Comment fonctionne une pompe à chaleur ? Schéma et fonctionnement expliqués simplement

Imagine : il fait 0 °C dehors. L’air est froid, le sol est humide et pourtant, une pompe à chaleur arrive à chauffer toute une maison.

Mais comment est-ce possible ?

Comment peut-on récupérer de la chaleur dans un air qui semble déjà glacé ?

Et surtout, comment cette chaleur peut-elle ensuite alimenter un radiateur, un plancher chauffant ou même produire de l’eau chaude sanitaire ?

Pour comprendre le fonctionnement d’une pompe à chaleur, il faut découvrir un principe essentiel : une pompe à chaleur ne crée pas toute la chaleur qu’elle fournit. Elle récupère une partie de cette énergie dans l’environnement et la transfère vers le bâtiment grâce à l’électricité.

Ce transfert repose principalement sur quatre composants :

• L’évaporateur ;
• Le compresseur ;
• Le condenseur ;
• Le détendeur.

Ces quatre éléments constituent le cœur du cycle frigorifique.

Dans cet article, nous allons suivre le trajet de la chaleur, depuis l’air extérieur, le sol ou l’eau souterraine jusqu’aux circuits de chauffage du bâtiment.

Tu comprendras également comment fonctionne la régulation d’une pompe à chaleur et pourquoi certains paramètres influencent directement sa consommation d’électricité.

Si vous préférez la vidéo, j’en parle aussi sur YouTube :

1. Qu’est-ce qu’une pompe à chaleur ?

Une pompe à chaleur, souvent appelée PAC, est un équipement thermodynamique capable de transférer de l’énergie thermique depuis un milieu à basse température vers un autre milieu à température plus élevée.

Autrement dit, elle récupère de la chaleur disponible dans l’environnement pour chauffer un bâtiment.

Cette chaleur peut provenir :

• de l’air extérieur ;
• du sol ;
• des eaux souterraines.

L’énergie récupérée est ensuite transférée, selon la technologie, à l’eau du chauffage ou directement à l’air intérieur.

Contrairement à une chaudière qui produit de la chaleur principalement par combustion, une PAC utilise de l’électricité pour faire fonctionner son circuit frigorifique et déplacer de la chaleur.

Pourquoi une pompe à chaleur peut-elle fonctionner à 0 °C ?

C’est certainement l’une des questions les plus intéressantes.

À 0 °C, l’air nous paraît très froid.

Pourtant, il contient encore de l’énergie thermique.

Pour récupérer une partie de cette énergie, la pompe à chaleur utilise un fluide frigorigène dont la température d’évaporation peut être inférieure à celle de l’air extérieur.

Prenons un exemple simplifié.

Supposons que :

• la température extérieure soit de 0 °C ;
• le fluide frigorigène s’évapore à une température inférieure à 0 °C.

L’air extérieur reste alors plus chaud que le fluide frigorigène.

La chaleur peut donc naturellement se transmettre de l’air vers le fluide.

Le compresseur intervient ensuite pour augmenter la pression et la température de cette vapeur, afin de pouvoir chauffer le bâtiment.

C’est cette différence de température qui permet à la pompe à chaleur de récupérer de la chaleur même lorsqu’il fait froid.

Il faut toutefois comprendre que les performances diminuent généralement lorsque la température de la source devient plus basse et que la température demandée au chauffage reste élevée.

2. Les différents types de pompes à chaleur

Il existe plusieurs types de pompes à chaleur.

Leur différence principale concerne l’endroit où elles récupèrent la chaleur et le milieu auquel elles la transmettent.

On retrouve notamment quatre grandes catégories.

2.1. La pompe à chaleur air-air

La pompe à chaleur air-air récupère de la chaleur dans l’air extérieur.

Elle utilise ensuite cette chaleur pour réchauffer directement l’air à l’intérieur du bâtiment.

On retrouve ce principe dans de nombreux systèmes de climatisation réversible.

En mode chauffage, l’unité intérieure diffuse de l’air chaud dans la pièce.

2.2. La pompe à chaleur air-eau

La pompe à chaleur air-eau utilise également l’air extérieur comme source d’énergie.

