Pompe à chaleur : le guide pour tout comprendre

Dans un monde où la consommation responsable d'énergie devient une priorité, nombreux sont ceux qui se questionnent sur les meilleures manières de produire de la chaleur et de l’énergie dans leur foyer. Que vous envisagiez un changement d’équipement, une rénovation ou même une nouvelle construction, choisir parmi les diverses options disponibles peut s’avérer complexe. C’est dans ce contexte que les pompes à chaleur (PAC) émergent comme une solution particulièrement pertinente.

Actuellement, la PAC est l’équipement d’énergie renouvelable le plus installé, offrant d'importants avantages tant pour le chauffage que pour la climatisation. Mais comment fonctionnent-elles exactement et comment choisir le modèle le plus adapté à vos besoins ? Ce guide complet est conçu pour vous aider à naviguer parmi les différents types de pompes à chaleur, vous permettant de comprendre leur fonctionnement, leur efficacité mais aussi la manière de les dimensionner, notamment à l'aide de notre calculatrice pour les PAC air-eau.

Une pompe à chaleur (PAC) est un dispositif d'avenir dans le domaine du chauffage domestique. Leur fonctionnement se base sur l'extraction de calories d'une source naturellement froide—air, sol ou eau. Le procédé consiste à élever la température de cette chaleur via un compresseur avant de la restituer amplifiée au sein du domicile. L'efficience de ce système est accentuée lorsque l'écart de température entre la source captée et les points de diffusion interne est minimal.

L'aspect le plus remarquable des pompes à chaleur réside dans leur rendement énergétique. Typiquement, une PAC génère entre quatre et cinq fois plus d'énergie thermique qu'elle n'en consomme en électricité. À titre comparatif, considérons qu'une chaudière à gaz à condensation affiche un rendement moyen de 92%, alors que le rendement d'une pompe à chaleur aérothermique se situe entre 110 et 130%. Les pompes à chaleur géothermiques poussent les limites encore plus loin, atteignant des rendements de 140 à 190% selon l'ADEME. Cette performance exceptionnelle propulse les pompes à chaleur au devant de la scène pour ceux qui aspirent à maximiser leur performance énergétique tout en diminuant leur empreinte écologique. 

Une pompe à chaleur est un dispositif ingénieux qui exploite les principes de la thermodynamie pour transférer de la chaleur d'une source plus froide vers un espace à réchauffer, fonctionnant de manière similaire à un réfrigérateur, mais en sens inverse. Cet équipement capte la chaleur extérieure—qu'elle provienne de l'air, du sol ou de l'eau—et l'élève à une température plus haute avant de la redistribuer à l'intérieur du logement.

Les types de pompes à chaleur sont généralement classifiés selon la source de chaleur et leur mode de distribution dans la maison : air-air, sol-eau, ou air-eau. Le premier terme indique la source d'où la chaleur est extraite, tandis que le second décrit comment cette chaleur est transmise à l'intérieur du logement, que ce soit via des planchers chauffants, des radiateurs basse température, ou des ventilo-convecteurs.

Le cœur de la pompe à chaleur est un circuit fermé dans lequel circule un fluide frigorigène. Ce fluide est crucial car il absorbe la chaleur à l'extérieur et la transporte à l'intérieur. La configuration typique comprend une unité externe, qui capte la chaleur de l'environnement, et une unité interne qui la libère dans votre domicile.

Produire du chauffage et de la climatisation via une pompe à chaleur repose sur la circulation continue d'un fluide frigorigène à travers quatre composants clés : l'évaporateur, le compresseur, le condenseur et le détendeur. Voici comment fonctionne chacun de ces éléments :

• Évaporateur : à cette étape initiale, le fluide frigorigène, encore à l'état liquide et à basse température, entre en contact avec la chaleur de l'air extérieur. L'énergie thermique de l'air ou du sol est transférée au fluide, ce qui augmente progressivement sa température jusqu'à ce qu'il s'évapore et se transforme en vapeur. Ce processus exploite efficacement les calories présentes dans l'environnement extérieur pour initier le cycle de chauffage.

