Comment marchent les pompes à chaleur ?

Les pompes à chaleur (PAC) sont des systèmes de chauffage et de climatisation innovants qui capturent l’énergie présente dans l’air extérieur pour chauffer ou rafraîchir votre maison. On parle souvent de pompes à chaleur air/eau et de climatisations réversibles.

Elles sont devenues ces dernières années un élément presque familier et de plus en plus banalisé à côté de nos maisons ou sur les balcons de nos appartements.  Les progrès conséquents faits ces 20 dernières années par rapport à l’amélioration de leurs performances et de leur fiabilité ainsi que la réduction du bruit, font des pompes à chaleur la solution optimale lorsqu’il s’agit de construire un logement, ou de rénover son système de chauffage.

L’autre gros avantage des pompes à chaleur est d’apporter un confort devenu indispensable pour faire face à des étés de plus en plus en chaud et de plus en plus longs.

Mais comment ça marche ? Qu’y a-t-il dans ces « boîtes » que l’on voit partout ?
C’est ce que nous allons vous expliquer, avec 2 approches différentes. Une première pour ceux qui ne souhaite qu’une compréhension générale du principe de fonctionnement et une deuxième pour ceux qui souhaitent approfondir ce sujet.

Partie 1 : Principe général de fonctionnement des pompes à chaleur

Les unités extérieures que vous voyez sur les murs ou dans les jardins contiennent des composants essentiels :

1. Un Compresseur : Il augmente la pression du fluide frigorigène, ce qui augmente sa température.
2. Un Évaporateur : Il permet au fluide frigorigène de capter la chaleur de l’air extérieur.
3. Un Ventilateur : Il assure la circulation de l’air extérieur à travers l’évaporateur.

Et à l’intérieur de l’habitation, comme il est nécessaire de diffuser la chaleur captée à l’extérieur, il y a une ou plusieurs unités intérieures qui contiennent un condenseur qui transfère la chaleur du fluide frigorigène à l’eau (pour les PAC air/eau) ou directement à l’air intérieur (pour les climatisations réversibles).

Pourquoi les pompes à chaleur permettent-elles de faire des économies ?

Les pompes à chaleur sont économes en énergie parce qu’elles déplacent la chaleur plutôt que de la générer en brûlant des combustibles. Elles consomment beaucoup moins d’électricité que les systèmes de chauffage traditionnels pour une quantité de chaleur équivalente. Pour chaque kilowatt-heure d’électricité consommée, une PAC peut produire jusqu’à quatre kilowatt-heures de chaleur, ce qui en fait une solution très efficace. 

Partie 2 : Détails thermodynamiques du fonctionnement d’une pompe à chaleur

Dans cette partie, nous explorons en profondeur les principes thermodynamiques sur lesquels repose une pompe à chaleur, notamment le cycle thermodynamique qu’elle utilise pour extraire la chaleur de l’air extérieur et la transférer à l’intérieur de votre maison.

Les pompes à chaleur fonctionnent grâce au cycle de Carnot, aussi appelé cycle frigorifique. Ce cycle implique quatre étapes : évaporation, compression, condensation, et détente. Chacune de ces étapes entraîne des variations de pression et de température du fluide frigorigène.

1. Étape d’évaporation (Absorption de la chaleur extérieure)

L’évaporateur, qui est un échangeur thermique, permet au fluide frigorigène d’absorber la chaleur présente dans l’air extérieur.

• Processus : Dans cette première étape, le fluide frigorigène circule à l’état liquide, à basse température et basse pression (par exemple -10°C à 2 bars). En passant dans l’évaporateur, le fluide frigorigène capte l’énergie thermique de l’air extérieur, suffisamment pour atteindre son point d’évaporation, ce qui le fait passer de l’état liquide à l’état gazeux.
• Explication physique : La chaleur est transférée par conduction entre l’air extérieur et le fluide frigorigène. Ce processus est possible même si l’air extérieur est à une température de 5°C, parce que le fluide frigorigène a une température encore plus basse (-10°C), permettant un flux de chaleur de l’air vers le fluide.
• Exemple : Pour un fluide frigorigène typique, comme le R410A, l’évaporation à une température de -10°C pourrait se produire à une pression de 2 bars. À cette étape, le fluide capte l’énergie (chaleur latente de vaporisation), qui est fondamentale pour la suite du processus.