Mais contrairement à la PAC air-air, elle transmet la chaleur récupérée à l’eau du circuit de chauffage.

Cette eau peut ensuite alimenter :

• des radiateurs ;
• un plancher chauffant ;
• des ventilo-convecteurs ;
• d’autres émetteurs hydrauliques.

Certaines installations permettent également de produire de l’eau chaude sanitaire.

2.3. La pompe à chaleur sol-eau

Une pompe à chaleur sol-eau récupère de l’énergie dans le terrain.

Dans une installation à captage indirect, des tuyaux enterrés permettent de faire circuler un mélange d’eau et de glycol.

Ce fluide absorbe de la chaleur dans le sol avant de la transmettre à la pompe à chaleur.

Le captage peut être réalisé avec :

• des capteurs horizontaux enterrés ;
• des sondes géothermiques verticales.

2.4. La pompe à chaleur eau-eau

La pompe à chaleur eau-eau récupère de l’énergie dans une source d’eau.

Il peut s’agir, par exemple, d’une nappe souterraine.

Une pompe fait remonter l’eau depuis un puits de captage.

Cette eau traverse un échangeur afin de céder une partie de sa chaleur.

Elle est ensuite généralement restituée à la nappe par un autre ouvrage.

Ce type d’installation nécessite une étude spécifique concernant les débits, la qualité de l’eau, les caractéristiques du sous-sol et les autorisations nécessaires.

À retenir : dans les quatre cas, l’objectif reste le même : récupérer de l’énergie thermique dans l’environnement et la transférer à une température utile pour le bâtiment.

3. Les trois circuits à comprendre dans une installation de pompe à chaleur

Avant d’étudier les quatre composants principaux, il faut comprendre une distinction importante.

Dans une installation hydraulique utilisant une pompe à chaleur avec un circuit de captage intermédiaire, on peut identifier trois circuits distincts.

3.1. Le circuit source

Le premier circuit permet de récupérer l’énergie thermique disponible dans l’environnement.

Dans une installation géothermique à eau glycolée, il comprend généralement :

• les capteurs enterrés ;
• les canalisations ;
• un circulateur ;
• l’échangeur côté source de la pompe à chaleur.

Son rôle consiste à transporter la chaleur du sol vers l’évaporateur.

Sur une PAC air-eau, le captage est différent : l’air extérieur traverse directement l’échangeur grâce à un ventilateur. Il n’existe donc pas nécessairement de boucle hydraulique côté source.

3.2. Le circuit frigorifique

Le deuxième circuit constitue le cœur de la pompe à chaleur.

Un fluide frigorigène y circule en boucle fermée.

Il traverse successivement :

Évaporateur → Compresseur → Condenseur → Détendeur → Évaporateur

Pendant son parcours, il subit des variations de :

• pression ;
• température ;
• état physique.

Il passe notamment de l’état liquide à l’état gazeux, puis redevient liquide.

Ce sont ces transformations qui permettent le transfert de chaleur.

3.3. Le circuit de chauffage

Le troisième circuit transporte la chaleur vers les émetteurs du bâtiment.

Dans une PAC air-eau ou sol-eau, l’eau réchauffée dans le condenseur circule vers les radiateurs ou le plancher chauffant.

Après avoir transmis sa chaleur aux pièces, elle revient à une température plus basse.

Le cycle recommence.

Point essentiel : le fluide frigorigène et l’eau du chauffage circulent dans des circuits séparés. Ils échangent de la chaleur à travers une paroi, sans se mélanger.

Cette représentation en trois circuits s’applique particulièrement aux installations hydrauliques avec une boucle de captage. Une PAC air-air possède une organisation différente côté distribution.

4. Comment fonctionne une pompe à chaleur ? Les quatre étapes du cycle frigorifique

Nous arrivons maintenant à la partie la plus importante.

Pour comprendre le fonctionnement interne d’une PAC, il suffit de suivre le trajet du fluide frigorigène dans ses quatre composants principaux.

Voici le principe :

1. Évaporateur : récupérer la chaleur.

2. Compresseur : augmenter la pression et la température.

3. Condenseur : transmettre la chaleur au bâtiment.

4. Détendeur : abaisser la pression et recommencer le cycle.

Voyons chaque étape en détail.

