Les Pompes à Chaleur

Fonctionnement d'une pompe à chaleur
Pour saisir tous les avantages que présente une pompe à chaleur, ses limites et ses contraintes d'entretien, encore faut-il en comprendre le fonctionnement.

Principes de fonctionnement pompe à chaleur
Le fonctionnement pompe à chaleur est basé sur les transferts thermiques entre un liquide caloporteur et un milieu environnant. Le fluide dit « frigorigène » possède la propriété de changer d'état en fonction de sa pression :
- Il devient gazeux, quand sa pression augmente
- Il se condense, donc devient liquide, quand elle baisse
- Son point d'ébullition se situe à -5°C
Ainsi, la pompe à chaleur capte les calories présentes naturellement dans l'environnement (air, sol ou eau), élève le niveau de chaleur et la diffuse ensuite dans la maison. Elle est constituée d'un évaporateur, d'un compresseur, d'un condenseur, d'un détendeur.

Explications du fonctionnement d'une PAC
 


1. Au sein de l'évaporateur : La chaleur prélevée du milieu naturel, source d'énergie renouvelable, appelée source froide, est transmise au fluide frigorigène alors à l'état liquide. La température du fluide augmente, il se transforme alors en vapeur (comme de l'eau bout lorsqu'elle est portée à température élevée).

2. Au sein du compresseur : Le gaz est aspiré par le compresseur puis comprimé sous haute pression. Cette opération a pour effet d'échauffer le gaz qui atteint alors une température de 90°C.

3. Au sein du condenseur : Le gaz à 90°C cède une partie de sa chaleur au condenseur, qui les restitue à la source chaude (la source où sont injectées les calories), la plupart du temps un circuit de chauffage. En conséquence, la température du gaz diminue jusqu'à environ 45°C. Le gaz se condense et redevient donc liquide.

4. Au sein du détendeur : Le détendeur crée un environnement sous basse pression. Cette chute de pression provoque une baisse de température du liquide frigorigène (-20°C).

5. Retour à la case départ : au sein de l'évaporateur : Le liquide sous basse température entre en contact avec la source froide, plus chaude malgré tout que le liquide. Le liquide chauffe alors jusqu'à ébullition, avant d'être aspiré de nouveau par le compresseur.

Fonctionnement d'une PAC selon son type
Les températures annoncées le sont à titre d'exemples. Elles varient en fonction du fluide utilisé et des performances globales de la pompe à chaleur. On distingue plusieurs types de pompe à chaleur, selon le milieu dans lequel elle puise les calories :
- une pompe à chaleur dite aérothermique utilise les calories présentes dans l'air extérieur
- une pompe à chaleur dite géothermique utilise les calories présentes dans les profondeurs du sol ou dans les nappes phréatiques : elle nécessite un circuit de captage enterré (horizontal pour le sol ou vertical pour les nappes).
Le fonctionnement d'une pompe à chaleur reste toutefois identique en tous points, indépendamment du milieu dont on extrait les calories.

Évitez les PAC à compresseur à piston
Le compresseur est un organe clé de la pompe à chaleur, son efficacité énergétique impacte considérablement le rendement de la pompe à chaleur. Cependant, tous les compresseurs ne se valent pas.
- Évitez les PAC à compresseur à piston, préférez-leur un compresseur rotatif à un ou deux étages, qui permettent de délivrer une puissance constante, quelle que soit la température de la source froide (air, eau, sol), ce qui évite tout surdimensionnement
- Les compresseurs doivent aussi disposer d'un système d'alimentation variable. Il permet un démarrage progressif et évite les arrêts et redémarrages fréquents des modèles traditionnels qui usent prématurément les compresseurs
À noter : les calories puisées dans l'environnement sont certes gratuites, mais il faut dépenser de l'énergie pour les extraire. Pour récupérer 3 kWh, il faut en moyenne dépenser 1 kWh.

Comparatif pompes à chaleur air, eau ou sol
Les différents modèles présentent des avantages et inconvénients.

