Comment fonctionne une pompe à chaleur ?
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La pompe à chaleur est un système de chauffage utilisant comme combustible des ressources naturelles (air, eau ou sol). C'est une bonne alternative écologique et économique aux chaudières classiques. Elle est d’ailleurs de plus en plus plébiscitée par les ménages : sa proportion dans les logements a quasiment doublé en 4 ans, atteignant 7 % en 2020. Toutefois, ce système est très singulier et son fonctionnement, encore peu connu. Il est préférable de comprendre le fonctionnement d’une pompe à chaleur (PAC) en prévision de son installation, mais aussi de connaître l’ensemble des rouages de la mise en place de ce système.
💡 L'essentiel sur le fonctionnement de la pompe à chaleur :
Il existe différents types de pompes à chaleur, mais tous les modèles ont généralement un mode de fonctionnement identique. Seul le mode de captage peut varier, en fonction de la source de chaleur : air, eau ou sol. La pompe à chaleur se compose de quatre grands éléments qui assurent le cycle de chauffage :
- L'évaporateur capte les calories contenues dans l'eau, l'air ou le sol selon le type de PAC. Le fluide frigorigène voit alors sa température augmenter et passe à l'état de vapeur ;
- Le compresseur augmente la température et la pression de ce gaz ;
- Le condenseur se charge de transférer la chaleur au sein du logement via les émetteurs (radiateurs ou planchers chauffants par exemple) ;
- Le détendeur diminue la pression et la température du fluide pour qu'il reprenne sa forme initiale et pour que le cycle puisse reprendre.
☁️ Comment marche une pompe à chaleur aérothermique ?
La pompe à chaleur aérothermique est un type de PAC qui utilise l'air comme source de chaleur. Elle fonctionne en puisant les calories contenues dans l'air extérieur, afin de les transformer en chaleur et les restituer au sein du logement à chauffer.
On distingue deux types de pompes à chaleur aérothermique : la pompe à chaleur air-air et la pompe à chaleur air-eau.
Fonctionnement d’une pompe à chaleur air/air et air/eau
Les pompes à chaleur air-air et air-eau ont un principe de fonctionnement similaire. Elles diffèrent principalement sur la manière dont elles diffusent la chaleur à l'intérieur du logement :
- Une pompe à chaleur air-eau capte les calories contenues dans l'air extérieur, qui vont chauffer un fluide frigorigène à l'aide de l'évaporateur. Cette énergie va ensuite chauffer l'eau du circuit de chauffage du logement. Il peut s'agir des radiateurs ou d'un plancher chauffant. En d'autres mots, la PAC air-eau est raccordée au système de chauffage central du logement ;
- Une pompe à chaleur air-air prélève également les calories contenues dans l'air. L'énergie est toutefois transférée à l'intérieur via des systèmes de diffusion d'air, généralement des splits ou ventilo-convecteurs. Ce modèle est surtout recommandé dans des logements dépourvus d'un système de chauffage central.
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Demande de devis en ligne Plus d'infos rénovation énergétiquePourquoi choisir une pompe à chaleur air/air ou air/eau ?
Les pompes à chaleur aérothermiques sont un système de chauffage intéressant, mais elles ne sont pas adaptées à tous les logements. Avec leur mode de fonctionnement à l'air, ce modèle de pompe à chaleur est plus adapté dans les régions où le climat est tempéré, car ses performances sont variables en fonction de la température de l'air.
Dans des régions particulièrement froides, la pompe à chaleur devra être complémentée par un chauffage d'appoint, qui prendra le relais lorsque les températures sont trop basses. Cela étant dit, dans des conditions optimales, les pompes à chaleur air-air et air-eau sont de très bon choix en raison de leurs nombreux avantages :
Tout savoir sur les popes à chaleur air-air Avant de faire son choix en chauffage et d'investir il est essentiel de bien comprendre ce qu'est une pompe à chaleur air-air et quel est son prix, ses avantages et ses inconvénients.
