Pour pouvoir évaporer un liquide, il faut fournir de l'énergie. Ce phénomène est facile à observer avec l'eau. Lorsqu'on chauffe une casserole d'eau à 100 °C (on y ajoute de l'énergie thermique), l'eau commence à s’évaporer. Si l'on y ajoute ensuite de l'énergie thermique supplémentaire, la température de l'eau ne continue pas à augmenter. Au contraire, l'eau est entièrement transformée en vapeur.
Fonctionnement de la pompe à chaleur
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Comment fonctionne une pompe à chaleur ?
Une pompe à chaleur fonctionne de la même manière qu'un réfrigérateur, mais en sens inverse. Alors qu'un réfrigérateur extrait l'énergie thermique des aliments, c'est-à-dire de l'intérieur du réfrigérateur, et la transmet à l'extérieur, une pompe à chaleur fait l’inverse : elle extrait l'énergie thermique de l'environnement extérieur au bâtiment et la rend utilisable pour le chauffage à l'intérieur. Outre l'air intérieur ou extérieur, une pompe à chaleur est capable d'exploiter l'énergie thermique des eaux souterraines et de la terre. Et comme la température de la chaleur obtenue est généralement insuffisante pour chauffer un bâtiment ou l'eau chaude sanitaire, on utilise des procédés thermodynamiques pour augmenter la température.
Les faits importants en bref :
- Une pompe à chaleur tire jusqu'à trois quarts de l'énergie nécessaire de l'environnement (air, sol ou eau) et seulement un quart de l'électricité.
- Ses composants principaux sont l'évaporateur, le compresseur, le condenseur et le détendeur, qui fonctionnent ensemble dans un circuit fermé.
- Les pompes à chaleur fonctionnent de manière fiable même lorsque les températures extérieures sont très basses et peuvent être utilisées non seulement pour chauffer, mais aussi pour refroidir des pièces.
Le processus du cycle de réfrigération au cœur du principe de la pompe à chaleur
Quelle que soit la source de chaleur utilisée pour produire de la chaleur, le processus du cycle de réfrigération, qui comporte quatre étapes, fait toujours partie du mode de fonctionnement des pompes à chaleur.
Si un gaz, comme l'air, est comprimé (la pression augmente), sa température augmente également. Vous pouvez en faire l'expérience si vous maintenez l'ouverture d'une pompe à air de vélo fermée et que vous comprimez l'air : le ballon de la pompe devient chaud.
Comme l'énergie ne peut être perdue, lorsque la vapeur d'eau se condense, l'énergie thermique précédemment utilisée pour l'évaporation est à nouveau libérée.
Si la pression d'un liquide sous pression est soudainement réduite, la température baisse considérablement. On peut l'observer, par exemple, sur une bouteille de gaz liquide dans une gazinière de camping. Si la vanne est ouverte, de la glace peut se former sur la vanne du ballon GPL, même en été, (ici, la pression est réduite d'environ 30 bars à 1 bar).
Un deuxième échangeur de chaleur (condenseur) transfère ensuite l'énergie de la vapeur chauffée vers le circuit de chauffage (chauffage par le sol, radiateurs, radiateur ou chauffe-eau, comme le ballon d'eau chaude sanitaire). Au cours de ce processus, le fluide frigorigène, encore sous pression, se refroidit et se liquéfie à nouveau. Avant de pouvoir retourner dans le circuit, le fluide frigorigène est d'abord détendu dans une vanne d'expansion. Une fois qu'il a retrouvé son état initial, le cycle de réfrigération peut recommencer.
Différences entre les sources d'énergie
Bien que toutes les pompes à chaleur fonctionnent selon le même principe, elles diffèrent fondamentalement dans le choix de leur source d'énergie :
- Pompe à chaleur air-eau (pompe à chaleur à air) : ce type de pompe, le plus couramment installé, utilise un ventilateur pour aspirer l'air extérieur. Dans l'évaporateur de la pompe à chaleur, la chaleur de l'air est transférée au réfrigérant. L'installation est peu coûteuse, mais les performances dépendent également de la température extérieure.
- Pompe à chaleur sol-eau (pompe à chaleur géothermique) : la pompe à chaleur sol-eau tire son énergie du sol, où les températures sont relativement constantes tout au long de l'année. Un système de tuyaux rempli d'un mélange d'eau et d'antigel (saumure) est installé en profondeur. Ce type de pompe à chaleur offre des coefficients de performance annuels (CPA) très élevés, car la source d'énergie est stable. L'installation est toutefois plus complexe et plus coûteuse.
Vous trouverez des informations détaillées sur le fonctionnement dans nos guides sur les pompes à chaleur air-eau et les pompes à chaleur sol-eau.
Réfrigérant : essentiel au fonctionnement de la pompe à chaleur
Un fluide frigorigène spécial est indispensable au fonctionnement d'une pompe à chaleur. Son point d'ébullition extrêmement bas est une caractéristique décisive. Le liquide passe ainsi à l'état gazeux même à des températures très basses, parfois jusqu'à -20 °C. C'est la raison pour laquelle une pompe à chaleur fonctionne de manière fiable même en hiver, lorsque les températures extérieures sont basses.
À propos: les pompes à chaleur Viessmann de dernière génération utilisent le réfrigérant naturel propane (R290), qui n'a rien à envier aux réfrigérants classiques en termes de propriétés.
La compression et la consommation électrique de la pompe à chaleur
Le compresseur est un élément essentiel du circuit frigorifique. Il joue un rôle décisif, car sans compression, les températures de sortie de la chaleur environnementale ne suffisent pas pour chauffer un bâtiment. Seule la compression permet d'augmenter suffisamment la température du fluide frigorigène pour pouvoir chauffer efficacement même lors de journées très froides avec des températures négatives à deux chiffres.