Pompe à chaleur air-air
- La pompe à chaleur air-air est, avec la air-eau, le modèle le plus souvent installé
- Elle puise l'énergie dans l'air extérieur et la restitue en propulsant de l'air
- Moins chère que les autres modèles, facile à installer, compatible avec votre installation actuelle, utilisable en appartement, peut chauffer et climatiser
- N'est pas un chauffage autonome dans les régions où il fait froid : difficile d'obtenir une température ambiante de 19 °C quand il fait -5 °C dehors
- Fonctionne le plus souvent également en climatisation, si elle est réversible
- Les pompes de moins bonne qualité peuvent être bruyantes
- Cette pompe à chaleur ne bénéficie pas de crédit d'impôt

Pompe à chaleur air-eau
- La pompe à chaleur air eau est, avec la air-air, le modèle le plus souvent installé
- Elle puise l'énergie dans l'air extérieur et la restitue en chauffant de l'eau (comme une chaudière)
- Cette pompe à chaleur peut s'adapter à un chauffage existant (radiateurs à eau) de façon relativement simple :
    + Les PAC haute température (+ de 65 °C) sont compatibles avec les radiateurs existants d'un chauffage central classique
    + Compatible avec radiateurs basse température et/ou plancher chauffant
    + Utilisable en appartement
- Peut chauffer, rafraîchir (plutôt que vraiment climatiser) et produire de l'eau chaude sanitaire
- Performante :
    + Possible sans chauffage d'appoint pour les systèmes les plus performants et si le climat n'est pas trop rude
    + Les pompes à chaleur les plus récentes, souvent onéreuses, supportent désormais les grands froids (jusqu'à -25 °C) sans besoin d'appoint
- Moins chère que sol-eau ou eau-eau (installation plus simple), bénéficie d'un crédit d'impôt

Pompe à chaleur sol-eau et sol-sol
- Bonne performance, peut fonctionner en autonomie sans chauffage d'appoint, permet de produire de l'eau chaude sanitaire et dans certains cas de rafraîchir le logement (mais pas de climatiser) : technologie bien maîtrisée
- Cette pompe à chaleur est compatible uniquement avec radiateurs basse température et/ou plancher chauffant
- Nécessité d'un « grand jardin » pour des capteurs horizontaux et surcoût du forage si capteurs verticaux
- Bénéficie d'un crédit d'impôt

Pompe à chaleur eau-eau
- Bonne performance, peut fonctionner en autonomie sans chauffage d'appoint, permet de chauffer l'eau chaude sanitaire et dans certains cas de rafraîchir
- Compatible avec radiateurs basse température et/ou plancher chauffant. Les PAC haute température (eau à + de 65 °C) sont compatibles avec les radiateurs existants d'un chauffage central classique
- Nécessite d'avoir un point d'eau ou une nappe à proximité, et de creuser deux forages (un pour capter l'eau, l'autre pour la rejeter). Un puits existant peut servir de forage
- Bénéficie d'un crédit d'impôt

Climatisation pompe à chaleur
Certaines pompes à chaleur peuvent assurer la climatisation de votre logement.
Les pompes à chaleur air-air réversibles permettent de climatiser. En fait, les climatiseurs réversibles sont des PAC air-air. C'est une question de mots. Certains autres types de pompes à chaleur air-eau ou eau-eau permettent de rafraîchir l'été, mais pas à proprement dit de climatiser.

Pompe à chaleur : climatisation ou rafraîchissement ?
On appelle ces pompes à chaleur « réversibles » car leur mode de fonctionnement peut être inversé : elles puiseront la chaleur soit à l'extérieur de la maison pour chauffer à l'intérieur, soit à l'intérieur de la maison pour en faire baisser la température.
Néanmoins, la reversibilité est une fonction « annexe » des PAC air-eau ou eau-eau, qui ne peuvent atteindre la performance d'un vrai climatiseur (c'est-à-dire d'une pompe à chaleur air-air réversible).

Radiateur et plancher chauffant
Vous réfléchissez à l'installation d'une pompe à chaleur en rénovation ou en construction neuve, vous devez comprendre comment la chaleur sera diffusée, voici les options principales :
- Pompe à chaleur à diffusion Eau (air-eau, sol-eau ou eau-eau), la pompe chauffe de l'eau qui circule via :
    + des radiateurs basse ou haute température (les radiateurs classiques)
    + et/ou un plancher chauffant
- Pompe à diffusion Air (air-air ou air-eau) : l'air chaud est pulsé via des ventilo-convecteurs

