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Le fonctionnement d’une pompe à chaleur – expliqué simplement

Une pompe à chaleur convertit tout au long de l’année la chaleur de l’environnement en chaleur pour le chauffage et la production d’eau chaude sanitaire – il ne s’agit pas de sorcellerie, mais simplement de l’exploitation d’un principe physique. Poursuivez cette lecture pour mieux comprendre le principe et le fonctionnement d’une pompe à chaleur.

Sur quel principe fonctionne une pompe à chaleur ?

Nous utilisons quotidiennement le principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur : il est identique à celui d’un réfrigérateur - avec pour seule différence que le réfrigérateur extrait la chaleur de son intérieur et la diffuse dans l’environnement pour refroidir, alors que la pompe à chaleur extrait la chaleur de l’environnement pour la diffuser par le système de chauffage à l’intérieur d’une habitation. Le principe physique au cœur des deux appareils est exactement le même, il s’agit du phénomène Joule-Thompson. Ceci signifie que les gaz modifient leur température lors d’une expansion (dilatation) sans apport de travail extérieure.

L’environnement nous offre différentes sources de chaleur qui peuvent être utilisées par une pompe à chaleur : l’air ambiant, la terre et les nappes phréatiques, et plus rarement les eaux de surface comme les lacs ou les rivières. Cette chaleur est disponible gratuitement et en quantité illimitée. Cependant, elle est trop basse pour pouvoir l’utiliser directement pour chauffer des pièces ou préparer de l’eau chaude sanitaire. C’est pourquoi la pompe à chaleur exploite un processus thermodynamique, basé sur le phénomène Joule-Thompson décrit, qui consiste à amener la chaleur environnementale au niveau de la chaleur de chauffage:

Construction et composants d’une pompe à chaleur

Le réfrigérant, un fluide dont le point d’ébullition est extrêmement bas et qui passe en boucle par le même processus frigorifique en quatre étapes dans un circuit fermé, joue un rôle central dans le fonctionnement de la pompe à chaleur.

1ère étape : Dans l’évaporateur, la chaleur ambiante est transférée au réfrigérant par un échangeur de chaleur. Ce dernier se vaporise immédiatement sous l’effet de cette chaleur.

2ème étape : Un compresseur actionné par un moteur électrique comprime le réfrigérant gazeux. Au cours de cette compression, le réfrigérant encore sous forme gazeuse chauffe fortement.

3ème étape : Dans le condenseur , la chaleur est retirée du gaz chaud par un autre échangeur de chaleur et transférée vers l’accumulateur de chaleur du système de chauffage à la température de départ souhaitée, d’où elle entre dans le circuit de distribution de chaleur des locaux. Lors de ce refroidissement, le réfrigérant se liquéfie.

4ème étape : Le détendeur retire la pression du liquide, ce qui permet au réfrigérant de se refroidir à nouveau à la température d’origine pour passer dans l’évaporateur.

Le mode de fonctionnement des divers types de pompes à chaleur varie légèrement. La chaleur environnementale pénètre de différentes manières dans le circuit frigorifique, selon la conception de la pompe à chaleur :

  • Dans le cas d'une pompe à chaleur glycol/eau ou eau/eau, un circuit de liquide transporte en permanence la chaleur environnementale du sol ou des eaux souterraines (plus rarement aussi d’une eau de surface courante ou stagnante) vers la pompe à chaleur. Le liquide utilisé pour ce faire est principalement composé d’eau enrichie d’un antigel, à savoir du glycol.
  • Dans le cas de la pompe à chaleur air/eau, c’est un ventilateur qui assure l’apport constant de chaleur ambiante à la pompe à chaleur.

Qu’est-ce qu’on entend par construction monobloc et split d’une pompe à chaleur ?

Deux types de construction fondamentalement différents de pompes à chaleur air/eau se sont établis : le monobloc et le split. La différence la plus évidente est que dans les monoblocs, tous les composants techniques importants du processus de récupération de chaleur sont réunis dans une seule unité, alors qu’ils sont répartis dans deux unités pour les splits. Les deux types de constructions présentent des avantages et des inconvénients inhérents au système :

Split :

L’un des avantages les plus importants du type split réside dans sa flexibilité maximale. Les composants peuvent être placés de manière extrêmement flexible, le système est particulièrement évolutif en termes d’exigence/de classe de puissance et seules de légères interventions dans l’enveloppe du bâtiment sont nécessaires. L’inconvénient est que les conduites de réfrigérant doivent être tirées par un professionnel du réfrigérant et, en fonction de la distance entre l’unité intérieure et extérieure et de la quantité de réfrigérant utilisée, qu’elles doivent être régulièrement contrôlées par un spécialiste qualifié.

Monobloc :

La conception de l’appareil est particulièrement claire car elle réunit tous les composants en une seule unité. Cela simplifie et réduit également le coût de l’installation. Pour ce faire, il convient de considérer un certain risque de gel avec des conduites très longues dans des conditions climatiques extrêmes.

Qu’est-ce que le degré d’efficacité d’une pompe à chaleur ?

Le degré d’efficacité d’une pompe à chaleur décrit le rapport entre la chaleur utile à disposition pour chauffer et l’énergie électrique utilisée pour l’obtenir. Plus le degré d’efficacité est élevé, plus la pompe à chaleur est efficace sur le plan énergétique. En fonction de la source de chaleur (air, terre ou eau), un système de chauffage consommant un kilowatt-heure d’électricité produit de trois à quatre kWh de chaleur.

