La pompe à chaleur (PAC) est un système de chauffage et de réfrigération. Aussi appelée “thermopompe”, elle a été conceptualisée en 1852 et mise en application en 1855. Mais ce n’est que depuis la fin du XXe siècle que la PAC s’est installée chez les particuliers, pour remplacer les systèmes de chauffage traditionnels (fioul, électricité, gaz) et réaliser des économies d’énergie. Comment fonctionne une pompe à chaleur ? Voici ce qu’il faut savoir !
Le principe de la pompe à chaleur
Une pompe à chaleur capte les calories présentes dans une source froide (l’air, l’eau ou le sol) pour les restituer à une source chaude (fluide, gaz). Selon le sens du pompage, la pompe à chaleur permet d’augmenter la température de la source chaude (chauffage) ou de réduire la température de la source froide (réfrigération). Les pompes à chaleur sont présentes dans plusieurs appareils : les réfrigérateurs, les climatiseurs et les PAC de chauffage. Dans le cas d’une PAC de chauffage, les calories sont extraites de l’air, de l’eau ou du sol et restituées sous forme de chaleur vers des radiateurs ou un plancher chauffant basse température. Une PAC est dite “réversible” lorsqu’elle permet de chauffer en hiver et réfrigérer en été.
Fonctionnement de la PAC
Le système d’une pompe à chaleur est constitué de 4 organes principaux : l’évaporateur, le compresseur, le condenseur et le détendeur. Chacun de ces organes agit sur un fluide frigorigène, permettant à celui-ci de capter puis transmettre la chaleur. Le compresseur d’une PAC fonctionne à l’électricité ou au gaz naturel. Dans le cas d’une pompe à chaleur à moteur à gaz, la chaleur émise par le gaz contribue également au chauffage.
- Dans l’évaporateur, le fluide frigorigène capte la chaleur présente dans la source froide (air, eau ou sol). Le fluide monte en température et se transforme en vapeur à basse pression.
- Le compresseur aspire le fluide frigorigène vaporisé puis le comprime. Le gaz sous haute pression atteint une température de 90 °C.
- Dans le condenseur, le gaz transmet une partie de sa chaleur au circuit de chauffage. Sa température baisse, il se condense et redevient liquide.
- Toujours sous haute pression, le fluide passe dans le détendeur. Sa pression chute et sa température baisse. Il peut repasser dans l’évaporateur pour un nouveau cycle.
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Le fonctionnement d’une pompe à chaleur aérothermique
Une pompe à chaleur aérothermique puise les calories dans l’air extérieur. Pour comprendre comment fonctionne une pompe à chaleur aérothermique, on distingue les PAC air/air et air/eau. Ces PAC sont adaptées aux climats tempérés. Un système de chauffage complémentaire est parfois nécessaire lorsque la température extérieure est basse.
Comment fonctionne une pompe à chaleur air/air ?
Dans une pompe à chaleur air/air, un fluide frigorigène capte les calories présentes dans l’air extérieur. L’air est lui-même capté par une unité placée à l’extérieur du bâtiment. L’énergie captée augmente la température du fluide, qui s’évapore. Le compresseur aspire le fluide sous forme gazeuse puis compresse celui-ci. Le gaz sous haute pression se condense et restitue sa chaleur à l’air intérieur grâce à des ventilo-convecteurs. Le fluide redevient liquide. Suite à son passage dans le détendeur, sa pression chute. Le fluide est de nouveau prêt pour la phase d’évaporation.
Le fonctionnement d’une pompe à chaleur air/eau
Le principe d’une pompe à chaleur air/eau est identique à celui d’un modèle air/air. La différence réside dans le fait que la chaleur n’est pas transmise à l’air intérieur via les ventilo-convecteurs, mais à un fluide caloporteur circulant dans un plancher chauffant ou des radiateurs. Ce système permet aussi la production d’eau chaude sanitaire.
Le fonctionnement d’une pompe à chaleur géothermique
La pompe à chaleur géothermique capte les calories dans le sol ou dans une nappe phréatique. On distingue 3 types de captage :
- Captage horizontal : Des tuyaux sont enterrés à une profondeur de 60 à 120 cm selon le climat (plus le climat est rude, plus le captage est profond). Le circuit est enfoui sous une pelouse non arborée, les racines des arbres pouvant endommager les tuyaux.
- Captage vertical : Les tuyaux (sondes ou capteurs géothermiques) sont enterrés verticalement, ce qui nécessite un forage assez profond (100 m maximum). Dans ce cas, le réseau n’occupe que peu de place au sol et le terrain peut être arboré.
- Captage sur nappe phréatique : On pompe l’eau d’une nappe phréatique, dont la température est généralement supérieure à 10 °C.
La pompe à chaleur géothermique est plus performante que la pompe à chaleur aérothermique, mais aussi plus coûteuse à installer. Elle convient aux régions froides et ne nécessite généralement pas de système de chauffage complémentaire.
Fonctionnement des pompes à chaleur sol/sol et sol/eau
Une pompe à chaleur sol/sol utilise un système à détente directe : il n’y a qu’un seul circuit. Le fluide frigorigène qui capte les calories dans le sol passe directement dans le plancher chauffant ou les radiateurs. Dans une pompe à chaleur sol/eau, il existe deux circuits : le fluide frigorigène qui circule dans les capteurs géothermiques et le fluide caloporteur qui circule dans les radiateurs ou le plancher chauffant.
Le principe de la pompe à chaleur eau/eau
La PAC eau/eau capte les calories présentes dans l’eau d’une nappe phréatique pour les restituer à l’eau du système de chauffage. L’eau captée doit être rejetée dans un puits de restitution, même s’il n’est pas toujours nécessaire d’effectuer deux forages. Ce système offre un rendement optimal.
Chauffage avec pompe à chaleur : le coefficient de performance
Le coefficient de performance (COP) d’une PAC est le rapport énergie thermique restituée/énergie électrique consommée. Par exemple, une pompe à chaleur ayant un coefficient de performance de 4 consomme 1 kWh d’électricité pour 4 kWh de chauffage produits. Il faut toutefois distinguer :
- le COP machine, très théorique, qui détermine la performance d’une PAC après des tests en laboratoire ;
- le COP système, qui prend en compte tous les éléments du système, et pas seulement les performances de la PAC ;
- le COP annuel, plus pratique, qui calcule le COP système sur une saison de chauffe et exprime plus fidèlement le rendement d’une PAC.
