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Pompe à chaleur

Pompe à chaleur : fonctionnement, types et coûts

La pompe à chaleur est une machine qui utilise l’énergie de l’air, du sol ou de l’eau souterraine et la convertit en énergie thermique. Découvrez comment fonctionne une pompe à chaleur.


La pompe à chaleur est une machine qui, en utilisant différentes formes d’énergie, peut extraire et transférer l’énergie thermique. Le choix dépend des caractéristiques climatiques du lieu d’installation, des caractéristiques typologiques du bâtiment et des conditions d’utilisation.

Analysons plus en détail qu’est-ce qu’une pompe à chaleur, son fonctionnement, les types et les coûts.

Qu’est-ce qu’une pompe à chaleur ?

La pompe à chaleur est une machine capable de transférer la chaleur d’un environnement à température plus basse à un autre à température plus élevée. On la considère souvent uniquement pour le chauffage de l’eau, mais en réalité, elle offre un fonctionnement plus large. En plus du chauffage en hiver et de la fourniture d’eau chaude sanitaire, elle assure également le refroidissement des espaces en inversant le cycle.

Pompe à chaleur : fonctionnement

Le principe de fonctionnement repose sur le phénomène d’expansion Joule-Thomson d’un fluide frigorigène très froid mais qui se vaporise à basse température. Ce fluide, en effectuant des cycles de compression et d’expansion, permet à la pompe à chaleur de transférer la chaleur à l’eau chaude sanitaire.
Pour chauffer l’environnement, la pompe à chaleur extrait la chaleur d’une source naturelle (comme l’air, l’eau ou le sol), la porte à la température souhaitée, et la transporte à l’intérieur du bâtiment où elle sera irradiée dans l’environnement via des systèmes de chauffage par le sol, des radiateurs ou des ventilo-convecteurs.

Essentiellement, son fonctionnement est similaire mais opposé à celui du réfrigérateur. Ce dernier tend en effet à expulser la chaleur de l’intérieur vers l’extérieur, tandis que la pompe à chaleur la capte de l’extérieur et, après l’avoir portée à température, l’introduit à l’intérieur. Pour rafraîchir l’environnement, en revanche, la chaleur est extraite de l’air à l’intérieur du bâtiment et expulsée, de manière tout à fait similaire au réfrigérateur.

Le milieu externe à partir duquel la chaleur est extraite est appelé source froide. Dans la pompe à chaleur, le fluide frigorigène absorbe la chaleur de la source froide via l’évaporateur.

Les principales sources froides sont : 

  • l’air extérieur au local dans lequel la pompe à chaleur est installée ou extrait du local lui-même ;
  • l’eau souterraine, de rivière, de lac, lorsqu’elle est présente à proximité des locaux à chauffer et à faible profondeur.

D’autres sources peuvent être constituées par l’eau accumulée dans des réservoirs chauffés par le rayonnement solaire et par le sol, dans lequel sont insérées les conduites liées à l’évaporateur.
L’air ou l’eau à chauffer sont appelé puits chaud. Dans le condenseur, le fluide frigorigène transfère au puits chaud à la fois la chaleur prélevée de la source froide et l’énergie fournie par le compresseur.

Comment est faite une pompe à chaleur : composants

La pompe à chaleur est constituée d’un circuit fermé, parcouru par un fluide spécial (fluide frigorigène) qui, selon les conditions de température et de pression, se trouve à l’état liquide ou gazeux.
Le circuit fermé se compose de : 

  • un compresseur ;
  • un condenseur ;
  • une vanne d’expansion ;
  • un évaporateur.

Le condenseur et l’évaporateur sont constitués d’échangeurs de chaleur, c’est-à-dire de tubes en contact avec un fluide de service (qui peut être de l’eau ou de l’air) à travers lesquels circule le fluide frigorigène.
Celui-ci cède de la chaleur au condenseur et l’absorbe à l’évaporateur. Les composants du circuit peuvent être regroupés en un seul bloc ou divisés en deux parties (systèmes split) reliées par des tubes par lesquels circule le fluide frigorigène.

Dans le fonctionnement, le fluide frigorigène, à l’intérieur du circuit, subit les transformations suivantes, divisées en 4 phases : 

  • phase 1 – compression : le fluide frigorigène à l’état gazeux et à basse pression, provenant de l’évaporateur, est porté à haute pression ; lors de la compression, il se réchauffe en absorbant une certaine quantité de chaleur ;
  • phase 2 – condensation : le fluide frigorigène, provenant du compresseur, passe de l’état gazeux à l’état liquide en cédant de la chaleur à l’extérieur ;
  • phase 3 – expansion : en passant à travers la vanne d’expansion, le fluide frigorigène liquide se transforme partiellement en vapeur et se refroidit ;
  • phase 4 – évaporation : le fluide frigorigène absorbe de la chaleur de l’extérieur et s’évapore complètement.

