Comprendre le fonctionnement d'une pompe à chaleur air-eau

Quel est le principe de fonctionnement de la pompe à chaleur air-eau ?

Avant d'évoquer le mécanisme spécifique à la pompe à chaleur air-eau, résumons rapidement le principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur.

Les pompes à chaleur sont des systèmes de chauffage qui emploient un mécanisme d'échange de chaleur (thermodynamique) pour transférer de l'énergie d'une source froide vers une source chaude. La pompe à chaleur recueille l'énergie du milieu extérieur (de l'air, de l'eau ou du sol) pour ensuite la restituer au circuit intérieur pour le chauffage après une transformation des calories puisées. Il existe alors plusieurs types de pompe à chaleur :

• les pompes à chaleur aérothermiques (PAC air-air et PAC air-eau) qui puisent la chaleur dans l'air ;
• les pompes à chaleur géothermiques (PAC sol/sol et PAC sol-eau) qui puisent les calories dans la terre ;
• les pompes à chaleur hydrothermiques (PAC eau-eau) qui utilisent l'énergie contenue dans les nappes phréatiques.

Alors que les pompes à chaleur air-air utilisent l'air extérieur pour stocker et fournir de la chaleur dans un logement par un système de ventilation, la pompe à chaleur air-eau extrait elle aussi cette énergie de l'air extérieur mais transmet la chaleur cette fois via un réseau d'eau. Elle est ainsi restituée dans le logement via émetteurs de chaleur tels que des radiateurs ou un plancher chauffant.

Le fonctionnement d'une pompe à chaleur air-eau en détail

La production de chauffage par l'intermédiaire d'une pompe à chaleur air-eau suit un processus relativement simple mais nécessitant une interconnexion parfaite entre les différents éléments pour un fonctionnement optimal.

Les éléments indispensables à la transformation de l'énergie

Pour transférer les calories du milieu extérieur vers l'intérieur du logement, les pompes à chaleur utilisent un processus de transformation de l'énergie réalisé à partir de quatre éléments indispensables :

• un évaporateur qui permet la conversion du réfrigérant liquide en vapeur d'eau ;
• un compresseur qui a pour objectif d'augmenter la pression et la température du gaz ;
• un condenseur permettant au fluide frigorigène de récupérer les calories et de les transférer à l'eau de chauffage ;
• un détendeur utilisé pour abaisser la pression et la température du gaz avant sa distribution.

Le montage de l'installation

Les divers éléments constitutifs d'une pompe à chaleur air-eau doivent, pour faire fonctionner le dispositif, être reliés à un circuit d'eau de chauffage approvisionnant les appareils de restitution de chaleur. Il existe deux types de montages pour une pompe à chaleur air-eau :

• les installations “monosplit” (un seul bloc) qui sont les plus répandues et les moins volumineuses. Elles sont de ce fait adaptées aux petits logements mais leur fonctionnement reste limité puisqu'il expose l'eau à des risques de gel, l'échangeur thermique étant placé à l'extérieur du bâtiment ;

• les installations "multisplit" (avec une unité extérieure et une intérieure) qui sont plus onéreuses et prennent davantage de place mais permettent d'éviter que l'eau de chauffage ne gèle puisqu'elle n'est pas en contact avec l'extérieur. Elles sont principalement utilisées pour les maisons.

Le processus de transformation des calories extraites de l'air extérieur

La transformation des calories de l'air extérieur en eau de chauffage est réalisée par l'intermédiaire d'un fluide frigorigène, qui passe de l'état liquide à l'état gazeux et transfère l'énergie contenue dans l'air extérieur à l'eau chauffée. Le processus se compose de quatre étapes distinctes :

1. Le fluide frigorigène liquide prélève les calories issues de l'air extérieur grâce à sa température relativement basse. Il monte alors en température et change d'état pour se transformer en gaz et s'évaporer ;
2. Le compresseur, doté d'un moteur électrique, aspire et comprime le fluide à l'état gazeux qui devient alors chaud avec une très haute pression ;
3. Le fluide frigorigène chauffé suffisamment et arrivé à haute pression, passe dans un condenseur pour délivrer ses calories à l'eau de chauffage. Cette eau chaude peut alors être utilisée pour le chauffage des radiateurs, du plancher chauffant ou des ventilo-convecteurs. La condensation fait passer le fluide frigorigène de sa forme gazeuse à sa forme liquide :
4. Finalement, le détendeur abaisse la pression du fluide frigorigène pour le préparer à sa phase d'évaporation. Il revient alors à son aspect initial et un nouveau cycle peut alors s'enclencher.

La pompe à chaleur air-eau, un dispositif intéressant à plusieurs égards

Les pompes à chaleur air-eau sont intéressantes d'un point de vue énergétique grâce à des rendements importants. Le coefficient de performance (COP) d'une PAC air-eau avoisine généralement les 3 (et parfois plus), ce qui signifie que 1 kW d'énergie consommée permet de produire au-moins 3 kW d'énergie thermique.

C'est plus que la plupart des modes de chauffage traditionnels et notamment le gaz, l'électricité ou même le bois. Malgré son coût non négligeable (entre 10 000 et 16 000 € pose comprise), elle permet de substantielles économies d'énergie chaque année et une rentabilisation en une petite dizaine d'années, d'autant plus si vous bénéficiez des dispositifs d'aide étatique (MaPrimeRénov', CEE, TVA à 5,5 %, etc.).

La PAC air-eau constitue de plus un mode de chauffage propre utilisant les énergies renouvelables comme alternative cohérente aux combustibles fossiles. Elle fait simplement appel à l'énergie électrique pour faire fonctionner le mécanisme de convoyage et de transformation des calories extérieures vers l'intérieur du logement, ce qui minimise grandement les émissions de CO2.

Une installation pas nécessairement adaptée à tous les environnements

Malgré leurs nombreux avantages, notamment en matière d'économies d'énergie, les pompes à chaleur air-eau ne sont pas toujours suffisantes pour chauffer intégralement des habitations lorsque les températures deviennent très basses. Elles nécessitent donc bien souvent l'ajout d'un chauffage d'appoint pour maintenir un confort thermique optimal lorsque les températures descendent en deçà d'un certain seuil.

Les pompes à chaleur air-eau sont particulièrement moins efficaces lorsque les températures extérieures descendent en dessous de -5 °C. La pompe à chaleur demeure alors prioritaire jusqu'à ce que la température externe soit trop faible, et c'est alors que votre système de chauffage complémentaire prend le relais (chauffage électrique le plus souvent).

En résumé, la performance d'une pompe à chaleur dépend grandement du climat de la région où elle est installée. Elle est donc plutôt déconseillée dans les zones climatiques rigoureuses puisqu'elle nécessitera une plus grande puissance électrique pour fonctionner et offrira de ce fait un moins bon rendement.

Il vous est néanmoins possible d'utiliser des énergies renouvelables complémentaires pour bénéficier d'un logement totalement autonome et durable. Vous pouvez par exemple installer des panneaux solaires ou un poêle à granulés, ces différents équipements pouvant alors fonctionner alternativement avec la pompe à chaleur air-eau pour minimiser votre consommation énergétique.