La pompe à chaleur aérothermique (PAC) air-eau capte la chaleur de l’air extérieur et élève sa température pour produire du chauffage et de l’eau chaude sanitaire. Si d’apparence l’explication est simple, la pompe à chaleur air/eau cache en réalité un fonctionnement complexe qui repose sur un principe physique essentiel : la thermodynamique.
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La pompe à chaleur air/eau, tout le monde en parle ! Mais dans les faits, qui sait concrètement comment elle fonctionne ? Comment ce système de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire parvient-il à générer autant d’économies d’énergie ? Tuco lève le voile sur le fonctionnement d’une pompe à chaleur air/eau et vous révèle toutes les astuces à connaître pour optimiser son utilisation.
Schéma de fonctionnement d’une pompe à chaleur air/eau
Les différents éléments d’une pompe à chaleur air/eau
Pour comprendre le fonctionnement d’une pompe à chaleur à aérothermie, il convient de définir le rôle et la fonction de chaque élément qui la compose :
- L’évaporateur, c’est un échangeur de chaleur constitué d’un réseau de tubes dans lequel circule un fluide frigorigène. Il absorbe les calories de l’air extérieur qui le traverse ;
- Le compresseur électrique, qui augmente la pression du fluide en le comprimant ;
- Le condenseur, qui est également un échangeur de chaleur. Il transmet les calories du fluide au circuit de chauffage (radiateurs ou plancher chauffant) ;
- Le détendeur, qui à l’inverse du compresseur, est chargé d’abaisser la pression du fluide.
Les 4 étapes du cycle de fonctionnement de la PAC aérothermique
Chaque fois qu’un fluide subit un changement de phase (passage d’un état liquide à un état gazeux, par exemple), un transfert d’énergie s’opère ! Le principe ici décrit est celui de la thermodynamique. C’est ainsi que la pompe à chaleur parvient à chauffer votre logement en prélevant des calories gratuites.
Explications, étape par étape :
- Aidé par l’action d’un ventilateur, l’air extérieur est dirigé vers l’évaporateur. À son contact, le fluide frigorigène se réchauffe et se vaporise. Il devient de la vapeur à basse pression.
- L’augmentation de la pression par le compresseur engendre une forte hausse de la température du fluide qui se transforme en vapeur à haute pression.
- Le fluide atteint alors une température suffisante pour réchauffer votre maison et alimenter un ballon d’eau chaude sanitaire. Il est donc acheminé vers le condenseur pour céder ses calories au réseau de chauffage. En refroidissant, la vapeur condense.
- En sortie de condenseur, la pression du fluide redevenu liquide est encore élevée. Le détendeur va accélérer son refroidissement. Le fluide retourne alors dans l’évaporateur pour amorcer un nouveau cycle.
Tout savoir sur le fluide frigorigène de la pompe à chaleur
Le fluide frigorigène (ou fluide caloporteur) joue un rôle majeur dans le fonctionnement d’une pompe à chaleur. Il sert en effet à véhiculer la chaleur captée de l’extérieur vers l’intérieur de la maison. C’est pourquoi il est choisi en fonction de :
- Ses qualités thermodynamiques (capacité de transfert de chaleur, résistance à la haute température, etc.) ;
- Son efficacité (faible perte de pression, vitesse de fonctionnement élevée, etc.) ;
- Sa dangerosité (inflammabilité, toxicité, etc.) et son impact environnemental ;
- Son prix de revient.
Désormais, seuls les hydrofluorocarbures (HFC) et les fluides frigorigènes naturels sont autorisés. La réglementation F-Gaz (décret n° 2015-1790) a également instauré des quotas décroissants pour limiter l’utilisation des réfrigérants les plus émetteurs de gaz à effet de serre, avec pour certains une interdiction prévue en 2030.
Bon à savoir : Les fluides R410A et R32 sont actuellement les plus utilisés. Daikin est d’ailleurs le premier fabricant à avoir équipé ses pompes à chaleur du réfrigérant R32 qui réduit de 75 % son équivalent CO2.
PAC air/eau : un fonctionnement qui varie selon vos besoins
Pour un fonctionnement de pompe à chaleur optimisé, votre système de chauffage doit être pleinement compatible avec les spécificités de votre logement. En effet les solutions proposées vont par exemple varier selon si vous vivez dans un logement à haute performance énergétique ou dans ce qu’on appelle une “passoire thermique” autrement dit un logement avec classe énergie F ou G. Tuco vérifie pour vous la faisabilité de vos travaux, estime le montant de vos aides et de vos futures économies, calcule le prix de la pompe à chaleur air/eau et vous oriente vers le chauffage le plus économique et performant.
