Comment fonctionne une pompe à chaleur ?

Une pompe à chaleur, souvent appelée PAC, peut sembler compliquée au premier abord. Pourtant, son principe est assez simple : elle récupère de la chaleur là où elle se trouve, puis elle la déplace vers l’endroit où l’on en a besoin.

Contrairement à une chaudière classique, elle ne produit pas principalement de la chaleur en brûlant du gaz, du fioul ou du bois. Elle utilise de l’électricité pour faire circuler un fluide et transférer des calories depuis l’air extérieur, le sol ou l’eau vers l’intérieur du logement.

C’est ce qui rend son fonctionnement intéressant : une partie importante de l’énergie utilisée vient de l’environnement. Même un air extérieur froid contient encore de la chaleur exploitable. La pompe à chaleur sert à capter cette énergie et à l’amener à une température utile pour chauffer la maison.

Le principe de base : déplacer la chaleur

Pour comprendre une pompe à chaleur, il faut oublier l’idée qu’elle “fabrique” simplement de la chaleur comme une résistance électrique.

Elle fonctionne plutôt comme un réfrigérateur inversé. Un réfrigérateur prend la chaleur à l’intérieur de l’appareil et la rejette dans la pièce. C’est pour cela que l’arrière d’un frigo peut être chaud. Une pompe à chaleur fait l’inverse pour chauffer un logement : elle prend de la chaleur dehors et la restitue dedans.

Ce déplacement n’est pas naturel lorsqu’il s’agit de faire passer la chaleur d’un milieu froid vers un milieu plus chaud. Pour y parvenir, la PAC utilise un circuit fermé avec un fluide spécial, un compresseur, des échangeurs et un détendeur.

Les quatre éléments principaux d’une pompe à chaleur

La plupart des pompes à chaleur utilisées pour le chauffage fonctionnent avec un cycle thermodynamique à compression. Ce cycle repose sur quatre éléments.

Élément	Rôle principal
Évaporateur	Capte la chaleur dans l’air, le sol ou l’eau
Compresseur	Augmente la pression et la température du fluide
Condenseur	Transmet la chaleur au logement
Détendeur	Fait baisser la pression du fluide pour recommencer le cycle

Ces pièces travaillent ensemble en boucle. Tant que le système fonctionne, le fluide circule, change de pression, change parfois d’état, absorbe de la chaleur puis la restitue.

Étape 1 : capter les calories à l’extérieur

La première étape consiste à capter de la chaleur dans une source extérieure. Cette source peut être :

• l’air extérieur ;
• le sol ;
• une nappe d’eau ;
• parfois l’air extrait du logement.

Même lorsqu’il fait froid dehors, l’air contient encore de l’énergie thermique. La pompe à chaleur ne cherche donc pas une chaleur “chaude” comme on l’imagine. Elle cherche des calories disponibles, puis elle les élève à un niveau utile.

Dans une PAC air-eau, par exemple, l’unité extérieure contient un échangeur et un ventilateur. Le ventilateur fait passer l’air sur l’échangeur. Le fluide frigorigène, plus froid que l’air extérieur, capte alors de la chaleur et s’évapore.

Étape 2 : comprimer le fluide

Une fois que le fluide frigorigène a capté de la chaleur, il arrive au compresseur sous forme de gaz. Le compresseur le met sous pression.

Cette compression augmente fortement sa température. C’est une étape essentielle : elle permet d’obtenir une chaleur suffisamment élevée pour chauffer l’eau du circuit de chauffage ou l’air intérieur.

C’est aussi le compresseur qui consomme une grande partie de l’électricité de la pompe à chaleur. Plus il doit travailler fort, plus la consommation augmente.

Étape 3 : transmettre la chaleur au logement

Le fluide chaud passe ensuite dans un échangeur appelé condenseur. À cet endroit, il cède sa chaleur au système de chauffage.

Selon le type d’installation, cette chaleur peut être transmise :

• à l’air intérieur ;
• à l’eau d’un plancher chauffant ;
• à l’eau des radiateurs ;
• à un ballon d’eau chaude sanitaire si le système le permet.

En cédant sa chaleur, le fluide refroidit et redevient liquide. La chaleur récupérée dehors se retrouve donc à l’intérieur de la maison.

Étape 4 : détendre le fluide pour recommencer

Après avoir transmis sa chaleur, le fluide passe dans un détendeur. Sa pression chute. Sa température baisse aussi.

Il redevient alors capable de capter à nouveau de la chaleur dans l’environnement extérieur. Le cycle peut recommencer : captage, compression, restitution, détente.

C’est cette boucle continue qui permet à la pompe à chaleur de chauffer un logement.

Les différents types de pompes à chaleur

Toutes les pompes à chaleur ne captent pas l’énergie au même endroit et ne la diffusent pas de la même manière.

La pompe à chaleur air-air

Elle prélève la chaleur dans l’air extérieur et la restitue directement sous forme d’air chaud dans le logement.

Elle ressemble souvent à un système de climatisation réversible. Elle peut chauffer en hiver et rafraîchir en été si elle est prévue pour cela.

Son avantage est qu’elle peut être relativement simple à installer. Son inconvénient est qu’elle ne chauffe pas directement l’eau des radiateurs classiques ni l’eau chaude sanitaire, sauf système complémentaire.

La pompe à chaleur air-eau

Elle capte la chaleur dans l’air extérieur, puis chauffe de l’eau. Cette eau circule ensuite dans un plancher chauffant, des radiateurs adaptés ou un ballon.

C’est une solution fréquente en rénovation, car elle peut parfois remplacer une chaudière en utilisant une partie du réseau de chauffage existant. Mais il faut vérifier que les radiateurs sont compatibles avec une température d’eau plus basse.

