La pompe à chaleur, comment ça marche ?

La pompe à chaleur constitue l'organe central du système géothermique puisque c’est elle qui va assurer le transfert d’énergie entre le sous-sol et les locaux.

Elements constitutifs d'une pompe à chaleur à compression  © ADEME BRGM
Principe détaillé de fonctionnement d’une pompe à chaleur sur sonde géothermique © ADEME BRGM

Fonctionnement

Son principe de fonctionnement s’apparente à celui du réfrigérateur. Elle prélève de l’énergie dans un milieu (l’intérieur du réfrigérateur, le sous-sol, l'air extérieur) et elle restitue cette énergie dans un autre milieu à une température plus élevée (échangeur extérieur sur le dos du réfrigérateur, radiateurs, plancher chauffant... ).

Schéma de fonctionnement d'une PAC © ADEME-BRGMSon fonctionnement repose pour l’essentiel sur l’exploitation des propriétés thermodynamiques des fluides et gaz frigorigènes soumis à des opérations de compression et de détente successives (cycle thermodynamique); l'énergie est fournie mécaniquement à un compresseur via un moteur à électrique ou un moteur gaz. Il existe également des pompes à chaleur à absorption, où l'énergie apportée au système est de la chaleur; ce système est généralement utilisé pour faire du froid.

La majorité des pompes à chaleur disponibles sur le marché sont des pompes à chaleur à compression électrique.

Technologies de pompes à chaleur

Les constructeurs ont mis au point différents procédés de pompes à chaleur.
La principale différence tient à la nature des fluides circulant dans les capteurs et les émetteurs de chauffage, et donc à la technologie des PAC utilisées.

Le procédé à détente directe

Pompe à chaleur à détente directe Le fluide frigorigène circule dans la pompe à chaleur mais également dans les capteurs et le plancher chauffant.

Ce procédé est parfois utilisé dans le cas des capteurs horizontaux, mais ne l’est pas avec les capteurs verticaux.

Le procédé avec fluide intermédiaire

Pompe à chaleur à fluide intermédiaireDe l'eau, généralement additionnée d'antigel, circule dans les échangeurs de chaleur; de l'eau circule dans les émetteurs de chaleur et le fluide frigorigène reste confiné dans la PAC.

Ce procédé est le plus courant pour les échangeurs fermés (horizontaux, verticaux ou compacts).

Le moyen terme ou procédé mixte

Le moyen terme ou procédé mixteLe fluide frigorigène de la PAC circule dans les capteurs et de l'eau circule dans les émetteurs de chauffage.

Ce procédé n'est utilisable qu'avec des capteurs horizontaux.

Une offre étendue

Une pompe à chaleur permet de produire:

  • du chaud pour assurer le chauffage,
  • de l'eau chaude sanitaire, soit via un système indépendant du système de chauffage (comme le CETI, voir encadré ci-dessous), soit via une pompe à chaleur intégrant les fonctions d'ECS et de chauffage. Selon la température susceptible d'être fournie par la PAC, une résistance électrique peut être mise en place. A noter qu'il existe des fluides frigorigènes (R134a, par exemple) permettant d'atteindre des températures jusqu'à 65°C. Les pompes à chaleur utilisant ce fluide sont dite "à haute température",
  • du froid, c'est la pompe à chaleur dite "réversible" car il est alors possible d'inverser le cycle du fluide frigorigène. Pour assurer cette fonction, la pompe à chaleur est équipée d'une vanne d'inversion de cycle (4 voies). Le condenseur devient évaporateur et l'évaporateur devient condenseur,
  • simultanément du chaud et du froid, c'est la thermofrigopompe.

A noter, en by-passant la pompe à chaleur, il est possible de produire du rafraîchissement par géocooling (ou freecooling), la température du sous-sol est "directement" transmise au fluide circulant dans les émetteurs (avec interposition d'un échangeur de chaleur).

Performances et certifications: le COP et l'EER

 Les performances d’une PAC dépendent non seulement de l’efficacité du matériel, mais aussi de la qualité de l’installation et des conditions d’utilisation de l’équipement.

