Pompe à chaleur

Depuis quelques années, nous entendons de plus en plus parler des pompes à chaleur. Tantôt elles sont considérées comme révolutionnaires, tantôt décriées pour leur consommation électrique.

Nous allons ici vous expliquer les principes physiques sur lesquels elles reposent, et vous montrer la manière dont elles peuvent être utilisées dans l’habitat.

pompe a chaleur1
Une pompe à chaleur de forte puissance

1. Pompe à chaleur: le fonctionnement

La pompe à chaleur repose sur les mêmes bases qu’un réfrigérateur. Dans le cas de ce dernier, on prend de la chaleur en son sein, et on la rejette dans la pièce.

Lorsque l’on utilise une pompe à chaleur, l’objectif est de « pomper » de la chaleur dans l’air extérieur, pour l’injecter dedans. Cela semble facile à mettre en œuvre lorsque cet air est chaud, comme par exemple en été.

Mais une pompe à chaleur doit être en mesure de fournir de la chaleur toute l’année, y compris lorsque la température extérieure passe en dessous du zéro.

Dès lors, il est légitime de se demander comment on peut chauffer un logement à 20°C alors que la température extérieure est de -5°C. Nous allons pour cela utiliser un fluide frigorigène.

Ce dernier est spécialement conçu pour fonctionner de manière optimale avec les températures usuelles.

Pour comprendre le mécanisme, il faut s’intéresser au cycle que décrit le fluide dans la pompe à chaleur. On peut découper ce cycle en quatre parties distinctes, qui correspondent à quatre parties de la pompe à chaleur.

elements pompe a chaleur

1 : évaporateur ; 2 : compresseur ; 3 : condenseur ; 4 : détendeur ; 5 : source froide (air extérieur, rivière, …) ; 6 : source chaude (eau/air de chauffage)

Le fonctionnement de ces éléments est détaillé page suivante.

2. Pompe à chaleur: Le cycle frigorigène

elements pompe a chaleur

1 à 2 : le fluide passe premièrement dans l’évaporateur de la pompe à chaleur. Dans cet élément, il s’évapore. La pression du fluide est en effet réglée et automatiquement ajustée de manière à ce que sa température d’évaporation soit celle de l’évaporateur (soit approximativement la température extérieure). Cette transformation est isotherme (elle se déroule à température constante) et endothermique (elle absorbe de l’énergie) ; de ce fait, le fluide emmagasine une grande quantité d’énergie sous forme latente, sans que sa température n’augmente.

2 à 3 : le fluide « contient » désormais l’énergie. Il va ensuite passer dans le compresseur de la pompe à chaleur. C’est cette étape qui consomme de l’électricité, qui est absorbée par le compresseur. Le fait de compresser le fluide (désormais sous forme gazeuse) va permettre de le placer dans un état de température est de pression qui soit compatible avec la transformation suivante.

3 à 4 : le fluide arrive dans le condenseur (et non pas condensateur) de la pompe à chaleur. Du fait de sa compression (étape 2 à 3), le fluide est dans un état tel qu’il se condense. A l’inverse de l’évaporation, la condensation est une transformation exothermique, c’est à dire qu’elle rejette de l’énergie (sous forme de chaleur). On va alors récupérer cette chaleur au moyen d’un fluide secondaire : l’eau de chauffage.

4 à 1 : pour pouvoir recommencer un nouveau cycle, il est nécessaire de faire chuter la pression du fluide, afin qu’il puisse se ré évaporer. Pour cela on le fait passer dans un détendeur. Le fluide est alors prêt à débuter un nouveau cycle.

3. Pompe à chaleur: leur intérêt

Comme nous l’avons dit précédemment, une pompe à chaleur consomme de l’énergie électrique, afin d’alimenter son compresseur. On peut alors se demander si l’économie réalisée n’est pas engloutie par cette consommation.

On peut schématiser les échanges d’énergie dans une pompe à chaleur de la manière suivante :

flux energie pompe a chaleur

Qf est la quantité d’énergie que la pompe à chaleur « aspire » dans la source froide. Qc est au contraire la quantité de chaleur injecté dans le réseau de chauffage. W est la quantité d’énergie électrique consommée par le compresseur de la pompe à chaleur.

A partir de ces quantités d’énergie, on défini un coefficient qui caractérise la performance de la pompe à chaleur : c’est le COP. Ce coefficient est le rapport entre l’énergie utile (la chaleur récupérée) et l’énergie payée (l’électricité).

Pour que la pompe à chaleur soit intéressante, le COP doit être supérieur à 1 ; cela revient à dire que l’on doit récupérer plus de chaleur que l’on a dépensé d’énergie électrique.

Fort heureusement, les pompes à chaleur modernes affichent des COP pouvant aller jusqu’à 5, selon les conditions extérieures. Voilà pourquoi elles sont plébiscitées dans les logements économes.

4. Pompe à chaleur: l’intégration à l’habitation

Il existe différentes façons d’utiliser une pompe à chaleur dans l’habitat. Il semble alors utile d’en rappeler les différents types. On distingue premièrement les pompes à chaleur en fonctions des sources de chaleur mises en jeu.

Les plus répandues sont les pompes à chaleur dites « air eau ». Cela signifie qu’elles vont pomper la chaleur dans de l’air (à l’extérieur), et la rejeter dans de l’eau (l’eau du système de chauffage).

Une variante est le type « air air ». Elles pompent aussi la chaleur dans l’air extérieur, mais la rejettent directement dans l’air intérieur. Il faut alors utiliser des systèmes soufflants, tels que des ventilo-convecteurs.

On rencontre également le type « eau eau ». Dans ce cas là, la chaleur est pompée soit dans une nappe phréatique, soit dans un lac ou une rivière. Le principal avantage est la constance de la température de la source, qui est bien plus stable que dans l’air. Il faut cependant veiller à ce que le débit d’eau soit suffisant, au risque de geler l’installation. Un type « eau air » peut aussi être envisagé.

On classera également les pompes à chaleur en deux catégories : les monoblocs, et les autres.

Dans le premier cas, le fluide frigorigène ne sort jamais de la pompe à chaleur. Elle est placée obligatoirement en extérieur, contient l’évaporateur et le condenseur, et est reliée au réseau de chauffage par un circuit d’eau. Le schéma suivant la détaille.

pompe a chaleur monobloc

On rencontre également des pompes à chaleur séparées en deux blocs. L’un est placé dehors, et renferme l’évaporateur qui est en contact avec l’air extérieur.

Le second bloc, dedans, renferme le condenseur, et est en contact avec l’eau de chauffage. Les deux blocs sont donc reliés entre eux par un circuit de fluide frigorigène.

pompe a chaleur monobloc

5. Pompe à chaleur: la géothermie

La géothermie est également un thème qui est souvent abordé dans les médias. Finalement, il s’agit simplement d’une dérivée de la pompe à chaleur. Au lieu de récupérer la chaleur dans l’air extérieur, on va la pomper dans le sol.

Ce dernier a en effet l’avantage de lisser les variations de température extérieure, et d’avoir une température presque constante durant l’année. En fonction de la nature du sol et du terrain (constitution, surface, présence d’une nappe), on peut envisager des disposition horizontales ou verticales, comme on peut le voir sur le schéma suivant.

pompe a chaleur geothermie verticale

Pour aller plus loin lire les articles suivants