Fonctionnement des pompes à chaleur : Explication claire et détaillée

Classée dans la catégorie de l’énergie verte, la pompe à chaleur est un système de chauffage adapté à tous les logements. Elle consomme moins d’électricité, car fonctionnant à partir de sources d’énergie naturelles prélevées directement sur l’environnement. Ce système ingénieux fonctionne différentes manières selon la source d’énergie exploitée. Le principe est simple : convertir l’énergie extérieure pour réchauffer l’intérieur d’une maison et les sanitaires. Dans les détails, nous parlerons de principe physique dont le but est de transformer les calories présentes dans l’eau, le sol et l’air en énergie exploitable.

Fonctionnement général d’une pompe à chaleur

La pompe à chaleur est une machine qui va puiser des calories dans notre environnement extérieur : air, eau, sol. Ces calories représentent des sources d’énergie intarissables. En principe, elles sont froides. Le but de la pompe est de transformer ces sources froides en énergies chaudes, exploitables pour maintenir l’intérieur d’un logement au chaud. Ce phénomène s’effectue via la thermodynamique : l’énergie mécanique (les calories extérieures) est transformée en énergie thermique (chaleur pour la maison) répartie par des appareils chauffants. La pompe à chaleur fonctionne de la même manière qu’un réfrigérateur. Celui-ci va utiliser une chaleur intérieure pour diffuser de l’air froid. La pompe va en faire de même, mais elle utilisera une source extérieure pour une diffusion thermique à l’intérieur de la maison via le système de chauffage. Voici les étapes de transformation des calories en énergie thermique à l’intérieur d’une pompe à chaleur :

• La chaleur ambiante/ les calories sont récupérées et transférées par l’échangeur de chaleur dans le réfrigérant. En contact de la chaleur, le réfrigérant (fluide à basse température) se vaporise instantanément ;
• Le produit gazeux obtenu (réfrigérant transformé en vapeur) est comprimé par un compresseur. Sous cet effet, le réfrigérant va augmenter en température, toujours sous forme de gaz ;
• Ce gaz est déversé dans le condensateur, un échangeur va extraire la chaleur du gaz chaud. Celui-ci sera déplacé vers l’accumulateur de chaleur puis vers le circuit de distribution de chaleur. Le système de refroidissement est enclenché pour liquéfier le réfrigérant, c’est-à-dire que ce gaz va passer à l’état liquide ;
• A la fin, la pression est lentement retirée pour que ce liquide puisse s’évaporer et être diffusé sous forme de chaleur dans les locaux du logement.

Le fonctionnement peut légèrement varier en fonction de la pompe à chaleur. La différence se situe surtout au niveau du type de calorie transformée de la transformation via le circuit frigorifique. Dans tous les cas, le résultat reste la diffusion de chaleur par évaporation du liquide.

Les différents types de pompes à chaleur

Les pompes à chaleur sont classées en fonction de l’énergie exploitée : pompe à chaleur air-air, pompe à chaleur air-eau, pompe à chaleur géothermique (sol) et aquathermique (l’eau). Le principe de fonctionnement des machines est le même avec quelques différences, surtout au niveau de l’exploitation de la source d’énergie.

La pompe à chaleur air-air

Cette pompe exploite les calories dans l’air, précisément la chaleur ambiante. À noter que la température de celle-ci est variable en fonction des saisons, ayant un impact sur l’énergie produite. Ce type de pompe s’appuie sur le système de ventilation pour transformer l’air extérieur en chaleur intérieure. Cette machine est adaptée pour des climats tempérés si vous souhaitez avoir des résultats probants. En hiver, la pompe à chaleur air-air n’est pas optimale en raison d’un air ambiant glacial, en extraire de la chaleur est ainsi très difficile. Ce type de pompe est facile à installer. Vous avez besoin d’une unité extérieure reliée à une unité intérieure. Celle-ci est connectée à des ventilo-convecteurs qui diffusent la chaleur dans les pièces de la maison. Nous conseillons d’avoir d’excellents systèmes de ventilation et de chauffage principal pour optimiser le confort thermique.