• Compresseur : une fois transformé en vapeur, le fluide frigorigène est aspiré par le compresseur. Ce dernier comprime le gaz à haute pression, augmentant considérablement sa température jusqu'à environ 90°C. Cette compression augmente l'énergie thermique du fluide, le préparant pour la prochaine étape du transfert de chaleur.

• Condenseur : le gaz chaud et comprimé pénètre ensuite dans le condenseur où il libère une partie de sa chaleur accumulée vers le circuit de chauffage de la maison ou le système d'eau chaude sanitaire. En cédant sa chaleur, la température du gaz diminue considérablement, retombant à environ 45°C. Ce transfert de chaleur est crucial pour chauffer l'espace ou l'eau dans votre habitation.

• Détendeur : après avoir traversé le condenseur, le gaz à température réduite passe par le détendeur. Ce dispositif abaisse la pression du fluide frigorigène, ce qui entraîne également une chute de sa température, atteignant jusqu'à -20°C. Ce refroidissement extrême prépare le fluide à réabsorber de la chaleur dans l'évaporateur, complétant ainsi le cycle thermodynamique.

Ce cycle continu, basé sur des transitions de phase entre liquide et gaz, est le moteur de production d'énergie thermique dans les pompes à chaleur.

La plupart des pompes à chaleur, à l'exception des modèles air-air, offrent la fonctionnalité supplémentaire de produire de l'eau chaude sanitaire. Cette capacité est généralement assurée en chauffant l'eau contenue dans un ballon dédié. Cette solution intégrée permet une gestion efficace de la chaleur produite.

Pour ceux qui préfèrent séparer les systèmes de chauffage et de production d'eau chaude sanitaire, une alternative existe : le chauffe-eau thermodynamique. Ce dispositif fonctionne indépendamment des autres mécanismes de chauffage de la maison. Il est équipé de sa propre pompe à chaleur, spécifiquement conçue pour cette fonction, ainsi que d'un ballon de stockage pouvant contenir entre 150 et 300 litres d'eau chaude.

Les chauffe-eaux thermodynamiques peuvent fonctionner selon trois configurations différentes, chacune appropriée à des nécessités et à l'agencement de votre habitation :

1. Sur air ambiant : Le dispositif capte l'air intérieur de votre maison pour en extraire la chaleur.
2. Sur air extérieur : La chaleur est extraite de l'air extérieur, ce qui peut être particulièrement efficace dans les climats tempérés.
3. Sur air extrait : Cette configuration utilise l'air évacué par les systèmes de ventilation de la maison, récupérant ainsi la chaleur qui aurait autrement été perdue.

La chaleur produite par la pompe à chaleur, qu'elle soit sous forme d'eau chaude ou d'air chaud, peut être distribuée et consommée dans votre logement de plusieurs manières, appropriés à vos appareils et à vos préférences en matière de confort thermique.

• Radiateurs à basse température : ces radiateurs sont conçus pour fonctionner efficacement avec une eau chauffée à des températures modérées, généralement entre 30 et 50°C, en fonction de la température extérieure. Ils sont particulièrement adaptés à l'intégration dans des systèmes de chauffage par pompe à chaleur en raison de leur capacité à fonctionner à ces températures plus basses, qui sont plus économiques et énergétiquement efficaces.

• Planchers chauffants basse température : formés de tubes intégrés dans une dalle de béton, les planchers chauffants diffusent une chaleur douce et homogène à travers toute la surface du sol. L'eau chaude ou le fluide frigorigène circule dans ces tubes.. Ce type de distribution de chaleur est idéal pour maintenir une température ambiante constante et confortable dans les pièces, tout en étant invisibles et silencieux.

• Ventilo-convecteurs : ces unités de ventilation, également connues sous le nom d'unités terminales, jouent un rôle clé dans la gestion de la distribution de l'air chaud dans chaque pièce du logement. Les ventilo-convecteurs aspirent l'air froid de la pièce, le chauffent grâce à la chaleur générée par la pompe à chaleur, puis le redistribuent. Ils sont particulièrement utiles dans les configurations où une répartition rapide et dirigée de l'air chaud est nécessaire.

