Comment fonctionne une pompe à chaleur ?

La pompe à chaleur puise l'énergie nécessaire au chauffage dans l'environnement. C'est pourquoi elle est considérée comme un système de chauffage plus écologique. Mais comment fonctionne une pompe à chaleur ?

Une pompe à chaleur (PAC) fonctionne de la même manière qu'un réfrigérateur, mais en sens inverse. Alors qu'un réfrigérateur extrait l'énergie thermique des aliments, c'est-à-dire de l'intérieur du réfrigérateur, et la transmet à l'extérieur, une pompe à chaleur fait l'inverse : elle extrait l'énergie thermique de l'environnement extérieur au bâtiment et la rend utilisable pour chauffer l'intérieur. Outre l'air intérieur ou extérieur, une pompe à chaleur est capable d'exploiter l'énergie thermique des eaux souterraines et de la terre. Et comme la température de la chaleur obtenue est généralement insuffisante pour chauffer un bâtiment ou l'eau chaude sanitaire, on utilise des procédés thermodynamiques pour augmenter la température.

Structure et principe de fonctionnement de la pompe à chaleur

Quelle que soit la source d'énergie exploitée, le système se compose de trois parties :

Le fluide frigorigène : il extrait les calories de l'environnement
La pompe à chaleur : elle rend les calories de l'environnement utilisables
Le système de distribution et de stockage de la chaleur : il distribue et stocke la chaleur dans le bâtiment

Ce n'est qu'en interaction que les composants d'une pompe à chaleur permettent l'utilisation de l'énergie environnementale. Le processus commence par le fluide frigorigène. Dans les pompes à chaleur géothermiques, un mélange d'eau et d'antigel circule - la saumure, qui se réchauffe. Les pompes à chaleur air/eau, quant à elles, aspirent l'air extérieur par l'intermédiaire d'un ventilateur. L'eau glycolée et l'air extérieur passent ensuite dans la pompe à chaleur elle-même. Dans ce que l'on appelle le cycle de réfrigération, la pompe augmente le niveau de température avant que la chaleur ne soit transférée au système de distribution composé de planchers chauffants ou de radiateurs, ou qu'elle ne soit temporairement stockée dans un ballon tampon ou d'eau chaude sanitaire.

Le principe du cycle de réfrigération au cœur du fonctionnement de la PAC

Quelle que soit la source de chaleur utilisée pour produire de la chaleur, le processus du cycle de réfrigération, qui comporte quatre étapes, fait toujours partie du mode de fonctionnement des pompes à chaleur.

Au niveau de l'évaporateur, les calories ambiantes sont transférées à un fluide frigorigène, qui s'évapore déjà à basse température en raison de ses propriétés spécifiques.

Pour pouvoir évaporer un liquide, il faut fournir de l'énergie. Ce phénomène est facile à observer avec l'eau. Lorsqu'on chauffe une casserole d'eau à 100°C (on y ajoute de l'énergie thermique), l'eau commence à s'évaporer. Si l'on y ajoute ensuite de l'énergie thermique supplémentaire, la température de l'eau ne continue pas à augmenter. Au contraire, l'eau est entièrement transformée en vapeur.

Un compresseur fonctionnant à l'électricité aspire la vapeur du fluide frigorigène et la comprime. Si un gaz, comme l'air, est comprimé (la pression augmente), sa température augmente également. Vous pouvez en faire l'expérience si vous maintenez l'ouverture d'une pompe à air de vélo fermée et que vous comprimez l'air : le ballon de la pompe devient chaud.

Au niveau du condenseur, la chaleur de la vapeur chaude du fluide frigorigène est transférée au système de distribution de chauffage (planchers chauffants et/ou radiateurs). Comme le fluide frigorigène cède de l'énergie, il se refroidit.

Si la pression d'un liquide sous pression est soudainement réduite, la température baisse considérablement. On peut l'observer, par exemple, sur une bouteille de gaz liquide dans une gazinière de camping. Si la vanne est ouverte, de la glace peut se former sur la vanne du ballon GPL, même en été (ici, la pression est réduite d'environ 30 bars à 1 bar).

Le fluide frigorigène revient alors à son état initial et le processus de la pompe à chaleur peut recommencer un nouveau cycle.

Le fluide frigorigène, essentiel au bon fonctionnement de la pompe à chaleur

Ces processus se déroulent dans un circuit fermé à l'intérieur de la pompe à chaleur. Pour transporter la chaleur, on utilise un liquide (fluide frigorigène) qui s'évapore à très basse température. L'énergie thermique, provenant par exemple de la terre ou de l'air extérieur, est utilisée pour évaporer ce liquide. Même des températures de -20°C sont suffisantes pour fournir de l'énergie. La vapeur froide du fluide frigorigène, par exemple -20 °C, est ensuite fortement comprimée. Ce faisant, elle se réchauffe jusqu'à atteindre une température de 100°C. La vapeur du fluide frigorigène est condensée et libère la chaleur vers l'installation de chauffage. Par la suite, la pression du fluide frigorigène liquide est fortement réduite. Cela fait redescendre la température du liquide au niveau initial. Le processus peut recommencer depuis le début.

