Pompe à chaleur : quel est son principe ?

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Une pompe à chaleur convertit l’énergie thermique naturellement présente dans l’environnement en chaleur pour le chauffage ou la production d’ECS (Eau Chaude Sanitaire). Utilisant les calories présentent dans l’eau, l’air ou le sol, il s’agit d’un équipement de chauffage économique et écologique. Une pompe à chaleur, comment ça marche ? Cet article vous dit tout sur le principe et le fonctionnement d’une PAC.

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Principe d’une pompe à chaleur

Le principe d’une pompe à chaleur se rapproche de celui d’un réfrigérateur. Au lieu de récupérer la chaleur de son intérieur pour la refroidir en la diffusant dans l’environnement, une PAC capte les calories dans l’environnement, les valorise, puis diffuse la chaleur dans une habitation. Pour fonctionner, une pompe à chaleur se repose ainsi sur le principe physique Joule-Thompson et celui de la thermodynamique.

Sources de chaleur utilisées par une pompe à chaleur

Une pompe à chaleur puise de l’énergie dans l’air ambiant, l’eau ou la terre pour produire de la chaleur pour le chauffage et/ou la production d’eau chaude sanitaire. Il existe ainsi différentes sortes de PAC, dont :

  • Les pompes à chaleur aérothermiques : ce type de PAC extrait la chaleur dans l’air ambiant.
  • Les pompes à chaleur géothermiques : ce type de PAC extrait la chaleur dans la terre.
  • Les pompes à chaleur aquathermiques : ce type de PAC extrait la chaleur dans l’eau des nappes phréatiques ou des eaux de surfaces comme une rivière ou un lac.

À noter qu’une pompe à chaleur requiert également de l’énergie électrique pour fonctionner. Il est possible de trouver des PAC électriques, des PAC solaires ou des PAC fonctionnant au gaz. Le rendement d’une pompe à chaleur reste cependant intéressant. En effet, cet équipement de chauffage produit généralement plus d’énergie qu’il n’en consomme.

Principe de la thermodynamique et de Joule-Thompson

La chaleur récupérée par une PAC dans l’environnement n’est pas suffisante pour chauffer l’eau ou une pièce. Le principe Joule-Thompson associé au principe de la thermodynamique permet de valoriser cette chaleur. Ainsi, la pompe à chaleur peut amener la chaleur environnementale au niveau de la chaleur de chauffage.

Bon à savoir. Dans les équipements utilisant le phénomène Joule-Thompson, les gaz contenus dans leurs circuits modifient leur température sans un apport de travail extérieur lors d’une expansion.

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Pompe à chaleur : fonctionnement de ses composants

Afin de mieux comprendre comment fonctionne une pompe à chaleur, il est important de comprendre le fonctionnement de ses composants. Une PAC possède un circuit fermé constitué de 4 éléments de base dans lesquels circule un fluide frigorigène.

Le fluide frigorigène dans une pompe à chaleur

Le fluide frigorigène est essentiel au fonctionnement d’une pompe à chaleur. Ce réfrigérant présente un point d’ébullition extrêmement bas. Au sein du circuit de la pompe à chaleur, il passe par un processus frigorifique pendant lequel il passe de l’état liquide à l’état gazeux et vice-versa pour transmettre la chaleur.

Les 4 éléments d’une pompe à chaleur

Le circuit d’une pompe à chaleur est constitué d’un évaporateur, d’un compresseur, d’un condenseur et d’un détendeur. Ces différents éléments assurent un rôle précis dans le fonctionnement d’une PAC.

Pour une pompe à chaleur, le fonctionnement de ses différents éléments permet de produire de la chaleur et de la transmettre :

  • L’évaporateur est le premier point de passage du fluide frigorifique. Ce dernier se vaporise sous l’effet de la chaleur récupérée par la pompe à chaleur dans l’air, le sol ou l’eau. Le transfert de chaleur au fluide se fait grâce à un échangeur de chaleur.
  • Le compresseur accueille le réfrigérant sous forme gazeuse et le compresse. Cette compression permet d’obtenir un gaz à haute pression et à haute température. Le compresseur fonctionne grâce à un moteur électrique. Il est l’élément le plus énergivore d’une pompe à chaleur.
  • Le condenseur retire la chaleur du gaz chaud grâce à un échangeur de chaleur. La chaleur est ensuite transférée vers l’accumulateur du système de chauffage de la PAC selon la température de chauffage souhaitée. Pendant cette étape, le gaz refroidit et se liquéfie. Sa pression est encore élevée.
  • Le détendeur réduit la pression du fluide frigorigène qui revient à sa température d’origine et repasse dans l’évaporateur pour reprendre le même cycle.

La distribution de la chaleur par une PAC

Le mode de distribution de chaleur fait partie des points qui différencient les pompes à chaleur. De manière générale, les PAC air/eau et sol/eau sont associées à un plancher chauffant ou à un radiateur qui assure la diffusion de la chaleur dans la maison. Les PAC air/air sont équipées de ventilo-convecteurs qui diffusent l’air chaud dans la pièce afin de chauffer l’habitation.

À noter que le fonctionnement de tous les types de pompes à chaleur n’est pas exactement le même. Il peut être différent par le mode d’insertion de la chaleur extraite dans le circuit frigorifique, le mode de distribution de la chaleur et le réfrigérant utilisé dans le circuit. Les PAC réversibles, par exemple, permettent également de rafraîchir une pièce.

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Comment fonctionne une pompe à chaleur ?

Pour une pompe à chaleur, le fonctionnement peut être un peu différent selon le type d’appareil :

  • Une pompe à chaleur eau/eau ou eau glycol/eau intègre un circuit de liquide qui transporte la chaleur extraite dans les eaux souterraines ou les eaux de surface (plus rarement) de façon permanente vers la PAC. Ce type de pompe à chaleur utilise du glycol, une eau enrichie en antigel.
  • Une pompe à chaleur air/air réversible extrait la chaleur dans l’air ambiant, la valorise, puis la restitue dans la maison pendant l’hiver et récupère la chaleur dans une pièce en été et la rejette à l’extérieur pour la rafraîchir.
  • Une pompe à chaleur monovalente ne requiert pas de système de chauffage complémentaire pour chauffer une maison et/ou produire de l’eau chaude sanitaire.
  • Une pompe à chaleur bivalente est combinée avec d’autres systèmes de chauffage pour produire de la chaleur pour le chauffage et la production d’ECS. Son utilisation est particulièrement indiquée dans les bâtiments anciens.

Vous savez maintenant comment fonctionne une pompe à chaleur et quel principe elle utilise pour produire et distribuer de la chaleur.