Les pompes à chaleur ne se limitent pas seulement au chauffage, elles peuvent également rafraîchir votre maison durant les mois d'été. Grâce à leur conception réversible, elles fonctionnent en inversant le cycle du fluide frigorigène. En mode refroidissement, l'appareil extrait les calories de l'intérieur de votre domicile pour les évacuer à l'extérieur dans le cas d'une pompe à chaleur aérothermique, ou les transférer dans le sol ou une nappe phréatique si c'est une PAC géothermique.

Ce principe de fonctionnement en fait une solution deux-en-un particulièrement efficace et économique. Cependant, il est important de noter que si certains climatiseurs individuels réversibles peuvent offrir une fonction de chauffage, ils ne sont généralement pas conçus pour répondre aux exigences de chauffage en hiver, car ils ne sont pas dimensionnés pour ces besoins spécifiques. En effet, pour une efficacité optimale en période hivernale, il est conseillé d'opter pour une pompe à chaleur réversible spécifiquement dimensionnée selon les demandes en chauffage de l'habitat.

Un exemple de pompe à chaleur réversible bien ajusté pour les deux fonctions est l'Altherma 3 M Réversible monophasé de Daikin. Ce modèle peut efficacement chauffer et refroidir votre domicile, assurant confort tout au long de l'année.

Les pompes à chaleur se classent principalement en deux catégories : aérothermique et géothermique. Chacune tire parti d'une ressource naturelle, inépuisable, propre et gratuite pour fonctionner. Indépendamment du type, ces systèmes comprennent toujours deux unités : une à l'intérieur de l'habitat pour diffuser la chaleur, et une autre à l'extérieur pour la capter. Mais alors, quelles distinctions peut-on faire entre ces deux types de PAC ?

Selon le guide pratique de l'Agence de la transition écologique (ADEME), "Installer une pompe à chaleur", notre planète regorge de sources de chaleur, que ce soit dans le sous-sol ou dans l'air ambiant, ce dernier étant exploité par le mécanisme de chauffage connu sous le nom d'aérothermie.

Actuellement, les appareils aérothermiques dominent le marché des pompes à chaleur. Leur installation, ne nécessitant pas de travaux invasifs, les rend particulièrement adaptés aux structures plus anciennes, contrairement à ceux utilisant la géothermie qui exigent un forage approfondi du sol.

Les pompes à chaleur aérothermiques puisent leur énergie thermique directement de l'air. En 2019, elles représentaient plus de 99 % des installations de pompes à chaleur dans les résidences privées, selon les Chiffres clés des énergies renouvelables de 2020 publiés par le ministère de la Transition écologique. Dans l'univers des pompes à chaleur aérothermiques, on distingue principalement deux modèles : les air-air et les air-eau.

Ce mécanisme extrait la chaleur de l'air extérieur pour réchauffer celui de votre intérieur. Connecté à des unités intérieures telles que des splits ou des ventilo-convecteurs, ce type de pompe à chaleur assure la distribution de la chaleur dans les pièces de votre maison. Polyvalente, elle offre non seulement un chauffage efficace en hiver, mais fonctionne également en mode inversé l'été, vous procurant ainsi une solution de climatisation intégrée. Sa facilité d'installation en fait un choix favori pour de nombreux foyers. Pour ceux qui recherchent des modèles fiable, le climatiseur réversible Perfera de Daikin, avec une puissance de 2 à 6 kW, et le climatiseur réversible Stylish de la même marque représentent des options fiables et performantes.