Le Coefficient de performance (COP)

Les performances des pompes à chaleur s’expriment par des coefficients qui rendent compte de leur efficacité en fonction de l’énergie qu’elles consomment. Le rapport entre la quantité de chaleur produite et l’énergie électrique consommée (par le compresseur) est le coefficient de performance (COP) de la pompe à chaleur. Il traduit la performance énergétique d’une pompe à chaleur en mode chauffage.

Pour 1 kWh d’électricité consommé, les PAC restituent pour la plupart 2 à 4 kWh de chaleur. Par exemple, si une PAC consomme 1 kWh d’électricité et restitue 3 kWh de chaleur, on dit que son COP est de 3.

Le COP est mesuré par le fabricant ; il est valable pour une température d’essai donnée. Dans la pratique, le COP constaté est en général différent du COP « nominal » donné par le fabricant : quand le milieu est plus froid que la température d’essai, l’efficacité énergétique de la pompe à chaleur diminue et devient inférieure au COP annoncé. À l’inverse, elle est supérieure à ce COP quand le milieu est plus chaud que la température d’essai. Les variations entre le COP annoncé et la performance réelle sont très nettes pour les PAC aérothermiques, surtout celles sur air extérieur.

L’efficacité d’une PAC dépend aussi de son bon dimensionnement : le surdimensionnement multiplie les cycles marche / arrêt, ce qui provoque une surconsommation électrique.

COP minimal... Des performances minimales exigées.

Depuis novembre 2007, la réglementation thermique dans l’existant fixe le niveau de performances minimal requis pour les équipements de chauffage, de production d’eau chaude, de ventilation ou de climatisation que vous installez ou faites installer dans votre logement, s’il n’est pas neuf. Dans le cas d’une PAC, elle doit satisfaire à un COP minimal en mode chauffage de 3,2 aux conditions normales d’utilisation, mais ce COP n’est pas suffisant pour obtenir des aides financières.

Le coefficient d’efficacité frigorifique (EER)

L’appellation EER traduit l’efficacité d’un système thermodynamique quand il produit du froid. Des consommations annexes Le compresseur de la pompe à chaleur est le principal consommateur d’électricité, mais il n’est pas le seul. Les PAC sont le plus souvent équipées d’auxiliaires qui fonctionnent à l’électricité (circulateurs, organe de dégivrage, ventilateurs, etc.). Enfin, les ventilo-convecteurs sont eux aussi équipés de ventilateurs. Il faut tenir compte de ces consommations annexes pour estimer la performance réelle du système de chauffage.

>> En savoir plus sur les certifications pour un matériel de qualité.

Le saviez-vous? Impact des fluides frigorigènes

Les fluides frigorigènes sont des composés chimiques pouvant générer un effet de serre très supérieur au gaz carbonique s'ils sont libérés accidentellement dans l'atmosphère. Ce risque concerne aussi les groupes frigorifiques utilisés dans les installations classiques.

En fonctionnement normal, le risque est faible car

  • le fluide circule en boucle fermé
  • il est obligatoire de recourir à un spécialiste formé pour intervenir et entretenir ce type de machine.

Les valeurs pour les principaux fluides frigorigènes sont :

Principaux fluides frigorigènes R410a R407c R134a

Valeurs de réchauffement global

en equivalent CO2

1 730 kg 1 530 kg 1 300 kg

En savoir plus sur la maintenance d'une machine à fluide frigorigène

Le CETI géothermique, chauffe-eau thermodynamique individuel

Le chauffe-eau thermodynamique (CET) est un équipement indépendant de production d’eau chaude sanitaire comprenant une pompe à chaleur spécifique et un ballon de stockage (150 à 300 litres) de l’eau
chaude produite. Cet équipement fiable et performant peut être couplé à un système géothermique pour offrir une solution intéressante pour chauffer l’eau chaude sanitaire.

>> Allez plus loin avec les publications de l'ADEME :

AGIR ! Les conseils de l'ADEME pour installer une pompe à chaleur

Quand le sol, l’eau ou l’air chauffent la maison ou produisent l’eau chaude. L’ADEME encourage le choix des pompes à chaleur les plus performantes, quelle que soit la technologie, en insistant en particulier sur la qualité de mise en oeuvre du système complet (capteur, pompe à chaleur, émetteur de chaleur).

Retrouver tous leurs conseils (pdf - 1,72Mo)