Comment fonctionne une pompe à chaleur ?

La pompe à chaleur est devenue un système de production de chaleur prisé à l’heure de la transition énergétique. Mais concrètement, comment permet-elle à de nombreux foyers de réduire leur consommation d’énergie ? Quel est le fonctionnement d’une pompe à chaleur (PAC) ? À travers cet article, Hellio vous explique tout ce qu’il faut savoir sur le sujet.

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Les pompes à chaleur ont (toujours) le vent en poupe

D’après l’Observatoire des énergies renouvelables (Observ’ER), les ventes de pompes à chaleur individuelles ont poursuivi leur hausse en 2021, malgré un contexte toujours difficile dû à la COVID-19. Ses nombreux avantages séduisent les Français ! Cette même année, plus d’un million d’appareils ont été vendus sur le territoire français. Les chiffres des installations se répartissent comme suivent :

• 758 270 PAC air/air (+ 3,9 % sur un an) ;
• 253 140 PAC air/eau (+ 48,6 % !);
• 3 220 PAC géothermiques (+ 7,2 %).

La hausse des ventes de pompes à chaleur entraîne ainsi, avec elle, une augmentation de la production de chaleur renouvelable. Selon le ministère de la Transition écologique, cette chaleur renouvelable s’établissait à 38 TWh en 2020, soit une hausse de 11 % par rapport à l’année précédente. La transition énergétique entraîne ainsi avec elle de nouveaux usages et de nouvelles utilisations, parmi lesquels la production d’énergies renouvelables.

Alors, comment le fonctionnement de la pompe à chaleur lui assure d’être un levier de la transition énergétique et des économies d’énergie des particuliers ?

Quel est le fonctionnement d’une pompe à chaleur ?

Pour chauffer le logement et ainsi assurer son fonctionnement, la pompe à chaleur puise les calories de la chaleur dans une source renouvelable et locale, à savoir :

• L’air pour un modèle aérothermique ;
• La terre pour un modèle géothermique (soit dans le sol, soit dans une nappe d’eau).

Ces sources constituent un gisement d’énergies renouvelables, c’est-à-dire qu’elles sont inépuisables à l’échelle du temps humain. On les oppose aux énergies fossiles qui se renouvellent quant à elles moins vite qu’on ne les consomme (gaz, pétrole, charbon…) et impliquent également des rejets de gaz à effet de serre. Ces émissions ont lieu à chaque étape du cycle de vie — extraction, raffinage, transport… — puis de la combustion pour chauffer l’habitation.

Découvrez notre article : Quelle est la consommation d’une pompe à chaleur ? 

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Le principe de la PAC et ses composants principaux

Toute pompe à chaleur se constitue d’un circuit fermé dans lequel se déplace un fluide frigorigène qui peut, selon les étapes qu’il traverse, être à l’état liquide ou gazeux. Ce fluide est au cœur du dispositif, c’est-à-dire qu’il traverse différents organes qui permettent le fonctionnement de la PAC.

1. D’abord, la PAC prélève les calories de chaleur qu’elle capte (dans l’air, dans la terre ou dans l’eau donc) avant de les transférer à un évaporateur. Ce dernier a pour rôle d’assurer un échange thermique, en transformant le fluide frigorigène, initialement liquide, à l’état gazeux.
2. Ensuite, le compresseur aspire le fluide frigorigène (toujours à l’état gazeux), fait monter la chaleur et augmente la pression du gaz.
3. Le condenseur prend le relais et restitue la chaleur contenue dans le fluide frigorigène à l’eau du circuit de chauffage ou, selon les cas, à l’air de la pièce à réchauffer.
4. Enfin, le détendeur réduit la pression et la température du gaz qui revient alors à l’état liquide. Le circuit recommence depuis le début.

Si ces 4 étapes constituent la base du fonctionnement d’une PAC, il convient de préciser les particularités propres aux différents types de pompes à chaleur existants.

À lire aussi : Comprendre le coefficient de performance énergétique d’une pompe à chaleur.

Pour bien fonctionner dans le temps et engendrer une baisse des consommations, la PAC doit être bien dimensionnée, bien calorifugée, bien entretenue et placée dans un endroit suffisamment grand. De plus, attention à vérifier sa compatibilité électrique avec votre installation domestique !

Les différents fonctionnements selon la technologie de pompe à chaleur

Comment fonctionne une pompe à chaleur air/eau ?

La PAC air/eau capte les calories de chaleur dans l’air extérieur pour permettre de chauffer le logement. Avec ce type d’appareil, le chauffage s’effectue par un réseau hydraulique, grâce à un plancher chauffant ou des radiateurs basse température. On parle alors d’une PAC « basse température ».