- Une installation simple qui ne nécessite pas de lourds travaux ni d'autorisations particulières ;
- Un coût d'achat moins élevé par rapport aux autres modèles de PAC ;
- Un appareil multi-usage : toutes les pompes à chaleur air-air sont réversibles et peuvent donc assurer la climatisation. La pompe à chaleur air-eau peut également être réversible et assurer la production d'eau chaude sanitaire ;
- La pompe à chaleur air-eau est éligible à la plupart des aides de l'État pour changer sa chaudière ;
- La PAC aérothermique peut diviser par deux ou trois la facture de chauffage selon la performance de l'appareil et les habitudes de consommation de chacun.
💧 Quel est le fonctionnement de base d’une pompe à chaleur hydrothermique ?
Fonctionnement d’une pompe à chaleur eau/eau
La pompe à chaleur hydrothermique, aussi appelée pompe à chaleur eau-eau, fonctionne sur le principe de l'aquathermie. Comme son nom l'indique, elle puise les calories présentes dans l'eau des nappes phréatiques, des lacs ou des rivières, pour chauffer le logement et produire l'eau chaude sanitaire. L'appareil est raccordé au système de chauffage central, et est compatible avec plusieurs types d'émetteurs : radiateurs, planchers chauffants et ballon d'eau chaude.
Lorsqu'elle est connectée à un ventilo-convecteur ou à un plancher chauffant rafraîchissant, la pompe à chaleur eau-eau peut aussi assurer la climatisation du logement en été.
Tout savoir sur les pompes à chaleur eau-eau Il y a d'importantes différences entre cette pompe à chaleur et les autres types de pompes à chaleur, et elle présente ntre autre de nombreux avantages. Il est possible d'en savoir plus sur les pompes à chaleur eau-eau, sur leur fonctionnement, l'installation et leur prix.
Pourquoi choisir une pompe à chaleur eau/eau ?
La PAC eau-eau est l'une des plus performantes du marché. En effet, l'eau des nappes phréatiques a l'avantage d'avoir une température constante, comprise entre 7 et 12 °C, tout au long de l'année. Ainsi, ce type de pompe à chaleur garantit une performance stable peu importe les saisons. Elle a donc de très nombreux avantages :
- La pompe à chaleur eau-eau permet d'importantes économies sur la facture d'électricité, à n'importe quelle période de l'année. Elle est donc indiquée dans des régions au climat rigoureux ;
- L'appareil a le COP (coefficient de performance) parmi les plus élevés du marché ;
- La PAC eau-eau est éligible aux aides de l'État pour la rénovation énergétique.
Cela étant dit, ce système n'est pas adapté à tous les logements. L'installation d'une pompe à chaleur eau-eau est possible et recommandée seulement lorsque :
- Le logement est situé à proximité d'un point d'eau naturel ;
- Toutes les autorisations nécessaires ont été obtenues pour le forage et le prélèvement d'eau ;
- La surface du logement est importante (au moins 150 m2). En effet, l'installation de la pompe à chaleur eau-eau implique un investissement conséquent. Elle est rentable seulement lorsque le logement a une importante consommation d'électricité.
🪨 Comment fonctionne une pompe à chaleur géothermique ?
Fonctionnement d’une pompe à chaleur sol/sol
La pompe à chaleur géothermique, aussi communément appelée pompe à chaleur sol-sol, fonctionne en puisant la chaleur présente dans le sol via des capteurs enterrés. Il existe différents modes de captage pour la pompe à chaleur sol-sol :
- Le captage horizontal : les capteurs sont positionnés entre 60 cm et 1,20 mètre de profondeur sur une surface horizontale. De ce fait, ce type d'installation nécessite que le logement soit situé sur un terrain suffisamment vaste (environ 1,5 à 3 fois la superficie de l’espace habitable) ;
- Le captage vertical : les capteurs sont placés jusqu’à 80 voire 100 mètres de profondeur.
Pourquoi choisir une pompe à chaleur sol/sol ?