2. Étape de compression (Augmentation de la température et de la pression)

Le fluide frigorigène gazeux entre ensuite dans le compresseur.

• Processus : Dans le compresseur, le gaz frigorigène est comprimé, ce qui augmente considérablement sa pression (jusqu’à environ 15 bars) et sa température (jusqu’à 80°C).
• Explication physique : En compressant un gaz, on applique un travail mécanique qui accroît son énergie interne, ce qui se traduit par une élévation de la température. Ce phénomène est expliqué par la première loi de la thermodynamique, où l’énergie de travail appliquée au gaz se transforme en chaleur.
• Exemple : Après la compression, le fluide frigorigène peut atteindre une température de 80°C et une pression de 15 bars. Cette augmentation de température rend le fluide frigorigène prêt à céder de la chaleur dans l’étape suivante.

3. Étape de condensation (Transfert de chaleur à l’intérieur de la maison)

Le gaz chaud et sous haute pression arrive ensuite au condenseur, qui est situé à l’intérieur ou dans l’unité intérieure de la PAC pour chauffer l’eau ou l’air.

• Processus : Le fluide frigorigène cède la chaleur accumulée à un autre fluide (généralement de l’eau pour une PAC air/eau ou de l’air intérieur pour une climatisation réversible). En libérant cette chaleur, le fluide frigorigène retourne à l’état liquide.
• Explication physique : En passant dans le condenseur, le fluide frigorigène à haute température (par exemple 80°C) cède de la chaleur à un fluide plus froid (par exemple de l’eau à 30°C). Cette libération de chaleur provoque la condensation du fluide frigorigène, qui se refroidit mais reste sous haute pression (environ 15 bars).
• Exemple : Dans le condenseur, le fluide frigorigène pourrait passer de l’état gazeux à une température de 80°C à l’état liquide à environ 35°C, tout en restant à une pression de 15 bars. Ce transfert de chaleur est le cœur du fonctionnement de la PAC, car il permet de chauffer l’intérieur de la maison.

4. Étape de détente (Retour aux conditions initiales)

Le fluide frigorigène liquide passe ensuite dans un détendeur, qui réduit brusquement sa pression.

• Processus : En passant dans le détendeur, le fluide frigorigène subit une détente isenthalpique (sans apport ni retrait de chaleur), ce qui fait chuter sa pression et sa température.
• Explication physique : Lorsqu’un liquide subit une détente rapide, son énergie interne diminue, ce qui réduit sa température. Le fluide retourne ainsi à des conditions de basse pression et basse température, prêtes pour recommencer le cycle dans l’évaporateur.
• Exemple : Après la détente, le fluide frigorigène pourrait atteindre une température de -10°C et une pression de 2 bars, prêt à capter de nouveau la chaleur extérieure.

Inversion de cycle

Grâce à une vanne spéciale à l’intérieur du groupe extérieur, appelée « vanne 4 voies », le cycle frigorifique peut être inversé. Ce qui permet au condenseur de devenir un évaporateur, et à l’évaporateur de devenir un condenseur.  De ce fait, on capte la chaleur à l’intérieur de l’habitation et on la diffuse à l’extérieur. Suivant les modèles, on peut climatiser jusqu’à 45°, voir jusqu’à 52° à l’extérieur.

Performance et Coefficient de Performance (COP)

Le coefficient de performance (COP) est une mesure de l’efficacité de la pompe à chaleur. Il s’agit du rapport entre l’énergie thermique transférée à l’intérieur et l’énergie électrique consommée pour faire fonctionner le compresseur.

• Calcul du COP : Si une PAC consomme 1 kWh d’électricité pour transférer 3 kWh de chaleur dans la maison, son COP sera de 3. Ce rapport dépend de la température extérieure : plus la température extérieure est basse, plus le compresseur doit travailler pour atteindre une température élevée, ce qui diminue le COP.
• Exemple dans la région : À Aix-en-Provence ou Pertuis, où les hivers sont relativement doux (températures moyennes entre 5 et 10°C), les pompes à chaleur peuvent fonctionner avec un COP élevé, souvent autour de 3 à 4, ce qui permet des économies d’énergie significatives.

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