Pompe à chaleur : son fonctionnement en détails

Le principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur repose sur ce qu'on pourrait appeler un « réfrigérateur inversé ». Un réfrigérateur extrait la chaleur de son espace intérieur pour la diffuser à l'extérieur. À l'inverse, la pompe à chaleur extrait la chaleur de son environnement extérieur pour la redistribuer dans la maison. Celle-ci élève la température de l’énergie « pompée » à un niveau plus élevé pour qu’elle soit utilisée sous forme d'énergie de chauffage.

Toutes les pompes à chaleur se composent de 3 parties, quelle que soit la source de chaleur : le système contenant la source de chaleur, la pompe à chaleur elle-même ainsi que le système de distribution et de stockage de la chaleur.

La pompe à chaleur transforme la chaleur ambiante en chaleur pour le chauffage en utilisant des ressources naturelles comme l’air et l’eau. Pour ce faire, elle se compose essentiellement :

●     d’un fluide caloporteur,

●     d’un évaporateur,

●     d’un compresseur,

●     d’un condenseur,

●     et d’une vanne d'expansion.

Les composants mentionnés ci-dessus travaillent ensemble pour former le circuit frigorifique fondamental dans une pompe à chaleur. Ce circuit est essentiel au fonctionnement de la pompe à chaleur pour absorber, transporter et libérer la chaleur.

À la place d'une combustion de fioul, de gaz ou de bois, les pompes à chaleur utilisent un liquide spécial contenant un réfrigérant qui fait office de fluide caloporteur. Celui-ci à la propriété d'entrer en ébullition ou de s'évaporer à de faibles températures. Au cours des différentes étapes du fonctionnement de la pompe à chaleur, il change plusieurs fois d'état physique : il commence par s'évaporer, puis se condense avant de se liquéfier et de se détendre une fois la chaleur transmise au système de stockage et de distribution.

Les composants principaux maintenant présentés, passons au fonctionnement fondamental d'une pompe à chaleur !

La pompe à chaleur se révèle être un allié essentiel pour réguler efficacement la température, offrant ainsi une solution complète pour le confort thermique. Mais saviez-vous que les pompes à chaleur offrent une polyvalence remarquable en inversant leur fonction grâce à des composants additionnels ? En plus de son rôle essentiel dans le chauffage, la pompe à chaleur peut également être un atout précieux pour économiser de l'énergie lorsqu'elle est utilisée en mode de refroidissement. En inversant son fonctionnement, elle peut jouer le rôle d'une unité de climatisation, offrant ainsi une solution complète pour maintenir une température confortable tout au long de l'année, avec des économies d'énergie substantielles à la clé. Il convient de souligner la distinction fondamentale entre le refroidissement actif et le refroidissement passif.

Pour le refroidissement passif, le processus implique l'utilisation d'une pompe de circulation pour évacuer l'excès de chaleur du bâtiment par le biais d'une vanne à trois voies. Ce flux thermique traverse ensuite la pompe à chaleur avant d'être transféré dans le sous-sol, où la température est plus fraîche. Cette méthode repose sur la différence de température entre le sol ou la nappe phréatique et l'espace habitable : une disparité suffisante pour favoriser le transfert de chaleur. Dans ce scénario, seuls le circuit d'eau de chauffage et le circuit de la source de chaleur sont actifs. Seules les pompes à chaleur aérothermiques ne permettent pas cette fonctionnalité.

Dans le cadre du refroidissement actif, la pompe à chaleur assume le rôle d'une unité de refroidissement lorsque le compresseur est activé. Cela entraîne une inversion du circuit de refroidissement. Contrairement au processus de chauffage qui commence par extraire la chaleur de l'air extérieur, du sol ou de la nappe phréatique, le refroidissement actif modifie la direction du flux thermique, permettant à la pompe à chaleur de fonctionner comme une unité de climatisation pour réduire la température de l'air ambiant.

En effet, lorsque la pompe à chaleur fonctionne en mode refroidissement actif, le deuxième échangeur de chaleur joue un rôle clé en transférant l'énergie thermique depuis l'intérieur de la maison vers le circuit de réfrigérant, agissant désormais comme un évaporateur. Cette transformation contribue à abaisser la température ambiante de 3 à 4°C, générant ainsi une atmosphère plus fraîche.

Pour que le même circuit fonctionne également pour le refroidissement, une vanne d'inversion à quatre voies et une deuxième vanne d'expansion doivent être installées. La pompe à chaleur géothermique et la pompe à chaleur air/eau peuvent toutes deux refroidir activement.

Les composants pour le refroidissement actif et passif peuvent être ajoutés à de nombreuses pompes à chaleur. Lors du choix d'une nouvelle pompe à chaleur, veillez à ce que l'option de refroidissement soit disponible, si elle est pertinente pour vous.

Le dimensionnement de la pompe à chaleur doit être soigneusement adapté aux caractéristiques du logement. Une installation trop petite ne parviendra pas à chauffer efficacement l'espace habitable, tandis qu'une pompe à chaleur surdimensionnée sera également inefficace. En effet, pendant les saisons intermédiaires (matins froids de printemps ou journées d'automne glaciales), les périodes de fonctionnement sont trop fréquentes et trop courtes, entraînant une augmentation de la consommation d'électricité (départs répétés du compresseur, moindre efficacité au démarrage, pertes thermiques fréquentes, etc.).