La pompe à chaleur sol-sol est, tout comme la PAC eau-eau, un système très performant, avec un rendement stable peu importe les températures extérieures. C'est un très bon choix pour remplacer sa vieille chaudière au fioul ou chaudière au gaz, car elle permet de réaliser d'importantes économies d'énergie. Parmi ses avantages, on peut citer les suivantes :
- La pompe à chaleur sol-sol permet d'importantes économies de chauffage grâce à un COP très élevé, pouvant atteindre 7. Cela signifie que pour 1 kWh d'électricité consommé, l'appareil produit jusqu'à 7 kWh d'énergie ;
- Elle fonctionne en toute autonomie, sans chauffage d'appoint ;
- L'appareil est éligible aux aides de l'État pour la rénovation énergétique.
Cela étant dit, ce type de pompe à chaleur n'est pas adapté à toutes les habitations. Son installation nécessite certains pré-requis :
- Un terrain suffisamment vaste pour accueillir les dispositifs de captage ;
- Différentes démarches administratives pour obtenir les autorisations afin de réaliser le forage et les travaux ;
- Un logement d'une surface importante pour pouvoir rentabiliser l'installation.
❓ Pompe à chaleur split ou monobloc : quelle différence ?
On distingue deux grandes familles de pompes à chaleur : les pompes à chaleur splits qui disposent de deux unités (une à l'extérieur et une à l'intérieur), et les pompes à chaleur monobloc dotées d'une seule unité. Chaque type présente ses avantages et inconvénients.
Les spécificités des pompes à chaleur split
Aussi appelées pompes à chaleur bibloc, les pompes à chaleur split sont aujourd'hui les modèles les plus courants en France, car plus performants. Le PAC bibloc est composé de deux unités :
- Un module extérieur qui permet de récupérer la chaleur ;
- Une unité intérieure qui diffuse la chaleur via l'eau du circuit de chauffage ou des ventilo-convecteurs.
La liaison entre les deux unités se fait par l'intermédiaire du fluide frigorigène. De ce fait, l'installation de ce type d'appareil doit être réalisée par un professionnel frigoriste qualifié, car la manipulation du fluide frigorigène nécessite la plus grande attention et sécurité.
| Avantages | Inconvénients |
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Les spécificités des pompes à chaleur monobloc
La pompe à chaleur monobloc, comme son nom l'indique, dispose d'une seule unité, qui est généralement placée à l'extérieur du logement. Elle est donc adaptée aux logements de surface réduite par exemple. Pour chauffer les calories captées par l'unité, la pompe à chaleur a toujours besoin d'un fluide frigorigène, mais cette fois-ci, le fluide se trouve dans un circuit fermé au sein du module. En d'autres mots, l'évaporateur et le condenseur sont réunis dans un même module.
Ainsi, c'est une liaison hydraulique qui assure le raccordement jusqu'au circuit du chauffage de l'habitation. L'avantage de ce mode de fonctionnement est qu'il y a peu de risque de fuite du fluide frigorigène.
| Avantages | Inconvénients |
|---|---|
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💡 Quelles sont les autres fonctionnalités d’une pompe à chaleur ?
Une pompe à chaleur peut-elle chauffer l’eau sanitaire ?
La plupart des pompes à chaleur peuvent également produire de l'eau chaude sanitaire (généralement, seules les PAC air-air n'assurent pas cette fonction). Il y a plusieurs configurations possibles afin de produire de l'eau chaude avec une pompe à chaleur :
- L'eau chaude intégrée à la PAC : il s'agit ici d'une solution 2-en-1 où un ballon de stockage est déjà intégré à la pompe à chaleur. Il n'y a donc pas besoin d'un ballon d'eau chaude complémentaire, ce qui permet un gain de place important ;
- La PAC raccordée au ballon d'eau chaude : dans cette configuration, la pompe à chaleur est simplement raccordée au ballon d'eau chaude existant. Elle est recommandée lorsque le logement ne dispose pas d'une hauteur sous plafond suffisante, sachant que la hauteur du module d'une pompe à chaleur mixte peut atteindre les 2 mètres. Un autre avantage de cette installation est que l'utilisateur est libre de choisir la capacité de son ballon d'eau chaude ;
- Le chauffe-eau thermodynamique (CET) : le CET est un chauffe-eau qui fonctionne sur le même principe que la pompe à chaleur. C'est comme une pompe à chaleur dédiée à la production de l'eau chaude. Ce chauffe-eau dispose lui-même d'un compresseur qui transforme les calories prélevées dans l'air en chaleur afin de chauffer le ballon de stockage.
