Le fonctionnement d’une pompe à chaleur

Le fonctionnement d’une pompe à chaleur

Le chauffage par pompe à chaleur (PAC) est un excellent choix d'un point de vue écologique : il ne nécessite pas de combustibles fossiles, ses coûts d'exploitation sont faibles, la chaleur ambiante est agréable et  de très nombreuses subventions sont possibles. Pour toutes ces raisons, de plus en plus de consommatrices et consommateurs se tournent vers la pompe à chaleur. Pour les nouveaux bâtiments, ces systèmes de chauffage écologiques sont presque incontournables. Cependant, la pompe à chaleur peut également être envisagée pour la rénovation de bâtiments anciens. Mais comment fonctionne concrètement une pompe à chaleur et quelles sources de chaleur peuvent être utilisées? Tu en sauras plus à la lecture de cet article.

Table des matières

• Le fonctionnement d’une pompe à chaleur
• Les différentes sources de chaleur
• Exemple de la pompe à chaleur air/eau
• Les pompes à chaleur sont respectueuses de l'environnement et consomment peu d'énergie

Le fonctionnement d'une pompe à chaleur

Le fonctionnement d'une pompe à chaleur (PAC) est le même que celui d'un réfrigérateur, mais en sens inversé. Elle se compose de 3 éléments : d’un système qui extrait la source de chaleur (généralement un groupe extérieur), d’une pompe à chaleur ainsi qu'un système de distribution et de stockage. Une fois ces éléments réunis, le cycle frigorifique d'une pompe à chaleur se déroule en trois étapes.

Étape n°1: récupération de la chaleur à partir d'une source d'énergie thermique

Dans le système en charge de la source de chaleur, la chaleur est extraite du sol ou par exemple des eaux souterraines. Puis, à l’intérieur de celui-ci, la chaleur est transférée grâce à un circuit doté d’un fluide frigorigène. Le fluide chauffé est ensuite transféré vers la pompe à chaleur.

Étape n° 2: augmentation de la température

La pompe à chaleur possède son propre circuit frigorifique. Tout d'abord, la chaleur du premier circuit est transférée au circuit frigorifique via un évaporateur. Le réfrigérant s'évapore en raison de la chaleur absorbée. Ensuite, la pression du réfrigérant, désormais à l'état gazeux, est augmentée dans un compresseur. Dans un autre échangeur de chaleur (le condenseur), le gaz réfrigérant chaud se condense à nouveau. Au cours de ce processus, le réfrigérant transfère la chaleur stockée vers le système de distribution ou de stockage. Enfin, le réfrigérant traverse une vanne d'expansion, ce qui entraîne une nouvelle baisse de la température et de la pression. Le réfrigérant est ensuite renvoyé vers l'évaporateur.

Étape n° 3: utilisation de la chaleur

La chaleur libérée par le réfrigérant dans le condenseur est soit directement injectée dans le circuit de chauffage, soit stockée temporairement dans un tampon de chauffage ou un réservoir d'eau chaude pour une utilisation ultérieure.

Les différentes sources de chaleur

Il existe plusieurs types de pompes à chaleur qui ont chacun un fonctionnement différent: la pompe à chaleur air/air (aérothermique), la pompe à chaleur eau/eau (hydrothermique), la pompe à chaleur eau glycolée/eau (géothermique) et la pompe à chaleur air/eau.

Selon leur manière de fonctionner  les pompes à chaleur peuvent faire appel à différentes sources de chaleur pour chauffer des pièces ou produire de l'eau chaude. En principe, l'air ambiant, le sol et les nappes phréatiques sont autant de sources de chaleur possibles.

• Le sol comme source d'énergie thermique
  À partir d'une certaine profondeur, la température du sol est constante tout au long de l'année. Cette chaleur peut être utilisée via des capteurs de surface qui sont posés dans le sol à une profondeur d'environ 1,5 mètre, ou bien à l'aide de sondes géothermiques. Celles-ci atteignent environ 30 à 100 mètres de profondeur dans le sol. L'avantage est qu'elles nécessitent peu d'espace sur la propriété. Toutefois, les forages profonds nécessaires à cet effet sont soumis à l’autorisation des autorités cantonales.
• L’énergie thermique des eaux souterraines
  Les nappes phréatiques, tout comme le sol, ont une température constante tout au long de l'année. Pour pouvoir les utiliser en guise de source d'énergie thermique, il faut qu'il y ait suffisamment d'eau souterraine sur la propriété et qu'elle coule à un certain rythme. La qualité de l'eau doit également répondre à certaines exigences. Les deux ne peuvent être déterminés que par des analyses et des forages d'essai onéreux. Aussi, si la chaleur des eaux souterraines doit être utilisée pour des pompes à chaleur, cela doit être approuvé par le service de protection des eaux.
• L'air comme source d'énergie thermique
  La source de chaleur la plus accessible est l'air ambiant. Cela ne nécessite pas de systèmes techniques complexes. L'air ambiant est simplement aspiré par le système qui extrait la source de chaleur de la PAC, selon les besoins. L'inconvénient, cependant, est que la température de l'air fluctue fortement tout au long de l'année et qu'elle est toujours plus froide lorsque la demande en chauffage est la plus forte.

Exemple de la pompe à chaleur air/eau

La pompe à chaleur air/eau extrait la chaleur de l'air ambiant. Dans un premier temps, l'air ambiant est aspiré par un ventilateur, puis est amené directement à l'évaporateur. Le réfrigérant qui circule dans l'évaporateur de la pompe à chaleur air/eau est chauffé par l'air fourni jusqu'à ce qu'il s'évapore. La vapeur est ensuite envoyée vers un compresseur. Le compresseur augmente la pression de la vapeur. Cela augmente encore la température de la vapeur. Une fois que la vapeur a atteint le niveau de température souhaité, elle est envoyée dans un deuxième échangeur de chaleur. Là, la chaleur traitée est transférée à l'eau de chauffage. Au cours de ce processus, la vapeur se refroidit et se condense pour redevenir liquide. Avant que le fluide frigorigène largement refroidi puisse être à nouveau chauffé, il passe par le détendeur. La température et la pression retombent alors au niveau initial et le cycle peut recommencer depuis le début.

Comment fonctionne une pompe à chaleur en hiver?

Pour les pompes à chaleur qui utilisent le sol ou les nappes phréatiques en guise de source de chaleur, peu importe s'il fait un froid glacial en hiver. Les pompes à chaleur air/eau fonctionnent à des températures extérieures allant jusqu'à -20 degrés Celsius. Lorsque la température extérieure est inférieure ou égale à -7 degrés Celsius, un chauffage électrique est mis en marche. Bien que cela augmente la consommation d'électricité, la proportion de l'élément chauffant par rapport au besoin total de chaleur est inférieure à 5%. (Source: Energie-Lexikon)

Les pompes à chaleur sont respectueuses de l'environnement et consomment peu d'énergie

Qu'elles soient installées dans des bâtiments neufs ou rénovées, la pompe à chaleur permet d'obtenir une chaleur et des températures ambiantes agréables tout en respectant l'environnement et en économisant de l'énergie pour le chauffage et l’eau chaude. Le mode de fonctionnement de la pompe est reconnu et testé depuis de nombreuses années. Elles produisent plus d'énergie thermique pour le chauffage des pièces qu'elles n'en consomment en énergie électrique. Le bilan environnemental est optimal si elles fonctionnent avec de l'électricité provenant d'énergies renouvelables ou d'installation photovoltaïque sur le toit de la maison.