Pompe à chaleur : comment ça marche ?

Avant d’entrer dans le vif du sujet, qui est le mécanisme d’une pompe à chaleur, il est important de rappeler les différentes formes que ce matériel peut prendre. Actuellement, deux grandes familles de PAC sont proposées sur le marché. Il s’agit des :

• Pompes à chaleur aérothermiques ;
• Pompes à chaleur géothermiques.

Les PAC aérothermiques se déclinent en deux modèles : PAC air-air et PAC air-eau. Tandis que les PAC géothermiques se composent de 4 modèles, lesquels sont la PAC eau-eau, la PAC eau glycolée-eau, la PAC sol-eau et la PAC sol-sol.

La pompe à chaleur utilise comme source d’énergie les calories présentes dans l’air, dans l’eau ainsi que dans le sol. Celles-ci sont converties en chaleur par l’intermédiaire d’un liquide caloporteur. Ce dernier produit de la chaleur laquelle sera ensuite envoyée vers des émetteurs pour être diffusée dans tout le logement. En fonction du type de PAC, les émetteurs peuvent être des radiateurs, des ventilo-convecteurs ou un plancher chauffant. Une pompe à chaleur peut également être réversible (chauffage + climatisation) ou produire de l’eau chaude sanitaire.

Pour la pompe à chaleur aérothermique, elle fonctionne suivant un cycle thermodynamique par aérothermie. C’est-à-dire qu’elle transforme les calories présentes dans l’air en chaleur par l’intermédiaire d’un fluide frigorigène. Le processus peut différer en fonction du type de PAC aérothermique :

Pompe à chaleur air-air

Cette forme de pompe à chaleur se compose en deux modules distincts reliés entre eux par un circuit de liquide caloporteur appelé couramment fluide frigorigène. Le premier module installé à l’extérieur se présente comme le cerveau du matériel. Il est chargé d’aspirer l’air puis d’en puiser les calories par l’intermédiaire du fluide frigorigène. Ce dernier passe alors à l’état gazeux puis sa température augmente afin qu’il dégage de la chaleur. C’est cette chaleur qui est envoyée au second module placé à l’intérieur servant également d’émetteur pour être diffusé dans toute l’habitation. La pompe à chaleur air-air est par ailleurs réversible, ce qui signifie qu’elle peut aussi rafraîchir grâce à l’inversion de son processus de chauffage. En gros, l’air chaud de l’intérieur est rejeté vers l’extérieur tandis que de l’air frais de l’extérieur est injecté dans le logement.

Pompe à chaleur air-eau

Cette forme de pompe à chaleur est la plus utilisée dans l’Hexagone. Elle fonctionne à peu près comme la PAC air-air à la seule différence qu’au lieu d’un transfert thermique direct par fluide frigorigène d’une unité à une autre, c’est un circuit d’eau qui est chauffée. L’eau chauffée servira à alimenter différents émetteurs, tels qu’un plancher chauffant, un radiateur ou un chauffe-eau. Contrairement à une PAC air-air, une pompe à chaleur air-eau n’est pas naturellement réversible. Par contre, en la couplant avec un ventilo-convecteur à eau, elle peut devenir un véritable système de climatisation.

Si la pompe à chaleur aérothermique a pour source d’énergie l’air extérieur, la pompe à chaleur géothermique quant à elle, utilise l’énergie contenue dans le sol ou la nappe phréatique pour produire de la chaleur ou de l’eau chaude sanitaire. Différents systèmes de chauffage par géothermie sont disponibles sur le marché afin de répondre à tous les besoins.

Pompe à chaleur sol-sol

La pompe à chaleur sol-sol utilise un réseau de capteurs enterrés à l’horizontale dans le sol, à une profondeur de 0,60 m à 1,20 m, pour puiser l’énergie contenue dans le sol. La surface de captage utilisée doit être de 1,5 à 2 fois supérieure à la superficie à chauffer. Cette méthode convient dans le cadre d’un projet de construction neuve. Pour ce type de pompe géothermique, un seul circuit de fluide frigorigène assure le transfert thermique ; on parle alors de détente directe.

Pompe à chaleur sol-eau

La pompe à chaleur sol-eau utilise la même méthode de captage que la PAC sol-sol. Par contre la technologie utilisée est dite mixte : un circuit de fluide frigorigène relie les capteurs à la pompe à chaleur tandis qu’un circuit d’eau assure la jonction entre la PAC et les émetteurs. Cela permet facilement d’intégrer un système d’eau chaude sanitaire (ECS) sans besoin d’une installation compliquée. La PAC sol-eau peut par ailleurs être réversible si elle couplée avec un système de ventilo-convecteur à eau. Bien qu’elle ne remplace pas un système de climatisation classique, elle permet tout de même de faire descendre la température de quelques degrés lors des périodes estivales.

Pompe à chaleur eau-eau

Ce type de pompe à chaleur géothermique est uniquement adapté aux habitations se trouvant au-dessus d’une nappe phréatique. Pour cette pompe à chaleur eau-eau, la méthode de captage à la verticale sur nappe est celle utilisée. Il s’agit de forer un puits jusqu’à une profondeur de 100 m dans lequel les capteurs sont mis en place. Concernant la technologie, elle diffère des précédentes pompes. C’est par le biais de fluides intermédiaires que la liaison thermique se fait : 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. Cette pompe à chaleur est la plus performante dans la mesure où elle capte de l’eau à une température située entre 8°C et 12°C, ce qui lui permet d’avoir un coefficient de performance (COP) de l’ordre de 5, c’est-à-dire que pour 1 kWh d’électricité consommée, la pompe à chaleur restitue 5 kWh sous forme de chaleur.

Pompe à chaleur eau glycolée-eau

Il s’agit d’une forme particulière de pompe à chaleur eau-eau. Le principe d’une pompe à chaleur eau glycolée-eau repose sur la technologie de fluides intermédiaires à l’instar de la PAC eau-eau, mais la différence réside dans le fait que la méthode de captage peut être à l’horizontale ou à la verticale sans nécessité de travaux de forage au-dessus d’une nappe phréatique. Dans le fonctionnement d’une pompe à chaleur eau glycolée-eau, les circuits de fluide frigorigène sont remplacés par un circuit d’eau glycolée pour éviter le gel.