Plancher chauffant


- Le plancher chauffant est très agréable
    + La Température du sol ou du mur ne dépasse pas 28°C et la chaleur est bien répartie
    + Pas de sensation de jambes lourdes comme dans les anciens planchers chauffants) et énergétiquement efficace
    + Libère de la place (pas de radiateurs)
    + Il est ne produit pas d'air pulsé et donc pas de déplacement d'air et de poussière
- Facile à mettre en œuvre si vous construisez, mais délicat, voire impossible, si vous rénovez une habitation existante (en rénovation, le plancher chauffant rehausse le sol de quelques centimètres, ce qui oblige à couper le bas des portes)
- Compatible avec carrelage, béton, terre cuite... toutes les matières ayant une certaine inertie et insensibles à la condensation. Pas recommandé avec moquette et parquet, qu'il soit flottant ou collé
- Attention à ne pas faire de trous dans le circuit d'eau en perçant le plancher ou le mur !
- Le rafraîchissement est possible, avec une PAC réversible (elle fonctionne alors comme un réfrigérateur), mais ce n'est pas de la climatisation. La température de la pièce ne baissera que de quelques degrés, le plancher ne pouvant baisser en-dessous de 22°C sous risque de produire de la condensation à la surface du sol

Diffusion de chaleur par radiateur
Il existe deux types de systèmes : haute température et basse température.

Radiateurs haute température
- Ce sont les radiateurs à eau classiques qui équipent probablement votre habitation
- L'eau a une température supérieure à 65°C
- Ces radiateurs doivent être alimentés par une pompe à chaleur haute température : ces pompes sont plus récentes que les basse température, et un peu plus onéreuses ; mais les plus performantes fonctionnent très bien

Radiateurs basse température
- Les radiateurs basse température fonctionnent comme des radiateurs classiques, ils sont juste de taille supérieure (surtout ils offrent une surface d'échange beaucoup plus importante)
- Ces radiateurs doivent être alimentés par une pompe à chaleur basse température -55°C
- Si vous construisez et que vous n'avez pas encore acheté de radiateurs : l'option basse température est probablement la meilleure (la pompe à chaleur est plus performante et moins chère en basse température)

Radiateur haute ou basse température ?
Si vous construisez et que vous n'avez pas de contrainte, vous devrez choisir entre haute et basse température.
En règle générale :
- Plus la différence de températures entre le milieu extérieur et l'eau circulant dans les radiateurs est réduite, meilleur est le rendement de la PAC
- Celle-ci est plus efficace quand elle puise les calories dans un air à 10°C et produit de l'eau à 35 °C pour un plancher chauffant (différence de 25°C) que si dehors il fait -5°C et qu'il faut produire une eau à 80°C qui alimentera des radiateurs ordinaires (différence de 85°C !)
- Une pompe à chaleur basse température offre donc un meilleur rendement qu'une pompe haute température (ce qui ne veut pas dire que les pompes haute température fonctionnent moins bien : elles consommeront un peu plus d'électricité)

Radiateur ou plancher chauffant ?
Conclusion : il vaut donc mieux choisir quand c'est possible, dans l'ordre :
- Un plancher chauffant
- Des radiateurs basse température
- Des radiateurs haute température

Vous faites construire ou remplacez un chauffage existant : quelle pompe à chaleur ?

Vous construisez
- C'est la solution idéale pour l'installation d'une pompe à chaleur.
- Tous les types de pompes sont envisageables
- Le plus simple et le moins onéreux reste la pompe à chaleur air-eau ou air-air
- Pensez au plancher chauffant !

Vous rénovez et remplacez un chauffage existant
Le plus simple est l'option pompe à chaleur air-air ou air-eau, les autres options nécessiteront plus de travaux. Il vous est également possible de choisir une chaudière hybride qui utilise deux énergies distinctes dont une renouvelable. La plupart des produits commercialisés combinent pompe à chaleur air-air et chaudière gaz à condensation, ce qui garantit une excellente performance en chauffage et en eau chaude sanitaire en toute circonstance.

Pompe à chaleur air-eau
La pompe à chaleur chauffe de l'eau qui circule ensuite dans vos radiateurs ou plancher chauffant. Si vous avez déjà des radiateurs, la pompe à chaleur air-eau est une bonne option :
- Compatible avec votre installation actuelle
- Si vous avez un chauffage classique chaudière + radiateurs , la pompe à chaleur peut s'installer :
    + en remplacement de votre chaudière
    + en complément de votre chaudière (dommage de la jeter si celle-ci fonctionne bien)
- Deux types de systèmes :
    + Radiateurs hautes températures (c'est le cas le plus fréquent) : vous installerez alors une pompe à chaleur haute température
    + Radiateurs basse température : vous installerez alors une pompe à chaleur basse température
- L'installation doit être faite par un pro, mais reste simple (pas un gros chantier)