Bon à savoir : les pompes à chaleur Viessmann de dernière génération utilisent le propane (R290), un fluide frigorigène naturel dont les propriétés n'ont rien à envier aux fluides frigorigènes classiques.

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L'exemple d'une pompe à chaleur air/eau : comment ça marche ?

La façon la plus simple d'expliquer ce processus est d'utiliser l'exemple d'une pompe à chaleur aérothermique (PAC air/eau). Elle peut être constituée d'une ou deux unités. Dans les deux cas, un ventilateur intégré aspire activement l'air ambiant et le dirige vers un échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur est traversé par un fluide frigorigène qui change d'état physique à très basse température. Au contact de l'air ambiant, le fluide frigorigène se réchauffe et se transforme progressivement en vapeur. Un compresseur est utilisé pour augmenter la chaleur résultante jusqu'à la température requise. Cela comprime la vapeur et augmente à la fois la pression et la température de la vapeur du fluide frigorigène.

Un deuxième échangeur de chaleur (condenseur) transfère ensuite l'énergie de la vapeur chauffée vers le circuit de chauffage (chauffage par le sol, radiateurs, ballon tampon et/ou ballon d'eau chaude sanitaire). Au cours de ce processus, le fluide frigorigène, encore sous pression, se refroidit et se liquéfie à nouveau. Avant de pouvoir retourner dans le circuit, le fluide frigorigène est d'abord détendu dans une vanne d'expansion. Une fois qu'il a retrouvé son état initial, le cycle de réfrigération peut recommencer.

Le principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur

Est-ce que la pompe à chaleur consomme beaucoup d'électricité ?

La compression nécessite du courant électrique

Le compresseur est un élément essentiel du circuit de réfrigération de la PAC. En effet, sans compression, les températures de sortie sont trop basses pour pouvoir chauffer un bâtiment à une température confortable, surtout les jours de grand froid avec des températures négatives à deux chiffres.

Dans la pratique, plusieurs compresseurs sont utilisés, notamment des compresseurs à piston ou des compresseurs à spirale (Scroll), qui sont tous entraînés électriquement. La consommation d'énergie pour la compression dépend de nombreux facteurs. Il s'agit notamment de la demande de chaleur, de la technologie du compresseur et, enfin et surtout, de la différence de température entre la source de chaleur et l'installation de chauffage. En règle générale : plus le différentiel de température entre la source de chaleur et la température de départ est élevé, plus le compresseur doit travailler.

Le schéma montre le processus de compression de la pompe à chaleur

Schéma de fonctionnement du processus de compression

Comparer les tarifs d'électricité pour la pompe à chaleur

En règle générale, le fonctionnement de la pompe à chaleur repose sur l'électricité. De nombreux fournisseurs d'énergie proposent des tarifs pour les pompes à chaleur avec des conditions spéciales pour les propriétaires de PAC. Ces tarifs peuvent être moins chers que l'électricité domestique traditionnelle, mais ils sont soumis à certaines conditions. Le fournisseur d'électricité est par exemple autorisé à couper l'alimentation électrique de la pompe à chaleur pendant des périodes dites de blocage. De plus, un compteur électrique supplémentaire est nécessaire pour l'électricité de la pompe à chaleur. Il convient donc de vérifier au préalable si un tel tarif entre en ligne de compte et s'il est plus avantageux. Il faut toutefois tenir compte du fait que si le courant provient d'énergies renouvelables, le bilan écologique d'une pompe à chaleur peut encore être amélioré (avec des panneaux solaires photovoltaïques par exemple).

Un approvisionnement en chaleur assuré même en hiver

Même lorsque les températures extérieures sont très basses, le fonctionnement de la pompe à chaleur est fiable. L'approvisionnement en chaleur est d'autant plus efficace avec les pompes à chaleur eau/eau et eau glycolée/eau. En effet, le sol et la nappe phréatique présentent des températures constantes tout au long de l'année. Mais les pompes à chaleur air/eau fonctionnent également avec des températures négatives. En cas de températures extérieures extrêmes, un thermoplongeur électrique apporte un soutien temporaire - si nécessaire.

Votre pompe à chaleur surconsomme ? Découvrez les causes possibles

Un système réversible : chauffage et rafraîchissement

Le principe de fonctionnement de la pompe à chaleur est réversible. C'est pourquoi les pièces du logement peuvent être chauffées, mais aussi rafraîchies - si les conditions techniques sont réunies. Il faut toutefois distinguer le rafraîchissement passif (= naturel) et actif (Natural Cooling et Active Cooling).