Comment ça marche, une pompe à chaleur ?

7 octobre 2020
La pompe à chaleur ou PAC est rapidement devenue l'un des systèmes de chauffage et de climatisation les plus utilisés. Ceci dû à son fonctionnement économique et écologiquement durable. C'est assez rare d'avoir ces deux caractères à la fois. Mais comment fonctionnent les PACs et, surtout, sont-elles la meilleure solution pour répondre à vos besoins. Nous éclaircissons ces questions et d'autres dans cet article.

Qu'est-ce qu'une pompe à chaleur ?

La pompe à chaleur (ou PAC) est un système qui permet de transférer l'énergie thermique (ou calories) d'un milieu à un autre. Autrement dit, elle peut chauffer ou refroidir un espace. En principe, simple. En pratique, le résultat d'un système thermodynamique minutieusement équilibré et absolument fascinant. De manière générale, les pompes à chaleur servent à chauffer, climatiser et à produire l'eau chaude sanitaire.

Une PAC peut puiser l'énergie thermique qu'elle utilise dans trois types de milieux naturels. Celles qui puisent dans l'air extérieur s'appellent aérothermiques ; dans l'eau, hydrothermique ; puis il y a les pompes à chaleur géothermique qui puissent les calories naturellement présentes dans le sol. Ensuite, elles peuvent livrer cette énergie de deux manières : par l'eau ou par l'air. On rencontre donc souvent les dénominations "pompe à chaleur air air" ou "pompe à chaleur air eau", où le premier élément indique la source de calories et le second son moyen de distribution.

L'attrait principal des pompes à chaleur est qu'en captant efficacement l'énergie gratuite et renouvelable de ces sources naturelles elles sont extrêmement économiques et permettent de réduire notre utilisation de fioul et de gaz. La PAC est aussi plus économe que le chauffage électrique, produisant en moyenne 3 0 4 kWh au prix de 1 kWh d'électricité. En comparant les différentes pompes à chaleur, ce ratio s'appelle généralement le coefficient de performance (ou COP).

Source: © Alexander Rath - Fotolia.com

Comment fonctionne une pompe à chaleur ?

Pour expliquer le fonctionnement des pompes à chaleur, nous allons utiliser l'exemple d'une pompe à chaleur air eau, mais le principe reste le même partout. La PAC transfère l'énergie thermique de sa source naturelle, ici l'air extérieur, à son moyen de distribution, ici l'eau de chauffage, grâce à un cycle en quatre phases.

Premièrement, l'air est conduit à travers le circuit de captage de la PAC, sous forme d'un réseau de tuyaux, à travers lequel circule un liquide antigel. Ce liquide ne gèle qu'à une très basse température et est gardé à une température plus basse que l'air ambiant. Cette différence de température a pour conséquence le transfert d'énergie thermique entre l'air et le liquide. Ensuite, ce liquide continue de circuler vers un évaporateur. Ce dernier contient un fluide frigorigène, c'est-à-dire un fluide qui s'évapore à une très basse température. Le fluide absorbe la chaleur captée et rentre en ébullition, s'évaporant sous forme de vapeur dans un autre circuit.

La vapeur est conduite à présent vers un compresseur qui va, comme le nom l'indique, augmenter la pression de la vapeur. Selon le premier principe de la thermodynamique, lorsqu'un gaz est comprimé, sa température augmente. Vous pouvez faire vous-même l'expérience avec une pompe à vélo, en bloquant la sortie d'air avec votre pouce et en pompant. Votre pouce deviendra chaud. La pompe à chaleur a maintenant une vapeur très chaude, n'ayant commencé qu'avec les calories présente dans l'air hivernal.

La pompe à chaleur peut maintenant conduire cette vapeur chaude à la rencontre du système de chauffage pour qu'elle puisse y transférer sa chaleur. Ceci prend place dans un condenseur ou un réseau de tuyaux faisant partie du système de chauffage rencontre la vapeur de la pompe à chaleur. Ce circuit pourra maintenant utiliser cette énergie thermique pour chauffer le logement et produire l'eau chaude sanitaire. Du côté de la pompe à chaleur, la vapeur ayant transmis sa chaleur, elle se condense et reprend à nouveau sa forme liquide.

Le fluide frigorigène est cependant encore sous haute pression et donc trop chaude pour capter à nouveau la chaleur. La PAC la conduit donc vers la dernière étape du cycle, l'aptement nommé détendeur. À l'inverse du compresseur, le détendeur va réduire la pression du fluide et ainsi le refroidir. Vous pouvez ici aussi en faire l'expérience avec un aérosol par exemple. Lorsque vous appuyez le haut pour pulvériser pendant un certain temps, le flacon se refroidit car la pression interne baisse. La pompe à chaleur a donc accompli un cycle et le liquide continue de tourner dans ce système.

Pourquoi opter pour une pompe à chaleur ?

Maintenant que nous comprenons le fonctionnement des pompes à chaleur, nous pouvons voir si elle en vaut la peine.

La première chose à prendre en considération est la source que la PAC utilisera. Le coefficient de performance varie en fonction du type de pompe à chaleur et certaines sources d'énergie thermique sont beaucoup plus efficaces que d'autres. Voici un tableau récapitulatif :

Type de pompe à chaleur Coefficient de performance moyen
Air Air (aérothermie) 3
Air Eau (aérothermie) 3
Sol Eau (géothermie) 4
Eau Eau (hydrothermie) 5

Pour rappel, le COP d'une pompe à chaleur correspond à la quantité d'énergie thermique en kWh qu'elle génère par kWh d'électricité. Une autre manière de voir les choses : si un chauffage électrique produit 1 kWh de chaleur pour 1 kWh d'électricité, combien de fois plus efficace est la pompe à chaleur. Comme vous pouvez le constater, les pompes à chaleur géothermique et hydrothermique sont plus efficaces que les pompes à chaleur aérothermique. Le revers ici est qu'elles nécessitent des travaux initialement plus couteux et longs. Dans le cas des pompes à chaleur Eau Eau, il faut avoir accès à une nappe phréatique. Du côté de la PAC géothermique, il faudra une surface souterraine large à faible profondeur (environ 1.5 m) ou alors, à défaut de surface, il faudra placer le réseau de captage plus en profondeur, jusqu'à 100 m. C'est pour cela que l'aérothermie est généralement plus utilisée, mais attention, il n'y a que les pompes à chaleur air eau qui peuvent produire l'eau chaude sanitaire.

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