Pompe à chaleur air-air
La chaleur est diffusée via des ventilo convecteurs qui pulsent de l'air.
- Très facile à installer
- Compatible avec votre installation actuelle : la PAC air-air s'installe de façon indépendante
- Utilisable en appartement
- La moins chère des pompes à chaleur
- Peut chauffer et climatiser
- Mais moins performante : n'est pas un chauffage autonome dans les régions froides
- Les pompes de moins bonne qualité peuvent être bruyantes

Pompes à chaleur à géothermiques ou hydrothermiques
Selon les modèles, ces pompes à chaleur peuvent produire de l'eau de 35 °C à plus de 80 °C (les modèles les plus récents).
Ces pompes sont donc compatibles avec un chauffage avec radiateurs haute température (ce qui est probablement votre cas).

Chaudière hybride
Si vous souhaitez vous assurer d'un chauffage d'une performance constante, il est recommandé d'opter pour une chaudière hybride. En effet, celle-ci combine généralement une pompe à chaleur air-air et une chaudière gaz à condensation, ce qui assure une pleine capacité de chauffage même en cas de grands froids.
En outre, cette solution possède de nombreux atouts :
- Elle est conforme aux exigences de la réglementation thermique 2012 pour les constructions neuves
- Elle ouvre droit à un crédit d'impôt
- Elle peut couvrir les besoins en chauffage ainsi qu'en eau chaude sanitaire d'une maison entière.

Pompe à chaleur : le coefficient de performance

On appelle coefficient de performance ou COP, le rapport "énergie thermique restituée/énergie électrique consommée". Avec un COP de 3, une PAC qui consomme 1 kWh d'électricité produit 3 kWh de chauffage
- Les bonnes pompes à chaleur (certifiées NFPAC, voir liste sur Certita.org) ont un COP au moins supérieur à 3
- La pompe à chaleur est éligible au crédit dimpôt si elle a un COP > 3 (+ autres conditions à respecter)
- Un COP est un rapport variable. Il dépend des qualités de la pompe à chaleur mais varie aussi selon les types d'installations

On distingue :
- Le COP machine : qui est le niveau de performance d'une pompe à chaleur déterminé en laboratoire, donc dans des conditions d'essais éloignées de la réalité
- Le COP système : qui prend en compte tous les éléments du système : la pompe à chaleur mais aussi les circulateurs, les pompes de relevage de l'eau, les accessoires divers... Plus près de la réalité, mais encore théorique
- Le COPA ou COP annuel : il s'agit du COP système enregistré sur une saison de chauffe. C'est celui qui donne le rendement réel de votre pompe à chaleur. Selon la qualité de l'installation, il peut y avoir une grande différence entre le COP machine et le COPA

Comment décrypter le COP ?
Un COP d'une pompe à chaleur n'a de sens que s'il est accompagné de deux températures de référence :
- La température du milieu dans lequel on puise les calories. Dans les textes officiels, elle est indiquée +7°C, sauf pour les pompes à chaleur sol/sol et sol/eau (-5°C)
- La température de l'eau à la sortie de la pompe à chaleur : si elle alimente un plancher chauffant : 35 °C, 50 °C pour des radiateurs basse température, 65 °C voire plus pour des radiateurs haute température
Quand on parle donc d'un COP 3 (+7°C ; 65 °C) pour une pompe à chaleur Air - Eau par exemple, cela signifie que :
- Lorsqu'il fait 7 degrés dehors
- La pompe à chaleur consomme 1 KWh d'électricité pour générer 3 Kwh de chauffage en chauffant l'eau à 65 °C
Le COP est d'autant meilleur que la différence entre ces deux températures est faible : il est plus facile de chauffer de l'eau à 35 °C à partir d'un air à 15 °C (20 °C d'écart), qu'une eau à 85 °C par une nuit d'hiver à -15 °C (100 °C d'écart). Étonnant, non ?
Quand les températures extérieures deviennent négatives, certaines pompes à chaleur (aérothermiques, et géothermiques à capteurs horizontaux notamment) doivent être soutenues par un appoint en électricité.
Le COP des machines hydrothermiques est souvent meilleur car la température de l'eau dans laquelle la pompe à chaleur tire les calories est stable autour de 10 °C, quelle que soit l'époque de l'année.

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