L'utilisation d'un ballon tampon peut améliorer la régularité et l'efficacité du fonctionnement de la pompe à chaleur. Pour déterminer avec précision la taille et la puissance appropriées de la pompe à chaleur, il est recommandé de réaliser un calcul précis des besoins énergétiques du logement.

Les pompes à chaleur aérothermiques tirent leur chaleur de l'air ambiant pour chauffer un espace. En cas de températures extrêmement basses, elles peuvent nécessiter plus d'énergie que les pompes à chaleur géothermiques, qui puisent leur chaleur plus profondément dans le sol, à des températures plus constantes. Lorsque la température extérieure chute en dessous de zéro, les pompes à chaleur aérothermiques peuvent être équipées d'un élément chauffant électrique intégré, souvent appelé thermoplongeur, pour compenser. Cependant, pour éviter ce recours à l'électricité supplémentaire, il est recommandé de choisir une pompe à chaleur aérothermique particulièrement efficace, surtout si le bâtiment est mal isolé.

L'absence ou le mauvais équilibrage hydraulique dans un système de chauffage avec une pompe à chaleur peut causer des problèmes majeurs. Cela se traduit par un inconfort thermique avec des zones trop chaudes ou froides dû à la mauvaise répartition de la chaleur dans la maison. Dans ce cas, les radiateurs ou le chauffage au sol proches de la source de chaleur sont mieux alimentés en chaleur que ceux qui sont plus éloignés. Cela peut également générer de l’inefficacité énergétique due à des températures d'eau inappropriées, mais aussi une usure prématurée des composants du système et des coûts supplémentaires liés à l'utilisation de chauffages d'appoint. L'équilibrage hydraulique est crucial pour garantir une distribution uniforme de la chaleur, assurant ainsi le confort, l'efficacité énergétique et la durabilité globale du système de chauffage.

Dans le domaine du chauffage et de la production d'eau chaude, les énergies renouvelables remplacent de plus en plus les sources d'énergie fossiles telles que le pétrole et le gaz. Cela permet d'éviter les émissions nocives de CO² et de contribuer à la protection de l'environnement. Par ailleurs, sur le plan économique, cela permet aux ménages de bénéficier d'une réduction de leur facture énergétique.

Depuis plus d’une décennie, le secteur résidentiel est le deuxième plus gros consommateur d’énergie en France, derrière les transports. Plus des deux tiers de cette énergie sont nécessaires au chauffage du logement. Ainsi, à l’heure de la transition énergétique, passer à des systèmes de chauffage à faibles émissions et respectueux de l'environnement est devenue une démarche indispensable.

Pour remplacer les systèmes de chauffage à combustion, les pompes à chaleur se sont imposées comme une une alternative de chauffage très écologique et efficace. En effet, elles ne brûlent pas de gaz, de pétrole ou de bois, mais utilisent la chaleur ambiante disponible dans l'environnement pour produire de l'énergie.

Tout ce qui est encore nécessaire à la pompe à chaleur, c'est de l'électricité mais seulement pour une petite partie du fonctionnement. Par exemple, dans le cas d'une pompe à chaleur eau/eau avec un coefficient de performance annuel (COP) de 5, on compte 5 parts d'énergie provenant de la nappe phréatique pour une part d'électricité. L'électricité utilisée permet donc de produire cinq fois plus d'énergie thermique. Si l'électricité provient d'une source renouvelable (comme le photovoltaïque produit par votre propre toit ou l'électricité verte fournie par votre fournisseur d'électricité), le fonctionnement de la pompe à chaleur est alors particulièrement peu polluant.

Le principe de la pompe à chaleur est une technique qui a fait ses preuves depuis plusieurs décennies. Grâce à la science, aux fabricants et aux artisans spécialisés, la technologie des pompes à chaleur a considérablement progressé ces dernières années, si bien qu'elle s'est imposée aujourd'hui sur le marché du chauffage.

Avant d'acquérir une pompe à chaleur, il est essentiel de déterminer le type qui répond le mieux à vos besoins. Des facteurs tels que le mode de fonctionnement, les avantages et inconvénients des différents types de pompe à chaleur, ainsi que les coûts associés, jouent un rôle crucial dans cette décision. Bien que toutes les pompes à chaleur partagent un principe de fonctionnement commun, la facilité de leur mise en œuvre varie en fonction de la source de chaleur.

Dans tous les cas, les pompes à chaleur se révèlent être des systèmes de chauffage efficaces et respectueux de l'environnement, même dans les bâtiments existants. Une évaluation approfondie menée par nos experts près de chez vous peut éventuellement mettre en lumière les avantages économiques de la pompe à chaleur air/eau FHA, particulièrement prisée en France pour sa mise en œuvre relativement simple et adaptée à toutes les régions. En comparaison avec les pompes à chaleur géothermiques et eau/eau, la pompe à chaleur air/eau se distingue par sa compacité, sa simplicité d'installation et son attrait économique, en faisant ainsi le choix privilégié par des propriétaires conscient(e)s de l'environnement et soucieux de l'efficacité énergétique.