Ce dispositif capte également la chaleur de l'air extérieur, mais il est conçu pour chauffer l'eau de votre système de chauffage central ainsi que votre eau sanitaire. L'unité extérieure est reliée soit à un radiateur, soit à un plancher chauffant hydraulique, facilitant la diffusion de la chaleur dans l'eau du circuit de chauffage de votre domicile. Les pompes à chaleur air/eau sont quasiment toutes équipées d'un appoint électrique. Cet appoint est conçu pour répondre aux besoins de chauffage du logement lorsque la pompe à chaleur seule ne suffit pas. Il prend automatiquement le relais dès que la pompe à chaleur ne parvient plus à fournir assez de chaleur, par exemple lors de périodes de froid intense. Ainsi, il garantit un confort thermique continu, même par des températures extérieures très basses. C'est pourquoi il est essentiel de bien choisir la puissance de la pompe à chaleur, afin de ne pas perdre en performance et de minimiser le recours à l'appoint électrique. Parmi les modèles recommandés, la LG Therma V, disponible en différentes puissances, et la gamme Alfea Extensa de chez Atlantic se distinguent par leur efficacité et leur fiabilité.

Les pompes à chaleur géothermiques, également connues sous le nom de pompes à chaleur eau-eau, exploitent la géothermie pour récupérer l'énergie contenue dans le sol ou dans les nappes d'eau souterraines. Le principe est simple, des capteurs enfouis récupèrent les calories terrestres qui, une fois transformées en chaleur, sont acheminées pour réchauffer votre domicile. Il existe néanmoins différentes pompes à chaleur géothermiques :

• PAC sol-eau : l'appareil capte les calories de la chaleur du sol qui est transférée à l'eau qui circule ensuite dans la pompe à chaleur, avant d'être distribuée dans le système de chauffage de la maison. Pour optimiser leur efficacité, il est essentiel de choisir le type de captage adapté aux spécificités de votre terrain et de vos besoins énergétiques. Voici les principaux types de captage utilisés pour les pompes à chaleur sol-eau :
  • Le captage horizontal est très populaire en France, principalement parce qu'il n'exige pas de travaux d'envergure. Les capteurs, installés entre 0,6 mètre et 1,2 mètre de profondeur, couvrent une surface extensive, qui doit être au moins 1,5 fois supérieure à celle de l'espace à chauffer. Cette méthode est idéale pour les terrains vastes où l'aménagement de grands réseaux de tubes est possible sans contraintes majeures.
  • Le captage vertical convient particulièrement aux espaces restreints. Les capteurs sont installés à une profondeur pouvant atteindre 100 mètres, permettant ainsi de capter la chaleur du sol de manière plus stable et moins affectée par les variations saisonnières de température. Bien que cette technique soit extrêmement efficace, elle nécessite des investissements plus importants en raison de la complexité des travaux de forage requis.

• PAC eau-eau : utilisant l'eau d'une nappe phréatique, ce type de pompe capte les calories directement de cette source aquatique et les convertit en chaleur pour le chauffage domestique. Ce dispotif utilise un mécanisme de captage qui permet de profiter de la température constante de l'eau de la nappe, généralement entre 8 et 12°C, pour offrir un coefficient de performance (COP) optimal de 5. Toutefois, avant de procéder à l'achat, il est crucial de réaliser une étude détaillée du terrain et de la qualité de l'eau, ce qui peut engendrer des coûts additionnels. 

L'efficacité d'une pompe à chaleur est intrinsèquement liée à la qualité de l'isolation de la maison. Une isolation optimale réduit la déperdition de chaleur, permettant ainsi à la pompe à chaleur de fonctionner dans des conditions idéales et d'utiliser une pompe à chaleur moins puissante pour réaliser des économies d'énergie. Avant de faire votre choix, assurez-vous que votre maison est bien isolée — murs, toit, fenêtres et sols. Cela peut nécessiter un audit énergétique qui mettra en lumière les points faibles de votre isolation et vous permettra de réaliser les améliorations nécessaires.