L’ensemble de ces transformations constitue le cycle de la pompe à chaleur : en fournissant de l’énergie avec le compresseur au fluide frigorigène, celui-ci, à l’évaporateur, absorbe de la chaleur de l’environnement et, à travers le condenseur, la cède au moyen à chauffer.

Schéma de fonctionnement

Ci-dessous, voici un schéma qui illustre le fonctionnement d’une pompe à chaleur. Les principaux composants sont représentés sur la figure ci-dessous.
On part d’une source de chaleur (air, terre, eau), qui fournit de la chaleur au liquide réfrigérant qui s’évapore par l’intermédiaire de l’évaporateur. Ensuite, on passe par le compresseur qui comprime le gaz réfrigérant en augmentant sa température. On arrive au condenseur où les gaz chauds cèdent de la chaleur à l’eau du système de chauffage en condensant. Le liquide, ensuite, passe par la vanne d’expansion, où il se dilate en réduisant sa température.

Schéma pompe à chaleur

Schéma pompe à chaleur

Types de pompes à chaleur

Il existe différents types de pompes à chaleur dont le fonctionnement repose sur les mêmes principes. Les pompes à chaleur se divisent, avant tout, en deux catégories principales : 

  • pompes à chaleur monovalentes : indépendantes d’autres générateurs de chaleur ;
  • pompes à chaleur bivalentes : qui s’intègrent avec d’autres générateurs de chaleur, particulièrement adaptées aux zones qui subissent une baisse importante des températures.

En fonction du fluide avec lequel elles échangent de la chaleur, les pompes à chaleur peuvent être classées en 4 types principaux, en indiquant d’abord la source froide (évaporateur) et ensuite le puits chaud (condenseur) : 

  • pompe à chaleur air-eau : elle assure à la fois le chauffage et le refroidissement. Elle fonctionne en générant de la chaleur par échange thermique avec l’air extérieur et en l’utilisant dans un cycle pour transférer la chaleur d’un fluide plus froid à un fluide plus chaud, c’est-à-dire l’eau sanitaire ou celle du système de chauffage ;
  • pompe à chaleur air-air : elle est composée d’au moins deux unités (dont une externe) équipées de splits et d’un système de canalisation de l’air. Les climatiseurs sont des exemples de pompes à chaleur air-air ;
  • pompe à chaleur eau-eau : elle utilise l’eau à la fois comme source froide et comme source chaude, dans les deux cas, l’échange thermique à l’évaporateur et au condenseur se fait entre le fluide réfrigérant et l’eau ;
  • pompe à chaleur terre-eau (pompe à chaleur géothermique) : elle chauffe l’eau en utilisant la chaleur présente dans le sol, la capturant à travers une sonde géothermique. Ce type de machine a une haute efficacité énergétique, surtout lorsqu’elle est associée à des systèmes de chauffage à basse température. En revanche, elle nécessite une attention particulière dans son entretien.

Pompe à chaleur monobloc et split : différences

Pour les pompes à chaleur air-eau, deux systèmes distincts ont été développés : le système monobloc et le système split, selon l’endroit où a lieu l’échange d’énergie entre ce qui est récupéré de l’air extérieur et le fluide circulant dans le système de chauffage.
Dans le système split, le transfert d’énergie a lieu dans un échangeur gaz-eau situé dans une enveloppe distincte de l’unité externe qui a absorbé la chaleur de l’air. Cet échangeur est normalement situé à l’intérieur du logement et est contenu dans un module qui ressemble pour sont encombrement à une chaudière.

Dans le système monobloc, en revanche, l’échangeur est contenu dans l’unité externe elle-même, créant une seule unité.

Ainsi, la principale différence entre les deux systèmes réside dans le fait que dans la pompe à chaleur monobloc, tous les composants sont regroupés ensemble, tandis que dans celle split, ils sont répartis sur deux unités distinctes, une unité interne et une externe.

Pompe à chaleur monobloc et split

Pompe à chaleur monobloc et split

Efficacité et rendement d’une pompe à chaleur

Au cours de son fonctionnement, la pompe à chaleur : 

  • consomme de l’énergie électrique dans le compresseur ;
  • absorbe de la chaleur à l’évaporateur, provenant de l’environnement, qui peut être de l’air ou de l’eau ;
  • cedé la chaleur au milieu à chauffer dans le condenseur (air ou eau).