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Comment fonctionne une pompe à chaleur réversible ?
Les pompes à chaleur peuvent être réversibles, c'est-à-dire qu'elles peuvent servir de climatiseur en été. Comme expliqué précédemment, la pompe à chaleur fonctionne en prélevant les calories présentes dans la nature au moyen d'un module extérieur, et transforme ces calories en chaleur restituée à l'intérieur du logement.
Lorsqu'elle est réversible, le système est inversé : la PAC va alors récupérer l'air chaud à l'intérieur du logement et l'expulser. En même temps, elle prélève aussi l'air chaud extérieur qu'elle va réfrigérer avant de le diffuser au sein du logement. Ce changement de température est possible grâce à la variation de la pression du fluide frigorigène par le principe thermodynamique.
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- Différence entre pompe à chaleur et climatiseur
❄️ Comment la PAC délivre-t-elle la chaleur en hiver ?
Comment fonctionne une pompe à chaleur en hiver ?
La pompe à chaleur fonctionne exactement de la même façon, peu importe les températures extérieures. En revanche, pour les pompes à chaleur aérothermiques notamment, une baisse importante des températures peut entraîner une baisse de performance et une légère augmentation de la consommation électrique pour le chauffage.
Cela étant dit, la majorité des modèles de pompe à chaleur suffisent à assurer le chauffage d'un logement jusqu'à une température extérieure de -7 °C. Il existe aussi des PAC à haute température qui peuvent fonctionner normalement jusqu'à -15, voire -20 °C.
Comment la chaleur se répartit-elle dans la maison ?
Les pompes à chaleur géothermiques et hydrothermiques ne craignent pas les périodes de grand froid et peuvent diffuser une quantité de chaleur suffisante pour assurer un bon confort thermique, peu importe la saison. Pour la pompe à chaleur air-air et la pompe à chaleur air-eau, en revanche, la chute des températures peut rendre plus laborieux le captage des calories contenues dans l'air.
Le compresseur devra activer un système de dégivrage (cycle de dégivrage d'une pompe à chaleur), ce qui va diminuer sa performance et augmenter légèrement sa consommation électrique. Voilà pourquoi, la pompe à chaleur aérothermique nécessite de fonctionner avec un chauffage d'appoint dans les régions aux hivers rigoureux. Dans ce cas, l'installation est programmée de manière à ce que la pompe à chaleur fonctionne en priorité pour chauffer le logement, et que le chauffage d'appoint ne prenne le relais que lorsque les températures sont trop basses.
💰 Quelle est la rentabilité d’une pompe à chaleur ?
La particularité de la pompe à chaleur est qu'elle fonctionne avec une énergie renouvelable et entièrement gratuite. Il est vrai qu'elle consomme de l'électricité pour fonctionner, mais l'intérêt du système est qu'il produit toujours plus d'énergie qu'il ne consomme. En fonction du modèle de pompe à chaleur, il est possible de réaliser jusqu'à 75 % d'économies d'énergie. Pour un maximum d'économies, il est d'ailleurs possible de choisir une offre d'électricité totalement adaptée à sa pompe à chaleur (puissance, type d'installation,...) et ainsi rentabiliser encore plus son installation.
Selon l'Ademe, par exemple, le coût d'une pompe à chaleur air-eau peut faire économiser environ 900 € par an par rapport à une vieille chaudière fioul dans une maison de 120 m2. Le prix de ce type de pompe à chaleur étant compris entre 9 000 et 14 000 €, il peut être rentabilisé en 6 à 10 ans.
En général, toutes les pompes à chaleur garantissent un retour sur investissement en moins de 10 ans, grâce aux économies d'énergie réalisables et aux aides financières mises en place par l'État.
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