Pompe à chaleur air-eau

La pompe à chaleur air-eau s’appuie sur un dispositif de chauffage hydraulique. La machine va extraire les calories dans l’air pour les transférer dans le circuit d’eau du chauffage. L’équipement dispose d’une unité extérieure, chargée de capter les énergies dans l’air. Celles-ci sont transférées vers l’unité intérieure chargée de les transformer. Les énergies converties sont réparties dans les radiateurs, planchers chauffants, etc. (toute installation de chauffage présente dans le logement). Ce type d’installation est complexe, mais le rendement énergétique est intéressant sur le long terme.

Pompe à chaleur géothermique et aérothermique

Très élaborée, la pompe à chaleur géothermique fonctionne à l’aide de capteurs enterrés dans le sol. Ce sont généralement des tubes chargés de capter l’énergie thermique pour les transférer à l’intérieur de la maison. Les capteurs sont enterrés près de la maison et une étude est effectuée avant de débuter les installations :

• Soit des capteurs horizontaux enfoncés à 1 m du sol sur une surface horizontale. Cette installation est adaptée aux grands domaines avec une surface habitable spacieuse ;
• Ou des capteurs verticaux enterrés jusqu’à 100 m dans le sol.

Si la source d’énergie exploitée est l’eau (nappe phréatique, rivière, puits, etc.), les ingénieurs doivent s’assurer que la source soit intarissable. Si ce n’est pas le cas, ils devront repérer une autre source de secours en cas d’absence d’eau chez la première. D’ailleurs, cette démarche ne peut être entamée sans une autorisation de l’administration des eaux et services sanitaires.

La pompe à chaleur comme système de refroidissement

La pompe à chaleur est une machine à double fonction : elle réchauffe, mais refroidit aussi les habitations. Ce système de refroidissement n’est toutefois accessible que chez les pompes à chaleurs réversibles : le processus thermodynamique est inversé par le même circuit. La pompe va capter la chaleur thermique de la maison et la rejeter à l’extérieur. Selon l’installation, le processus de refroidissement s’effectue de deux manières : active ou passive. Le refroidissement actif est possible via le compresseur, activé en fonctionnement réversible. Vous devez ajouter un autre courant pour que la capacité de fonctionnement soit effective et que la pompe puisse générer assez d’énergie pour refroidir la maison. Le refroidissement passif est moins complexe, reposant uniquement sur l’énergie de la pompe à circulation.

Les modes de fonctionnement d’une pompe à chaleur

Deux modes de fonctionnement sont accessibles avec les pompes à chaleur : monovalent ou bivalent. Le choix entre les deux se base sur vos besoins et de la situation structurelle. Le mode monovalent consiste à n’utiliser que la pompe comme source de chaleur principale pour tout le logement. Cette option est conseillée si l’habitation jouit d’une isolation énergétique optimisée. Le mode bivalent est l’utilisation de la pompe à chaleur avec d’autres systèmes de chauffage : chauffage à gaz, au mazout, au bois, etc. Selon le type de bâtiment, vous pouvez aussi combiner avec un système de chauffage solaire.

Efficacité d’une pompe à chaleur

Toutes les pompes s’appuient sur le même principe de la thermodynamique. Pour déterminer l’efficacité d’une pompe, vous devez établir un rapport entre la chaleur ambiante disponible et l’énergie électrique fournie pour disposer de la chaleur nécessaire à diffuser en intérieur. Vous pouvez ainsi mesurer en deux ratios : soit par le SCOP (seasonal coefficient of performance) ou coefficient de performance saisonnière, soit par COP ou le coefficient de performance annuel. Le SCOP est indiqué par les fournisseurs et donne des résultats de laboratoire. Les pompes à chaleur ont été testées dans des conditions réelles d’utilisation avant d’être commercialisées, fournies avec le degré d’efficacité. Le COP est issu d’une étude directe sur terrain. L’efficacité de la pompe est mesurée à l’année, dans des conditions variables et réelles. Vous n’accéderez pas aux résultats d’efficacité qu’une fois la pompe mise en service.