L’avantage de l’utilisation de la pompe à chaleur réside dans sa capacité à fournir plus d’énergie (chaleur) que celle électrique utilisée pour son fonctionnement car elle extrait la chaleur de l’environnement extérieur (air-eau).
Les pompes à chaleur représentent la solution idéale pour réduire la consommation et les émissions de CO2 et, par conséquent, pour préserver l’écosystème de notre planète. Elles sont, par exemple, l’un des systèmes centraux et indispensables pour les bâtiments nZEB. L’efficacité d’une pompe à chaleur est mesurée par le COP (coefficient de performance) qui est le rapport entre l’énergie fournie (chaleur cédée au milieu à chauffer) et l’énergie électrique consommée.

Le COP varie en fonction du type de pompe à chaleur et des conditions de fonctionnement et a généralement des valeurs proches de 3. Cela signifie que pour 1 kWh d’énergie électrique consommée, elle fournira 3 kWh (2580 kcal) de chaleur au milieu à chauffer.

Le COP sera d’autant plus élevé que la température à laquelle la chaleur est cédée (dans le condenseur) est plus basse et que celle de la source d’où elle est absorbée (dans l’évaporateur) est plus élevée.

De plus, il faut considérer que la puissance thermique fournie par la pompe à chaleur dépend de la température à laquelle elle absorbe la chaleur.

Comment fonctionne une pompe à chaleur pour la climatisation ?

La pompe à chaleur est capable d’assurer également la fonction de refroidissement. La condition préalable fondamentale est que la pompe à chaleur soit conçue de manière réversible, c’est-à-dire que le processus thermodynamique de l’unité puisse être inversé.
Dans ce cas, la pompe à chaleur extrait la chaleur des espaces habitables et la transfère à l’environnement autour (air, terre ou eau) à travers le circuit de récupération de chaleur précédemment décrit.

Il existe deux options disponibles pour le refroidissement : 

  • refroidissement actif : nécessite une énergie électrique supplémentaire pour activer le compresseur. Bien qu’il entraîne des coûts supplémentaires, il offre une capacité de refroidissement supérieure par rapport au refroidissement passif. Cette modalité est souvent utilisée avec les pompes à chaleur air-eau ;
  • refroidissement passif : est plus efficace du point de vue énergétique, mais peut être mis en œuvre uniquement avec les pompes à chaleur eau glycolique-eau ou eau-eau. Dans ce cas, la pompe à chaleur n’est pas complètement active et la chaleur du bâtiment est transférée à la source d’énergie uniquement par la pompe de circulation.

Comment fonctionne une pompe à chaleur en hiver ?

Parler d’exploiter la chaleur ambiante en hiver pourrait sembler un concept inhabituel. Cependant, tant que la température de la source de chaleur (air, terre ou eau) reste supérieure au point d’ébullition du fluide frigorigène qui transporte l’énergie thermique, il est possible d’utiliser efficacement la chaleur ambiante pour le chauffage et la production d’eau chaude.
Étant donné que le point d’ébullition des fluides frigorigènes couramment utilisés se situe entre un maximum de -57°C et un minimum de -12°C Celsius, le fonctionnement du système de chauffage est garanti de manière fiable même pendant l’hiver.

Dans le cas où l’installation atteindrait sa limite lors de journées exceptionnellement froides, un élément chauffant électrique supplémentaire serait activé pour garantir la sécurité.

L’efficacité d’une pompe à chaleur en hiver est influencée par sa conception. Les variations de température des sources d’énergie pour les pompes à chaleur solution saline-eau (géothermie) et eau-eau (nappe phréatique) sont significativement inférieures à celles de la pompe à chaleur air-eau. Dans le sol, la température reste d’au moins 10°C toute l’année à partir d’une profondeur de 10 mètres.

Quels sont les avantages de la pompe à chaleur ?

Les principaux avantages de l’utilisation d’une pompe à chaleur pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire sont liés aux sources d’énergie renouvelables et gratuites à partir desquelles la pompe extrait la chaleur à destiner aux bâtiments.
D’autres avantages comprennent : 

  • des économies considérables sur les factures ;
  • des coûts d’entretien bas ;
  • une faible empreinte environnementale ;
  • l’accès aux avantages fiscaux.

Les inconvénients des pompes à chaleur sont essentiellement liés aux coûts d’installation et à l’encombrement. Plutôt que des inconvénients, il faut parler de précautions dans le choix des modèles.

 

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