Le niveau d’isolation et la localisation de votre logement
Avant d’élaborer son devis de pompe à chaleur air/eau ou de tout système de chauffage, le professionnel commence toujours par réaliser une étude thermique. Il effectue donc une visite technique préalable pour relever toutes les informations nécessaires au bon dimensionnement de votre système de chauffage comme la qualité de l’enveloppe thermique et donc de l’isolation de votre maison.
Après avoir analysé les forces et faiblesses de votre maison, le chauffagiste vous proposera soit :
- Une pompe à chaleur à basse ou moyenne température, dont la température d’eau du circuit de chauffage varie de 35 à 45 °C. Pour installer cet équipement, votre logement doit être parfaitement bien isolé et étanche à l’air. De même, les économies d’énergie sont plus importantes si la PAC est raccordée à un plancher chauffant.
- Une pompe à chaleur à haute température, qui chauffe l’eau du réseau de chauffage à plus de 55 °C. Cette solution est souvent proposée dans le cas d’une habitation située dans une région froide, partiellement isolée ou avec des radiateurs anciens (en fonte, par exemple). Son efficacité est en revanche un peu plus faible. D’autre part, il est parfois nécessaire de prévoir l’installation d’un compteur triphasé.
Attention : dans les régions froides, un appoint de chauffage (chaudière, poêle à bois, etc.) est vivement recommandé.
Les modes de fonctionnement de la pompe à chaleur
Le tableau ci-après vous présente les différentes catégories de pompes à chaleur, en fonction de leur mode de fonctionnement.
| Modes de fonctionnement de la PAC | Principes de fonctionnement | Particularités | ||
|---|---|---|---|---|
| Pompe à chaleur simple service (chauffage seul) | La PAC produit du chauffage, mais pas l’eau chaude sanitaire. | Nécessite l’installation d’un ballon d’eau chaude (chauffe-eau thermodynamique, cumulus électrique, etc.). | ||
| Pompe à chaleur double service | La PAC produit le chauffage et l’eau chaude sanitaire. | Nécessite une puissance de pompe à chaleur plus élevée. | ||
| Pompe à chaleur sans appoint | La PAC est le seul mode de chauffage du logement. | Déconseillée, sauf pour les régions chaudes (Sud de la France, par exemple). | ||
| Pompe à chaleur avec appoint (système mono-énergie) | Une résistance électrique intégrée couvre la puissance de la PAC par temps froids. | La consommation d’électricité peut devenir élevée en cas de période froide prolongée. | ||
| Pompe à chaleur avec appoint (système bi-énergie) | Un équipement de chauffage complémentaire prend le relais lorsque la température extérieure est trop basse. | La PAC peut être :
|
Le fonctionnement de la PAC en fonction du modèle
Même quand la place vient à manquer, l’installation d’une pompe à chaleur reste possible ! La gamme des PAC comporte en effet 3 possibilités de modèles :
- La pompe à chaleur monobloc extérieur. L’unité extérieure contient tous les éléments de fonctionnement de la PAC et se raccorde directement aux émetteurs de chaleur ;
- La pompe à chaleur monobloc intérieur. La PAC, avec son module hydraulique, est intégralement installée dans une pièce intérieure de votre maison ;
- La pompe à chaleur avec éléments séparés (bibloc ou split). L’évaporateur, le compresseur et le détendeur sont généralement situés dans l’unité extérieure. Le détendeur et le module hydraulique sont intégrés dans l’unité intérieure.
Bon à savoir : Les PAC monoblocs ne nécessitent pas d’intervention sur le circuit frigorifique lors de l’installation.
Les fonctions et technologies particulières des PAC
En plus des nombreux avantages qu’offre une pompe à chaleur air/eau classique, certains modèles procurent un confort supplémentaire et une consommation d’énergie plus réduite :
- La pompe à chaleur réversible. Le cycle thermodynamique de la PAC s’inverse pour rafraîchir votre logement de quelques degrés. Ce système est uniquement compatible avec un plancher chauffant ou des ventilo-convecteurs ;
- La pompe à chaleur Inverter. Le compresseur est prévu pour fonctionner à des vitesses de rotation variables. Cette modulation de puissance optimise l’efficacité de la PAC et limite les cycles d’arrêts-marches ;
- La pompe à chaleur hybride. Elle combine 2 énergies. L’unité extérieure intègre les éléments de la PAC et l’unité intérieure celles d’une chaudière à condensation (gaz, fioul ou bois). Ce système intelligent choisit automatiquement l’énergie à privilégier pour diminuer au maximum votre consommation de chauffage et d’eau chaude ;
- La pompe à chaleur solaire. La PAC est couplée à des panneaux photovoltaïques ou des panneaux solaires thermiques. Elle nécessite l’installation d’un ballon tampon pour stocker le surplus des calories gratuites.
Comment optimiser le fonctionnement d’une PAC air/eau ?