La pompe à chaleur géothermique

Elle prélève la chaleur dans le sol. Le sol a l’avantage de garder une température plus stable que l’air extérieur, ce qui peut améliorer le rendement.

En revanche, l’installation est souvent plus coûteuse et plus complexe, car elle demande des capteurs enterrés ou des forages selon les cas.

La pompe à chaleur eau-eau

Elle utilise une source d’eau, comme une nappe phréatique, pour capter les calories. Ce système peut être performant, mais il dépend fortement du terrain, des autorisations et des conditions techniques.

Pourquoi parle-t-on de COP ?

Le COP signifie coefficient de performance. Il indique le rapport entre la chaleur produite et l’électricité consommée.

Par exemple, si une pompe à chaleur consomme 1 kWh d’électricité pour restituer 3 kWh de chaleur, son COP est de 3.

Il faut toutefois rester prudent avec ce chiffre. Le COP indiqué par le fabricant est souvent mesuré dans des conditions précises. Dans la vraie vie, le rendement dépend de la température extérieure, de l’isolation, des réglages, du type de radiateurs et de la qualité de l’installation.

Plus l’écart est grand entre la température extérieure et la température demandée à l’intérieur, plus la pompe à chaleur doit travailler. Son rendement peut alors baisser.

Pourquoi une maison bien isolée change tout

Une pompe à chaleur donne les meilleurs résultats dans une maison qui garde bien la chaleur. Si le logement est mal isolé, la PAC doit fonctionner davantage pour compenser les pertes.

L’isolation des combles, des murs, des fenêtres et des planchers joue donc un rôle majeur. Une pompe à chaleur installée dans une maison très énergivore peut décevoir, non pas parce que la technologie est mauvaise, mais parce que le bâtiment demande trop d’énergie.

C’est pour cela qu’avant de choisir une PAC, il est souvent utile de regarder d’abord les déperditions de chaleur du logement.

Radiateurs, plancher chauffant et température d’eau

Une pompe à chaleur fonctionne souvent mieux avec une chaleur douce et régulière. Elle aime les systèmes qui n’ont pas besoin d’eau très chaude.

Le plancher chauffant est bien adapté, car il diffuse la chaleur sur une grande surface avec une température d’eau relativement basse.

Les radiateurs peuvent aussi fonctionner, mais pas toujours. De vieux radiateurs prévus pour une chaudière à haute température peuvent être insuffisants si l’eau envoyée par la PAC est plus basse. Dans ce cas, il peut être nécessaire de remplacer certains radiateurs ou d’améliorer l’isolation.

Une pompe à chaleur peut-elle aussi rafraîchir ?

Certaines pompes à chaleur sont réversibles. Cela signifie qu’elles peuvent inverser leur fonctionnement pour retirer de la chaleur du logement et la rejeter dehors.

C’est le même principe qu’une climatisation. Une PAC air-air réversible peut donc produire de l’air frais. Une PAC air-eau peut parfois rafraîchir via un plancher rafraîchissant ou des ventilo-convecteurs, mais cela dépend de l’installation.

Il faut aussi faire attention à la condensation. Rafraîchir une maison ne se fait pas exactement comme la chauffer.

Les erreurs à éviter avant d’installer une pompe à chaleur

Choisir uniquement selon le prix

Une pompe à chaleur mal dimensionnée peut consommer trop, manquer de puissance ou s’user plus vite. Le prix d’achat ne suffit pas : il faut regarder le dimensionnement, la qualité de pose et l’adaptation au logement.

Négliger l’isolation

Installer une PAC dans une maison qui perd beaucoup de chaleur peut réduire fortement les bénéfices attendus.

Garder des radiateurs inadaptés

Si les émetteurs de chaleur ne sont pas compatibles, le confort peut être mauvais ou la consommation trop élevée.

Croire que la pompe à chaleur est totalement gratuite à l’usage

Une PAC utilise de l’électricité. Elle peut être très efficace, mais elle n’est pas magique. Son coût dépend du rendement réel, du prix de l’électricité et des besoins de chauffage.

Oublier l’entretien

Comme tout système de chauffage, une pompe à chaleur doit être surveillée et entretenue. Les filtres, l’unité extérieure, les réglages et le circuit doivent rester en bon état.

Comment savoir si une pompe à chaleur est adaptée à son logement ?

Avant de se décider, il faut regarder plusieurs points :

• niveau d’isolation ;
• surface à chauffer ;
• climat local ;
• type de radiateurs ou plancher chauffant ;
• place disponible pour l’unité extérieure ;
• bruit possible pour soi et les voisins ;
• besoin ou non d’eau chaude sanitaire ;
• budget d’installation ;
• qualité de l’installateur.

Une étude sérieuse du logement est importante. Une bonne pompe à chaleur mal posée peut donner de mauvais résultats. À l’inverse, une installation bien pensée peut offrir un bon confort et une consommation maîtrisée.

À retenir

Une pompe à chaleur fonctionne en transférant la chaleur d’un milieu vers un autre. Elle capte des calories dans l’air, le sol ou l’eau, puis les élève à une température utile grâce à un fluide frigorigène et à un compresseur.

Son intérêt vient du fait qu’elle peut restituer plus de chaleur qu’elle ne consomme d’électricité. Mais son efficacité dépend beaucoup du logement, de l’isolation, de la température extérieure, des radiateurs et de la qualité de l’installation.

Pour approfondir, vous pouvez consulter les explications de l’U.S. Department of Energy sur les pompes à chaleur, ainsi que nos autres articles dans la rubrique Maison & jardin.

Vous pouvez aussi lire notre article de culture générale sur Pourquoi utilise-t-on un calendrier de 12 mois ? pour continuer à comprendre les systèmes qui structurent notre quotidien.