Il est également essentiel de définir vos attentes en matière de fonctionnalités avant de faire votre choix. Certaines pompes à chaleur offrent non seulement le chauffage, mais peuvent aussi produire de l'eau chaude et climatiser. Les modèles combinant chauffage et production d'eau chaude sont souvent équipés d'un ballon de 180 à 200 litres, ce qui est généralement suffisant pour une famille de 4 à 5 personnes. Si vous n'avez pas besoin d'une telle quantité d'eau chaude, il pourrait être plus judicieux de séparer les fonctions de chauffage et de production d'eau chaude pour éviter de chauffer de l'eau inutilement. Si le besoin de climatisation se limite à quelques jours par an, privilégiez une pompe très performante pour le chauffage plutôt qu'une pompe à chaleur air/air.

Si votre logement est déjà équipé d'un dispositif de chauffage central (gaz ou fioul), vous pourriez envisager la mise en place d'une pompe à chaleur géothermique ou air/eau. Ces systèmes peuvent généralement se connecter au réseau de distribution d'eau chaude existant. Il est toutefois nécessaire de vérifier que la puissance de la pompe est compatible avec celle de vos radiateurs et que ces derniers sont bien dimensionnés. Si vos radiateurs sont suffisamment grands, ils pourront efficacement diffuser la chaleur produite par la pompe à basse température.

La performance d'une pompe à chaleur peut considérablement varier selon divers facteurs externes tels que les conditions météorologiques, mais aussi selon la manière dont elle est utilisée au sein du domicile. Le coefficient de performance, communément appelé COP, est un indicateur clé de l'efficacité d'une PAC.

Pour vous donner une idée, le coefficient de performance des pompes à chaleur oscille généralement entre 2 et 7. Ce chiffre illustre la capacité de la pompe à chaleur à produire plusieurs fois plus d'énergie thermique qu'elle n'en consomme en énergie électrique. Par exemple, un COP de 5 signifie que pour chaque unité d'électricité utilisée, la pompe à chaleur génère cinq unités de chaleur. Pour mieux comprendre le COP mais également le EER, consultez notre article pour tout savoir sur ces deux termes.

En termes d'efficacité énergétique, il est important de noter que tous les appareils ne sont pas équivalents. Les pompes à chaleur doivent porter une étiquette énergétique qui facilite la comparaison de leur efficacité. Il est conseillé de choisir des équipements classés parmi les meilleurs de leur catégorie. Choisir une pompe à chaleur c'est non seulement un rendement énergétique élevé, mais également moins d'énergie pour produire la même quantité de chaleur par rapport aux systèmes de chauffage traditionnels, tels que les chaudières à gaz ou électriques.

Pour fonctionner de manière optimale et offrir un confort de chauffe ainsi que des économies d'énergie significatives, il est essentiel que votre pompe à chaleur soit parfaitement ajustée à votre logement et à vos exigences en matière de chauffage. Choisir la bonne dimension pour une pompe à chaleur est essentiel pour en maximiser l'efficacité.

Si vous envisagez l'installation d'une pompe à chaleur air-eau mais que vous hésitez sur la dimension appropriée, nous vous proposons une solution simple et efficace : notre calculatrice de dimensionnement. Cet outil est conçu pour vous aider à déterminer la capacité requise de votre pompe à chaleur en fonction des caractéristiques de votre domicile et de vos exigences en chauffage.

La mise en place d'une pompe à chaleur est une démarche qui nécessite une préparation minutieuse pour s'assurer que la configuration fonctionne efficacement et dure longtemps. Avant de procéder à l'implantation, il est crucial de vérifier que votre domicile est bien adapté à ce type d'appareil. Cela comprend l'évaluation de votre système de chauffage actuel pour s'assurer qu'il peut intégrer et supporter efficacement une pompe à chaleur. Il est également important de prendre en compte l'isolation de la maison, car une bonne isolation améliore significativement l'efficacité de la pompe à chaleur.

En ce qui concerne l'unité intérieure de la pompe, sa mise en place peut varier selon sa taille. Les modèles plus compacts peuvent être installés sur les murs, à la manière d'un meuble de cuisine, tandis que les unités plus grandes, qui incluent souvent un ballon d'eau chaude sanitaire, requièrent beaucoup plus d'espace. Une cave ou une buanderie serait idéale pour installer ces grandes unités, car ces espaces offrent généralement suffisamment de place et des conditions adéquates.

