Comment fonctionne une pompe à chaleur ?

Depuis quelques années déjà, la pompe à chaleur s’est trouvée une belle place dans les foyers français. Il n’y a plus que les commerces, bureaux et locaux professionnels qui bénéficient de ses performances en matière de chauffage. Le fonctionnement d’une pompe à chaleur repose sur un cycle thermodynamique. L’appareil utilise une source énergie qualifiée de renouvelable : les calories présentes dans l’air, dans le sol et dans la nappe phréatique. Il les transforme en chaleur par l’intermédiaire d’un liquide caloporteur. Tour d’horizon sur le mécanisme de la pompe à chaleur aérothermique et géothermique.

Comment fonctionne une pompe à chaleur ?
Tout savoir sur les fonctions d'une pompe à chaleur (PAC)

Principe universel de la pompe à chaleur

Que ce soit par aérothermie ou par géothermie, le fonctionnement d’une pompe à chaleur repose sur un cycle thermodynamique. Elle puise l’énergie contenue dans l’air, le sol ou la nappe phréatique pour la convertir en chaleur puis diffuser celle-ci à l’intérieur de l’habitation. Le processus diffère d’un modèle de pompe à chaleur à une autre dans la mesure où chacune d’entre elles peut utiliser sa propre technologie.

Quels sont les différents types de pompe à chaleur ?

Afin de répondre aux besoins de consommateurs tout en exploitant au maximum différentes énergies présentes dans la nature, différents types de pompe à chaleur sont proposés sur le marché. Deux grandes familles sont proposées sur le marché et celles-ci se déclinent en plusieurs modèles :

Familles de pompe à chaleur Types de pompe à chaleur
Pompe à chaleur aérothermique Air-air
Air-eau
Pompe à chaleur géothermique Sol-sol
Sol-eau
Eau-eau
Eau glycolée-eau

Mécanisme d’une pompe à chaleur aérothermique

Comme son nom le suggère, la pompe à chaleur aérothermique utilise l’air comme source d’énergie. Son mécanisme n’est pas le même s’il s’agit d’une PAC air-air ou d’une PAC air-eau :

Modèle de pompe à chaleur aérothermique Caractéristiques
Pompe à chaleur air-air

- Pour la pompe à chaleur air-air, celle-ci se compose généralement de deux modules, dont l’une installée à l’intérieur et l’autre mise en place l’extérieur. C’est l’unité extérieure qui est chargée d’aspirer l’air puis d’en puiser les calories qui seront ensuite transformées en chaleur par l’intermédiaire d’un circuit de liquide caloporteur couramment appelé fluide frigorigène.
- La PAC air-air est également connue sous l’appellation pompe à chaleur réversible dans la mesure où en plus du chauffage, elle permet aussi de rafraîchir l’habitation. En inversant son processus, elle offre une véritable solution de climatisation.

Pompe à chaleur air-eau

Pour la pompe à chaleur air-eau, celle-ci aspire l’air extérieur pour en récupérer les calories afin de permettre au fluide frigorigène de transmettre de la chaleur après des opérations de condensation, de compression et d’élévation de température. La chaleur obtenue viendra alimenter un réseau d’eau. L’eau chauffée sera transmise au système de chauffage (plancher chauffant, ventilo-convecteur à eau ou radiateurs) ainsi qu’au système de production d’eau chaude sanitaire.

Mécanisme d’une pompe à chaleur géothermique

La pompe à chaleur géothermique utilise l’énergie contenue dans le sous-sol pour la convertir en chaleur afin de la diffuser dans l’habitation. Par rapport à la PAC aérothermique, elle est beaucoup plus performante grâce au puisage de calories dans le sol, lesquelles ne sont pas vraiment affectées par la température extérieure. Le principe d’une pompe à chaleur géothermique diffère d’une technologie à une autre. Alors, comment ça marche une pompe à chaleur utilisant l’énergie contenue dans le sol ?

Modèle de pompe à chaleur géothermique Caractéristiques
Pompe à chaleur sol-sol

- Des travaux de terrassement sont réalisés pour l’enfouissement des capteurs ;
- Méthode de captage à l’horizontale : capteurs enterrés à une profondeur de 0,6 m à 1,20 m ;
- Superficie du réseau de capteurs équivalent à 1,5 fois jusqu’à 2 fois la surface à chauffer ;
- Technologie de détente directe : un seul circuit de fluide frigorigène depuis les capteurs jusqu’aux émetteurs en passant par la pompe à chaleur ;
- Les capteurs puisent les calories contenues dans le sol par l’intermédiaire du fluide frigorigène ;
- La pompe à chaleur transmet la chaleur provenant du fluide frigorigène aux émetteurs ;
- Les émetteurs diffusent la chaleur dans toute l’habitation.

Pompe à chaleur sol-eau

- Même travaux et même méthode de captage que pour la pompe à chaleur sol-sol ;
- Technologie mixte : un circuit de fluide frigorigène dans les capteurs et la pompe à chaleur et un circuit d’eau dans les émetteurs de chaleur ;
- La chaleur obtenue par élévation de la température du fluide frigorigène après captage des calories est injectée dans le circuit d’eau ;
- L’eau chauffée alimente ensuite le système de chauffage ainsi que le circuit d’eau chaude sanitaire.

Pompe à chaleur eau-eau

- Des travaux de forage sont réalisés pour l’enfouissement des capteurs ;
- Méthode de captage sur nappe phréatique : capteurs enterrés dans un puits jusqu’à une profondeur de 100 m ;
- Technologie de fluides intermédiaires : un circuit de fluide frigorigène dans les capteurs, un circuit de fluide frigorigène dans la pompe à chaleur et un circuit d’eau dans les émetteurs ;
- Les capteurs puisent les calories dans la nappe phréatique par l’intermédiaire du fluide frigorigène ;
- La chaleur obtenue dans le premier circuit est envoyée vers le circuit de fluide frigorigène de la pompe à chaleur ;
- Le fluide frigorigène de la PAC s’évapore par compression puis sa chaleur est envoyée dans le circuit d’eau des émetteurs ;
- Les émetteurs diffusent la chaleur dans l’habitation ou produisent de l’eau chaude sanitaire.

Pompe à chaleur eau glycolée-eau

- Même technologie que la pompe à chaleur eau-eau ;
- 2 méthodes de captage : à l’horizontale ou à la verticale ;
- Ne nécessite pas un forage au-dessus d’une nappe phréatique ;
- Circuit de fluide frigorigène remplacé par un liquide caloporteur à base d’eau glycolée.

La pompe à chaleur géothermique eau-eau offre le meilleur rendement parmi tous les modèles confondus de pompe à chaleur aérothermique et géothermique. Son coefficient de performance ou COP est généralement de 5, c’est-à-dire que pour une consommation électrique de 1 kWh, la pompe à chaleur produit 5 kWh d’énergie thermique (chaleur). Pour les pompes à chaleur aérothermique, le COP se situe généralement autour de 3 tandis que pour les autres pompes à chaleur géothermique, le COP est entre 3 et 4.

Résumé

La pompe à chaleur fonctionne sur un principe universel de transformation des calories présentes dans l’environnement (air, sol et nappe phréatique) pour les transformer en chaleur via un liquide caloporteur. Cela fait alors de cet appareil un équipement écologique et économique en énergie puisqu’il ne consomme pas beaucoup d’électricité sauf pour sa mise en marche.

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