe à chaleur se trouve principalement dans les petits réfrigérateurs à gaz qui sont utiles dans les campings. Le mode de fonctionnement est en grande partie le même, le circuit frigorifique, composé ici d’eau et d’ammoniac, joue à nouveau un rôle crucial.
Elles sont moins performantes, mais lorsque l’électricité est limitée, elles peuvent s’avérer très utiles.
Les différents types de PAC
Il existe quatre principaux types de pompes à chaleur : air-air, air-eau, eau-eau et sol-eau. Ce qui les différencie, c’est principalement la source d’énergie extérieure, ainsi que la manière de restituer la chaleur.
Il existe également des pompes à chaleur hybrides sur le marché : ces systèmes combinent le fonctionnement d’une pompe à chaleur et d’une chaudière.
Vous trouverez ci-dessous un explication détaillée pour mieux comprendre les différences entre tous les types de pompes à chaleur.
Pompes à chaleur aérothermiques (air-air & air-eau)
Les pompes à chaleur aérothermiques désignent les pompes à chaleur air-air ainsi que les PAC air-eau : en gros, toutes les pompes qui ont comme source d’énergie thermique l’air ambiant.
Principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur air-air (réversible ou pas)
Les pompes à chaleur air-air transmettent la chaleur de l’air extérieur à l’air intérieur, et non à une tuyauterie ou à l’eau d’un chauffage central. Son fonctionnement est en fait très similaire à celui d’un climatiseur. La seule différence est que la pompe à chaleur air-air réchauffe l’air au lieu de le refroidir.
L’appareil se compose de deux parties : une unité intérieure et une unité extérieure. Les modèles réversibles sont aussi capables de refroidir l’air ambiant en été, ce qui rend cet appareil utile pour toutes les saisons.
Principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur air-eau
Les pompes à chaleur air-eau extraient la chaleur de l’air ambiant. Elles sont beaucoup moins chères que les pompes à chaleur géothermiques en raison de leur simplicité d’installation, mais leur efficacité est légèrement inférieure. En effet, la température extérieure varie souvent.
Votre rendement dépend donc principalement de la température de l’air ambiant : plus il fait froid, plus votre rendement est faible.
Les pompes à chaleur air-eau sont principalement utilisées pour chauffer l’eau sanitaire ou réchauffer l’eau d’une piscine, pour prolonger les saisons de baignade.
Pompes à chaleur géothermiques (eau-eau & sol-eau)
Nous classons les pompes à chaleur eau-eau et les pompes à chaleur sol-eau dans la catégorie des pompes à chaleur géothermiques, puisqu’elles puisent toutes l’énergie souterraine pour fonctionner : la température souterraine est beaucoup plus stable que celle ambiante.
Pompe à chaleur eau-eau
Une pompe à chaleur eau-eau utilise la chaleur des eaux souterraines, comme un puits ou une nappe phréatique, pour chauffer l’eau qui circule dans le chauffage. Il est important de disposer de deux puits à l’extérieur de la maison dans lesquels les collecteurs doivent être placés. La profondeur de ces puits varie entre 25 et 150 mètres. Le premier sert à puiser l’eau qui sera chauffée et le deuxième recevra l’eau rejetée qui a refroidi.
Une pompe à chaleur eau-eau présente le grand avantage de pouvoir utiliser une eau souterraine à température stable. En effet, à cette profondeur, la température ne change pas, ou pas beaucoup. Même en cas de gel, vous bénéficiez d’un bon rendement.
Cette installation est la plus courante dans les maisons à faible consommation d’énergie. Les coûts sont élevés en raison des forages qu’il faut faire dans le sol pour accéder aux sources d’eau.
Pompe à chaleur sol-eau
Une pompe à chaleur sol-eau, comme son nom l’indique, absorbe la chaleur du sol. Grâce à cette énergie, elle peut chauffer éfficacement l’eau de chauffage central ou du plancher chauffant. Les spécialistes peuvent placer les collecteurs ou sondes géothermiques qui absorbent la chaleur horizontalement ou verticalement dans le sol.
Plus les collecteurs sont enfoncés dans le sol, plus la température du sol est constante. Vous n’êtes donc pas tributaire des fluctuations de température et vous bénéficiez d’un rendement fantastique et constant.
La température du sol n’est pas assez élevée ? La pompe à chaleur sollicitera alors encore plus l’évaporateur, le compresseur et le condenseur pour obtenir suffisamment de chaleur. Malgré cela, la consommation d’électricité de ce type de pompe à chaleur reste faible.
Autres types de systèmes de pompe à chaleur
Enfin, vous avez également la possibilité d’installer une pompe à chaleur avec chaudière (pompe à chaleur hybride). En outre, une pompe à chaleur avec chaudière est une bonne idée si vous souhaitez principalement fournir de l’eau chaude sanitaire.
Pompe à chaleur hybride
Différentes combinaisons sont possibles, mais la plus courante est une pompe à chaleur air-eau avec une chaudière à haut rendement fonctionnant au gaz naturel ou au mazout. Ce système hybride est principalement composé d’un échangeur de chaleur, un compresseur, un condenseur et une chaudière.