Si la pompe à chaleur est installée dans le cadre d’une rénovation, il peut être possible de la relier à un circuit de chauffage central et des radiateurs existants. Dans ce cas, on s’oriente souvent vers une PAC air-eau « haute température » qui s’avère néanmoins moins intéressante sur le plan de la performance énergétique.

Assurez-vous que l'équipement est bien compatible avec vos radiateurs.

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Comment fonctionne une pompe à chaleur air/air ?

Tout comme la PAC air/eau, la PAC air/air fait partie de la famille des pompes à chaleur aérothermiques. Autrement dit, c’est dans l’air ambiant (plus particulièrement de l’extérieur du logement) qu’elle capte les calories de chaleur. Leur différence se situe au niveau des émetteurs de chaleur.

Dans le cas d’une pompe à chaleur air/air, la chaleur est restituée dans le logement grâce à un ventilo-convecteur installé à l'intérieur d’une pièce (monosplit) ou plusieurs ventilo-convecteurs disposés dans l’habitation (multisplits). Ces derniers se présentent sous différentes formes : console de plafonnier ou gaines installées dans les combles.

Il s'agit d'une pompe à chaleur pas chère par rapport à un modèle géothermique.

Comment fonctionne une pompe à chaleur géothermique ?

La PAC géothermique fait appel, quant à elle, aux calories présentes sous la terre. Il s’agit donc d’une opération plus technique, moins facile à mettre en œuvre, avec un prix plus élevé que la pompe à chaleur aérothermique. On retrouve notamment les modèles sol/eau.

Contrairement aux techniques aérothermiques, elle implique un captage des calories du sous-sol qui peut s’effectuer de façon horizontale ou verticale. La transmission des calories extraites se fait là encore par le biais d’un fluide caloporteur. Avec ce type d’équipement, la chaleur est diffusée dans le logement grâce à des radiateurs ou un plancher chauffant (PAC sol/sol).

À noter que c'est aujourd'hui ce type de pompe à chaleur qui bénéficie du soutien financier le plus important. Avec MaPrimeRénov' et la prime Coup de pouce, un ménage aux revenus modestes peut obtenir jusqu'à 16 000 €. Cependant, le devis ne peut pas descendre à 1 euro comme cela a pu être le cas par le passé : un reste à charge minimal est imposé par la Loi. Ceci évite notamment les arnaques, en responsabilisant davantage les bénéficiaires sur le choix du matériel et du professionnel.

Et le fonctionnement de la pompe à chaleur eau/eau ?

La pompe à chaleur eau/eau est en fait une sorte de pompe à chaleur géothermique. Tout comme cette dernière, elle puise la chaleur dans la terre, mais plus précisément dans l’eau contenue dans les nappes phréatiques. Parfois, on appelle aussi cette solution l’aquathermie ou hydrothermie.

Assurez-vous auprès du professionnel que les tuyaux de la PAC — frigorifiques ou hydrauliques — sont correctement calorifugés de bout en bout, c’est-à-dire isolés par une gaine qui les enrobe. Sinon, des pertes d’énergie auront lieu à ces endroits (donc un gaspillage), et des risques de dégradation ou de condensation se développeront.

Les autres spécificités des pompes à chaleur

Outre la source d’énergie renouvelable dont elle tire parti et les émetteurs utilisés pour permettre de diffuser la chaleur, d’autres particularités peuvent avoir une conséquence sur le fonctionnement de la PAC.

• La PAC à double-service assure 2 rôles : elle produit du chauffage pour le logement, mais également de l’eau chaude sanitaire, grâce à un ballon de stockage. Selon les besoins, une régulation bascule alors d’un mode à l’autre, en fonction de la demande.
• La PAC inversible (souvent appelée « réversible ») est une pompe à chaleur qui, en plus d’assurer le chauffage du logement, permet son rafraîchissement, de quelques degrés. Pour cela, la pompe à chaleur inverse son cycle thermodynamique. C’est-à-dire qu’elle rejette une partie des calories de chaleur présentes dans le logement vers l’extérieur.
• La pompe à chaleur hybride couple l’utilisation d’une pompe à chaleur air/eau et d’une chaudière à condensation. Cette dernière prend le relais lorsque les températures sont négatives.
• La PAC est généralement bibloc ou « split », avec deux modules, mais aussi monobloc. Elle se compose alors d’une seule et unique unité, disposée à l’extérieur du logement.

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