L'unité extérieure, quant à elle, doit être placée dans un endroit bien ventilé pour assurer une efficacité maximale. Il est essentiel de choisir un emplacement qui minimise l'exposition aux voisins et les nuisances sonores, surtout à proximité des chambres à coucher. Une bonne ventilation est cruciale pour que l'unité extérieure puisse fonctionner correctement et sans surchauffe.

L'accessibilité est également un facteur important lors de l'installation. Positionner les unités de manière à ce qu'elles soient facilement accessibles permettra de faciliter les opérations de maintenance et d'entretien, qui sont nécessaires pour assurer le bon fonctionnement de la pompe à chaleur sur le long terme. L'entretien régulier par un professionnel est obligatoire, mais certaines tâches de maintenance préventive peuvent aussi être effectuées par vous-même.

• Nettoyage de l'unité extérieure : Il est important de maintenir la borne extérieure propre et dégagée. La régularité de ce nettoyage (branches, feuilles, poussière) prévient les obstructions qui peuvent affecter la circulation de l'air et, par conséquent, réduire l'efficacité de votre appareil.

• Entretien des bouches d'insufflation intérieures : La qualité de l'air intérieur de votre habitation dépend en grande partie de la propreté des bouches d'insufflation de votre pompe à chaleur. Dépoussiérer et nettoyer ces éléments permet de prévenir l'accumulation de particules nuisibles et assure une diffusion de l'air plus saine.

• Surveillance de la pression du module hydraulique

Il est essentiel de vérifier régulièrement que la pression au sein du module hydraulique de votre pompe à chaleur reste dans les normes, idéalement entre 1 et 1,5 bar. Une diminution persistante de la pression peut indiquer un dysfonctionnement sous-jacent sérieux. Si vous constatez des fluctuations inhabituelles ou une baisse continue de la pression, il est recommandé de consulter un professionnel.

• Remplissage et contrôle du fluide caloporteur

Vérifiez le remplissage du fluide caloporteur permet d’éviter les manque et donc un dysfonctionnement. Lors du remplissage de votre système, assurez-vous que la composition du fluide caloporteur correspond exactement aux spécifications recommandées par le fabricant. Utiliser le fluide adéquat est essentiel pour le bon fonctionnement de votre pompe à chaleur, car un fluide inapproprié peut entraîner une efficacité réduite et des risques accrus d'usure prématurée des composants.

• Remplacement du fluide caloporteur

Le changement du fluide caloporteur est une opération à ne pas négliger et doit être effectué tous les 5 ans. 

Entretenir régulièrement sa pompe à chaleur est essentiel pour plusieurs raisons qui contribuent à l'efficacité, la durabilité et la sécurité du système. Voici pourquoi il est crucial de ne pas négliger cet aspect :

• Maximiser l'efficacité énergétique : Des composants tels que les filtres, les serpentins et les ventilateurs peuvent s'encrasser ou se détériorer avec le temps, réduisant ainsi la capacité du dispositif à transférer la chaleur efficacement. Un nettoyage et une vérification réguliers peuvent maintenir ou même améliorer son coefficient de performance (COP), ce qui se traduit par une diminution de la consommation énergétique et des économies sur les factures d'électricité.

• Prolonger la durée de vie : Comme pour tout équipement mécanique, éviter les pannes requiert une attention constante des différentes pièces. L'entretien préventif peut identifier et résoudre les petits problèmes avant qu'ils ne deviennent de grosses réparations coûteuses. En maintenant votre pompe à chaleur en bon état, vous prolongez sa durée de vie, et permet ainsi de réaliser des économies.

• Prévenir les pannes : Personne ne souhaite que son dispositif de chauffage tombe en panne en plein hiver. L'entretien régulier aide à prévenir les situations où la pompe à chaleur pourrait cesser de fonctionner de manière inattendue.