Comme le compresseur est généralement alimenté à l'électricité, il a besoin d'électricité pour fonctionner. La consommation électrique exacte de la pompe à chaleur dépend, entre autres, des facteurs suivants :
- Besoins en chauffage du bâtiment: quelle quantité de chaleur est nécessaire ?
- Technologie du compresseur: quel type de compresseur est utilisé (par exemple, compresseur à piston ou à spirale) ?
- Différence de température: plus la différence entre la température de la source de chaleur (par exemple l'air extérieur) et la température de départ souhaitée dans le système de chauffage est importante, plus le compresseur doit fonctionner et plus la consommation d'électricité est élevée.
Info: outre les tarifs d'électricité domestiques classiques, il existe des tarifs spéciaux pour les pompes à chaleur. Pour en savoir plus, consultez notre guide sur l'électricité pour les pompes à chaleur.
La compression nécessite du courant électrique
Le compresseur est un élément essentiel du circuit de réfrigération. En effet, sans compression, les températures de sortie sont trop basses pour pouvoir chauffer un bâtiment à une température confortable, surtout les jours de grand froid avec des températures négatives à deux chiffres.
Grâce à leur fonction réversible, les pompes à chaleur peuvent également refroidir en été
Le principe de fonctionnement de la pompe à chaleur est réversible. C'est pourquoi elle permet non seulement de chauffer les pièces, mais aussi de les refroidir lorsque les conditions techniques sont réunies. On distingue deux méthodes de refroidissement :
- Refroidissement naturel: la pompe à chaleur reste éteinte. La température plus fraîche de la source de chaleur environnementale (sol, eau souterraine) est utilisée pour refroidir les pièces via un échangeur de chaleur.
- Refroidissement actif: le fonctionnement de la pompe à chaleur est activement inversé, de sorte que la chaleur des pièces est transportée vers l'extérieur. Ce mode de fonctionnement correspond à celui d'un réfrigérateur.
Vous trouverez le processus détaillé des fonctions de refroidissement dans notre guide sur le refroidissement naturel et actif.
FAQ – Questions fréquentes sur le fonctionnement de la pompe à chaleur
La consommation électrique d'une pompe à chaleur dépend notamment de son efficacité (coefficient de performance annuel) et de la puissance de chauffage requise. La majeure partie de l'énergie de chauffage provient de l'environnement, l'électricité étant principalement nécessaire au fonctionnement du compresseur.
Oui, la plupart des pompes à chaleur modernes peuvent non seulement chauffer les pièces, mais aussi produire l'eau chaude sanitaire. Il existe également des pompes à chaleur autonomes spécialement conçues pour la production d'eau chaude sanitaire, qui chauffent efficacement l'eau potable tout au long de l'année. Elles peuvent soit utiliser l'air évacué de la maison (par exemple de la cave ou de la buanderie), soit récupérer la chaleur de l'air extérieur. Pour en savoir plus sur ce type particulier de pompe à chaleur, consultez notre guide sur les pompes à chaleur pour eau chaude sanitaire.
Oui, Viessmann propose des pompes à chaleur qui atteignent des températures de départ élevées (par exemple 70 °C) et peuvent donc également être utilisées dans des bâtiments existants bien isolés équipés de radiateurs conventionnels.
Pour en savoir plus, consultez notre guide sur les pompes à chaleur dans les bâtiments anciens.
La combinaison d'une pompe à chaleur et d'une installation photovoltaïque est idéale. L'électricité solaire produite pendant la journée peut être utilisée directement pour faire fonctionner la pompe à chaleur, ce qui réduit encore les coûts d'exploitation et augmente l'indépendance.
Une pompe à chaleur géothermique utilise la chaleur stockée dans le sol. Pour cela, deux méthodes principales sont utilisées :
- Sondes géothermiques : elles sont forées verticalement jusqu'à 100 mètres de profondeur dans le sol. Elles nécessitent peu d'espace et sont particulièrement efficaces.
- Capteurs géothermiques : ils sont posés horizontalement et à faible profondeur. Leur installation est moins coûteuse, mais ils nécessitent une plus grande surface de jardin.
La méthode la plus appropriée dépend des caractéristiques de votre terrain. Vous trouverez plus de détails dans nos guides sur les capteurs géothermiques et les sondes géothermiques.
Principe de la pompe à chaleur en utilisant l'exemple d'une pompe à chaleur air/eau
La façon la plus simple d'expliquer ce processus est d'utiliser l'exemple d'une pompe à chaleur air/eau : elle peut être constituée d'une ou deux unités. Dans les deux cas, un ventilateur intégré aspire activement l'air ambiant et le dirige vers un échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur est traversé par un fluide frigorigène qui change d'état physique à très basse température. Au contact de l'air ambiant, le fluide frigorigène se réchauffe et se transforme progressivement en vapeur. Un compresseur est utilisé pour augmenter la chaleur résultante jusqu'à la température requise. Cela comprime la vapeur et augmente à la fois la pression et la température de la vapeur du fluide frigorigène.
Dans la pratique, plusieurs compresseurs sont utilisés, notamment des compresseurs à piston ou des compresseurs à spirale, qui sont tous entraînés électriquement. La consommation d'énergie pour la compression dépend de nombreux facteurs. Il s'agit notamment de la demande de chaleur, de la technologie du compresseur et, enfin et surtout, de la différence de température entre la source de chaleur et l'installation de chauffage. En règle générale : plus le différentiel de température entre la source de chaleur et la température de départ est élevé, plus le compresseur doit travailler.