C’est un fait : la pompe à chaleur est un système de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire très efficace et économique ! Toutefois, pour que le prix de votre facture d’électricité reste faible le plus longtemps possible, quelques astuces sont à connaître.
La réduction des pertes de chaleur du logement
Rien ne sert de posséder la pompe à chaleur la plus performante du marché si le taux d’humidité de votre maison n’est pas optimal ou si elle n’est pas parfaitement isolée.
Votre maison n’est pas parfaitement isolée ? Avant d’engager tout projet de pompe à chaleur, il est utile de consolider le niveau d’isolation thermique globale de son logement, en effectuant des travaux de rénovation énergétique comme l’isolation des combles ou l’isolation par l’extérieur. Ainsi, vous pourrez choisir une PAC à basse température, moins puissante et donc moins chère. De plus, en faisant ce choix vous pourrez bénéficier davantage d’aides pour votre pompe à chaleur.
La critère d’efficacité de la pompe à chaleur
L’efficacité énergétique d’une pompe à chaleur air/eau est définie par plusieurs indicateurs qu’il convient de connaître :
- Le COP (Coefficient de performance). Le COP sert à évaluer le rendement de la PAC. Il correspond au rapport entre l’énergie délivrée par l’appareil en mode chauffage et l’énergie consommée pour faire fonctionner le compresseur. Ainsi, pour un COP de 5 : la PAC consomme 1 kWh et fournit 4 kWh gratuitement.
- Le SCOP (Coefficient de performance saisonnier). Plus représentatif que le COP, le SCOP renseigne sur le rendement saisonnier de la PAC, en intégrant les fluctuations de températures extérieures.
- L’ETAS (Efficacité saisonnière). Instauré par la directive européenne ErP, l’ETAS permet de comparer les performances saisonnières de tous les systèmes de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire (chaudière à condensation, panneaux solaires thermiques, chauffe-eau thermodynamique, etc.).
Bon à savoir : Le SCOP permet également de connaître la classe énergétique de la pompe à chaleur. Par exemple, pour atteindre la classe A+++, le SCOP doit être supérieur à 5,1.
La régulation thermique du chauffage par la loi d’eau
Comme le fonctionnement de la pompe à chaleur air/eau est totalement dépendant de la température de l’air extérieur, l’appareil intègre systématiquement un régulateur. C’est ainsi que la PAC anticipe les variations de températures extérieures et adapte la température du réseau de chauffage. Ce principe est celui de la régulation par la loi d’eau.
Une régulation optimisée fait recours à :
- Une sonde extérieure, bien positionnée (nord ou nord-ouest) et protégée du soleil ;
- Un thermostat d’ambiance ;
- Des vannes thermostatiques sur les radiateurs.
L’installation et l’entretien de la PAC
Pour l’installation de votre pompe à chaleur air/eau , choisissez toujours un artisan qualifié RGE (Reconnu garant de l’environnement). En plus de bénéficier de son expertise, vous aurez accès à la plupart des aides financières ou primes à la rénovation (MaPrimeRénov’, prime CEE, éco-PTZ, etc.).
De même, il est important de procéder à un nettoyage régulier de votre pompe à chaleur et veiller à ce qu’aucun objet (feuilles, déchets, etc.) ne perturbe son fonctionnement. L’air doit toujours pouvoir circuler librement autour de l’unité extérieure.
D’ailleurs, la maintenance d’une pompe à chaleur par un professionnel est obligatoire tous les 2 ans pour les pompes à chaleur d’une puissance inférieure à 70 kW. Un contrôle de l’étanchéité du circuit frigorifique est également à réaliser tous les 5 ans.
Dans l’idéal, optez pour un contrat d’entretien annuel. Vous garantissez ainsi la longévité et l’efficacité de votre équipement de chauffage.
En résumé : 5 notions à retenir sur le fonctionnement d’une PAC air/eau
Pour profiter durablement des avantages de votre pompe à chaleur air/eau, n’oubliez pas que :
- Le rendement d’une pompe à chaleur air/eau dépend en grande partie de la température de sa source (l’air).
- Plus la différence entre la température de l’air extérieur et de l’air intérieur est faible, plus l’efficacité énergétique de la pompe à chaleur est optimisée !
- Pour le bon fonctionnement de votre PAC, il faut sélectionner un modèle (puissance, dimensionnement…) en adéquation avec la configuration et les spécificités de votre maison.
- La régulation thermique est indispensable pour s’approcher le plus possible du rendement (SCOP) indiqué par le fabricant.
- Pour un résultat impeccable et sans mauvaises surprises, il faut toujours confier vos travaux et l’entretien de votre pompe à chaleur à une entreprise qualifiée.
Comment fonctionne une pompe à chaleur AIR/EAU ?
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