Le fonctionnement de ce système est simple et très efficace : lorsque la pompe à chaleur ne parvient pas à collecter suffisamment de chaleur à elle seule, la chaudière intervient.
Le chauffe-eau thermodynamique
Enfin, le boiler, ou chauffe-eau thermodynamique est également un choix intéressant : l’appareil extrait la chaleur de l’air ambiant et l’utilise pour chauffer l’eau sanitaire. De cette manière, vous produisez suffisamment d’eau chaude pour l’usage domestique.
Demandez un devis !
Une pompe à chaleur fonctionne-t-elle différemment en hiver en cas de gel ?
Une pompe à chaleur fonctionne de la même manière en toute saison : elle extrait la chaleur de l’environnement et l’utilise ensuite pour chauffer un bâtiment ou de l’eau domestique. Même pendant les mois d’hiver, une pompe à chaleur est capable d’absorber la chaleur présente dans l’air, le sol ou les eaux souterraines et de la transférer à l’évaporateur.
Comme le fluide frigorigène s’évapore à basse température, la pompe à chaleur est toujours en mesure de produire de la chaleur, même par temps de gel. C’est alors le tour du compresseur, qui joue un rôle important : il augmente la pression, compresse le fluide frigorigène, qui est à l’état gazeux, ce qui augmente sa température.
Le condenseur transmet ensuite la chaleur au système de chauffage. Vous bénéficiez ainsi d’un chauffage confortable ou d’une eau sanitaire chaude sans que le gel soit un inconvénient. Le système continuera à fonctionner, parfois jusqu’aux températures proches des -15° C !
Est-ce que la PAC consomme beaucoup d’électricité ?
Le principe de fonctionnement des pompes à chaleur est de puiser l’énergie électrique d’un circuit, ainsi que l’énergie thermique de l’environnement pour produire encore plus d’énergie thermique. En fonction du modèle et du type de PAC que vous choisissez, ainsi que du type d’utilisation que vous en faites, votre consommation sera plus ou moins importante. Même la météo aura un impact sur votre facture !
Le coefficient de performance
Le coefficient de performance (COP) désigne la quantité de kilowattheure (unité de mesure pour l’énergie électrique) produits pour 1 kWh consommé par une PAC.
Vous trouverez, par exemple, des pompes avec un COP de 5, ce qui signifie que dans les conditions de laboratoire, lors des tests de la PAC, pour chaque kWh consommé, la machine produisait 5 kWh. L’objectif est d’avoir un score plus haut, puisque cela signifie que l’appareil produit plus de chaleur en utilisant moins d’énergie.
Quels facteurs font varier le coefficient de performance ?
Puisque le COP est calculé en laboratoire, dans des conditions de fonctionnement idéales, on fait appel à d’autres mesures plus proches de la réalité, comme le SCOP (coefficient saisonnier), qui tient compte des variations de température au fil des saisons.
En effet, s’il fait plus froid à l’extérieur, la PAC devra fournir plus d’efforts pour extraire la chaleur ambiante, alors que s’il fait un peu plus chaud, moins d’efforts seront nécessaires.
D’autres facteurs peuvent influencer la consommation électrique de votre PAC :
- l’isolation du logement (consommation énergétique plus importante si le logement est mal isolé)
- les équipements auxiliaires de la PAC (le dégivrage en hiver demandera plus de consommation)
- l’âge de l’appareil ou un mauvais entretien (une machine plus vieille ou en mauvais état consomme une quantité d’énergie plus importante)
Quel type de pompe à chaleur a le meilleur score COP ?
Selon le type de pompe à chaleur, l’efficacité énergétique ne sera pas la même, puisque les sources d’énergie externes (air, eau ou sol) n’offrent pas toutes une température stable.
Par exemple, si l’on puise la chaleur dans l’air, la température change en fonction de la saison, mais aussi en fonction du moment de la journée. À l’inverse, lorsqu’on puise dans le sol ou dans les nappes phréatiques, la température est stable, ce qui demande moins d’efforts énergétiques de la part de la PAC.
Ce tableau reprend les COP, en moyenne, des principaux types de pompes. Pour rappel : un score plus élevé indique une meilleure efficacité de votre appareil.
| Type de pompe à chaleur | COP nominal (au laboratoire) |
|---|---|
| PAC air-air | 3 |
| PAC air-eau | 3 |
| PAC eau-eau | 5 |
| PAC sol-eau | 4 |
Vous voulez en savoir plus sur le fonctionnement des pompes à chaleur ? Faites appel à un spécialiste !
Remplissez notre formulaire d’offre et entrez en contact avec plusieurs installateurs de pompes à chaleur reconnus dans votre région.
Vous recevrez ensuite gratuitement des devis avec des propositions de prix et des conseils personnalisés. Vous pourrez facilement comparer les différents tarifs et vous informer sur les possibilités qui s’offrent à vous, sans engagements !
Envoyez votre demande et profitez de la valeur ajoutée d’un professionnel.
Ce question-réponse peut également vous aider
Comment une pompe à chaleur extrait-elle la chaleur de l’air froid ?
Cela dit, le froid affecte quand même l’efficacité de la pompe à chaleur. Les pompes à chaleur qui tirent leur énergie thermique de l’air extérieur sont particulièrement sensibles aux températures froides et voient leur performance affectée.