Le rapport entre la chaleur produite et l’électricité consommée peut être exprimé en deux ratios différents :

  1. Les fournisseurs de pompes à chaleur annoncent pour leurs systèmes un COP (Coefficient of Performance) et/ou un SCOP (Seasonal Coefficient of Performance). Ces valeurs établissent un rapport entre la production de chaleur et le courant électrique à utiliser, ce qui permet, d’une part, d’établir la performance de l’appareil et, d’autre part, de permettre de comparer les fournisseurs, les types et les modèles. Le COP et le SCOP sont des valeurs déterminées en laboratoire dans des conditions d’essai prédéfinies.
  2. L’indicateur plus réaliste et donc plus significatif de l’efficacité énergétique d’une pompe à chaleur est le coefficient de performance (COP) annuel. Celui-ci indique également la quantité de chaleur produite par une pompe à chaleur par unité d’électricité consommée. Cependant, le COP annuel n’est pas un instantané du laboratoire, mais repose sur des mesures effectuées tout au long de l’année. Cela montre aussi tout de suite l’inconvénient du COP annuel : Il ne peut être déterminé qu’une fois la pompe à chaleur installée et mise en service.

Comment une pompe à chaleur fonctionne-t-elle en hiver ?

Parler de chaleur de l’environnement en hiver, peut sembler un peu osé. Néanmoins : Tant que la température de la source de chaleur (air, terre ou eau) est supérieure au point d’ébullition du réfrigérant transportant la chaleur, la chaleur ambiante peut être utilisée efficacement pour le chauffage et la préparation de l’eau chaude sanitaire. Comme le point d’ébullition des réfrigérants couramment utilisés se situe entre -57° et -12 °C, le fonctionnement fiable du chauffage est toujours assuré, même en hiver. Et si l’installation atteint sa limite de fonctionnement de très rare fois par temps extrêmement froid, un dispositif de chauffage électrique de secours, intégré dans un souci de sécurité, prend le relais.

L’efficacité d’une pompe à chaleur en hiver dépend de sa conception : Les variations de température des sources d’énergie de la pompe à chaleur glycol/eau (terre) et de la pompe à chaleur eau/eau (nappe phréatique) sont très faibles par rapport à la pompe à chaleur air/eau. Dans le sol, à partir d’une profondeur de 10 mètres, il y a même une température d’au moins 10°C toute l’année. C’est pourquoi les pompes à chaleur glycol/eau et eau/eau, surtout en hiver, ont généralement un rendement plus élevé que les pompes à chaleur air/eau.

Qu’entend-on par exploitation monovalente et bivalente d’une pompe à chaleur ?

Il existe deux modes de fonctionnement pour les pompes à chaleur : le fonctionnement monovalent et bivalent. Le choix du mode de fonctionnement dépend principalement de la situation structurelle.

En fonctionnement monovalent, la pompe à chaleur est utilisée comme seule source de chaleur de chauffage. Les conditions-cadres jouent un rôle important à cet égard : Plus un bâtiment est optimisé sur le plan énergétique (isolation de l’enveloppe du bâtiment et des conduites d’eau chaude) et plus la température de départ requise est basse, plus la pompe à chaleur sera énergétiquement efficace et mieux elle pourra être exploitée simultanément pour le chauffage et la préparation de l’eau chaude sanitaire.

En fonctionnement bivalent, la pompe à chaleur est combinée avec d’autres techniques de chauffage. Ce mode de fonctionnement est particulièrement indiqué lorsqu’un bâtiment, principalement une ancienne construction, n’est pas ou ne peut pas être optimisé de manière globale et que des températures de départ particulièrement élevées sont donc requises. Toutes les techniques traditionnelles – qu’il s’agisse d’un chauffage au mazout ou à gaz, d’un chauffage à pellets ou à bûches de bois – sont adaptées comme système de chauffage complémentaire. La combinaison avec un système solaire thermique pour la préparation de l’eau chaude sanitaire et l’appoint au chauffage est également intéressante.

Une pompe à chaleur fonctionne-t-elle aussi comme système de refroidissement ?

Oui, contrairement à toutes les autres techniques de chauffage, les pompes à chaleur peuvent également être utilisées en été pour refroidir les habitations. La condition préalable est que la pompe à chaleur soit réversible, c’est-à-dire que le processus thermodynamique de l’appareil puisse également se dérouler en sens inverse : Dans ce cas, la pompe à chaleur retire la chaleur de l’habitation et la transfère à l’environnement (air, terre ou eau) via le circuit de récupération de chaleur décrit. Le chauffage au sol est généralement utilisé comme surface de refroidissement. L’humidité des pièces doit être contrôlée par le système de régulation afin d’éviter la formation de condensation.

Deux possibilités de refroidissement sont disponibles :

  • Pour le refroidissement actif, un courant supplémentaire est nécessaire pour actionner le compresseur en fonctionnement réversible. Bien que ce facteur de coût soit supplémentaire, la capacité de refroidissement est plus élevée que le refroidissement passif. Ce type de refroidissement est généralement utilisé avec les pompes à chaleur air/eau.
  • Le refroidissement passif est plus économe en énergie, mais ne peut être réalisé qu’avec une pompe à chaleur glycol/eau ou eau/eau. La chaleur du bâtiment est dissipée à la source d’énergie uniquement à l’aide de la pompe de circulation.

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