Comment fonctionne une pompe à chaleur ?

La pompe à chaleur puise l'énergie nécessaire au chauffage dans l'environnement. C'est pourquoi elle est considérée comme un système de chauffage plus écologique. Mais comment fonctionne une pompe à chaleur ?

Une pompe à chaleur (PAC) fonctionne de la même manière qu'un réfrigérateur, mais en sens inverse. Alors qu'un réfrigérateur extrait l'énergie thermique des aliments, c'est-à-dire de l'intérieur du réfrigérateur, et la transmet à l'extérieur, une pompe à chaleur fait l'inverse : elle extrait l'énergie thermique de l'environnement extérieur au bâtiment et la rend utilisable pour chauffer l'intérieur. Outre l'air intérieur ou extérieur, une pompe à chaleur est capable d'exploiter l'énergie thermique des eaux souterraines et de la terre. Et comme la température de la chaleur obtenue est généralement insuffisante pour chauffer un bâtiment ou l'eau chaude sanitaire, on utilise des procédés thermodynamiques pour augmenter la température.

Structure et principe de fonctionnement de la pompe à chaleur

Quelle que soit la source d'énergie exploitée, le système se compose de trois parties :

• Le fluide frigorigène : il extrait les calories de l'environnement
• La pompe à chaleur : elle rend les calories de l'environnement utilisables
• Le système de distribution et de stockage de la chaleur : il distribue et stocke la chaleur dans le bâtiment

Ce n'est qu'en interaction que les composants d'une pompe à chaleur permettent l'utilisation de l'énergie environnementale. Le processus commence par le fluide frigorigène. Dans les pompes à chaleur géothermiques, un mélange d'eau et d'antigel circule - la saumure, qui se réchauffe. Les pompes à chaleur air/eau, quant à elles, aspirent l'air extérieur par l'intermédiaire d'un ventilateur. L'eau glycolée et l'air extérieur passent ensuite dans la pompe à chaleur elle-même. Dans ce que l'on appelle le cycle de réfrigération, la pompe augmente le niveau de température avant que la chaleur ne soit transférée au système de distribution composé de planchers chauffants ou de radiateurs, ou qu'elle ne soit temporairement stockée dans un ballon tampon ou d'eau chaude sanitaire.

Le fluide frigorigène, essentiel au bon fonctionnement de la pompe à chaleur

Ces processus se déroulent dans un circuit fermé à l'intérieur de la pompe à chaleur. Pour transporter la chaleur, on utilise un liquide (fluide frigorigène) qui s'évapore à très basse température. L'énergie thermique, provenant par exemple de la terre ou de l'air extérieur, est utilisée pour évaporer ce liquide. Même des températures de -20°C sont suffisantes pour fournir de l'énergie. La vapeur froide du fluide frigorigène, par exemple -20 °C, est ensuite fortement comprimée. Ce faisant, elle se réchauffe jusqu'à atteindre une température de 100°C. La vapeur du fluide frigorigène est condensée et libère la chaleur vers l'installation de chauffage. Par la suite, la pression du fluide frigorigène liquide est fortement réduite. Cela fait redescendre la température du liquide au niveau initial. Le processus peut recommencer depuis le début.

Bon à savoir : les pompes à chaleur Viessmann de dernière génération utilisent le propane (R290), un fluide frigorigène naturel dont les propriétés n'ont rien à envier aux fluides frigorigènes classiques.

L'exemple d'une pompe à chaleur air/eau : comment ça marche ?

La façon la plus simple d'expliquer ce processus est d'utiliser l'exemple d'une pompe à chaleur aérothermique (PAC air/eau). Elle peut être constituée d'une ou deux unités. Dans les deux cas, un ventilateur intégré aspire activement l'air ambiant et le dirige vers un échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur est traversé par un fluide frigorigène qui change d'état physique à très basse température. Au contact de l'air ambiant, le fluide frigorigène se réchauffe et se transforme progressivement en vapeur. Un compresseur est utilisé pour augmenter la chaleur résultante jusqu'à la température requise. Cela comprime la vapeur et augmente à la fois la pression et la température de la vapeur du fluide frigorigène.

Un deuxième échangeur de chaleur (condenseur) transfère ensuite l'énergie de la vapeur chauffée vers le circuit de chauffage (chauffage par le sol, radiateurs, ballon tampon et/ou ballon d'eau chaude sanitaire). Au cours de ce processus, le fluide frigorigène, encore sous pression, se refroidit et se liquéfie à nouveau. Avant de pouvoir retourner dans le circuit, le fluide frigorigène est d'abord détendu dans une vanne d'expansion. Une fois qu'il a retrouvé son état initial, le cycle de réfrigération peut recommencer.

Un système réversible : chauffage et rafraîchissement

Le principe de fonctionnement de la pompe à chaleur est réversible. C'est pourquoi les pièces du logement peuvent être chauffées, mais aussi rafraîchies - si les conditions techniques sont réunies. Il faut toutefois distinguer le rafraîchissement passif (= naturel) et actif (Natural Cooling et Active Cooling).