Étape 1 : l’évaporateur récupère la chaleur

L’évaporateur est un échangeur thermique.

Son rôle consiste à permettre au fluide frigorigène de récupérer la chaleur provenant de l’environnement.

Prenons l’exemple d’une pompe à chaleur géothermique.

Supposons que l’eau glycolée arrive des capteurs enterrés avec une température de :

10 °C.

Dans l’évaporateur, le fluide frigorigène s’évapore à environ :

0 °C.

L’eau glycolée étant plus chaude que le fluide frigorigène, elle lui transmet une partie de son énergie.

Après cet échange, l’eau glycolée peut ressortir à :

7 °C.

Elle retourne ensuite dans les capteurs enterrés pour récupérer de nouveau de la chaleur.

Du côté frigorifique, le fluide arrive du détendeur à basse pression, sous forme d’un mélange de liquide et de vapeur.

En absorbant la chaleur de l’eau glycolée, sa partie liquide s’évapore.

Il se transforme progressivement en vapeur.

Dans notre exemple, cette vapeur peut ensuite se réchauffer jusqu’à environ :

5 °C à la sortie de l’évaporateur.

Cette augmentation supplémentaire de température, après évaporation complète, correspond à la surchauffe.

Elle contribue à éviter que du liquide atteigne le compresseur.

Tu comprends maintenant qu’une eau à 10 °C peut parfaitement fournir de la chaleur à un fluide qui s’évapore à 0 °C.

Mais une vapeur à 5 °C n’est pas encore assez chaude pour chauffer une eau de chauffage demandée à 35 °C.

C’est précisément là qu’intervient le deuxième composant.

Étape 2 : le compresseur augmente la pression et la température

Le compresseur est l’un des éléments essentiels de la pompe à chaleur.

Il est entraîné par un moteur électrique.

Son rôle consiste à aspirer la vapeur provenant de l’évaporateur et à augmenter sa pression.

Dans notre exemple :

Entrée du compresseur : vapeur à 5 °C, basse pression.

Le compresseur aspire cette vapeur, puis la comprime.

Pendant la compression :

• la pression augmente ;
• la température augmente ;
• le fluide reste à l’état gazeux.

À la sortie, nous pouvons obtenir une vapeur chaude à environ :

60 °C, haute pression.

Cette température est maintenant suffisante pour transmettre de la chaleur à une eau de chauffage demandée à 35 °C.

Mais attention : le compresseur ne crée pas à lui seul toute la chaleur fournie au bâtiment.

La chaleur disponible au condenseur provient principalement de deux apports :

la chaleur récupérée dans l’environnement + l’énergie électrique utilisée par le système.

C’est précisément cette combinaison qui rend la pompe à chaleur intéressante sur le plan énergétique.

Étape 3 : le condenseur chauffe l’eau du bâtiment

Après avoir quitté le compresseur, le fluide frigorigène se trouve sous forme de vapeur chaude à haute pression.

Il arrive dans un deuxième échangeur.

Cet échangeur est appelé condenseur.

Son rôle consiste à transmettre la chaleur du fluide frigorigène à l’eau du chauffage.

Prenons un exemple simple.

Supposons que l’eau provenant du plancher chauffant revienne à :

30 °C.

Elle traverse le condenseur.

Pendant ce temps, la vapeur chaude du circuit frigorifique transmet une partie de son énergie à cette eau.

À la sortie du condenseur, l’eau peut atteindre :

35 °C.

Elle peut alors être distribuée vers les émetteurs.

Du côté frigorifique, le fluide se refroidit.

Puis il se condense progressivement.

Cela signifie qu’il passe de l’état gazeux à l’état liquide.

Dans cet exemple simplifié, la température de condensation peut être d’environ 40 °C.

Elle est donc supérieure à la température de départ de l’eau de chauffage, qui est de 35 °C.

Cette différence de température permet le transfert thermique.

Il faut retenir une distinction :

L’eau de chauffage circule dans un circuit.

Le fluide frigorigène circule dans un autre.

Les deux fluides échangent de la chaleur à travers les parois de l’échangeur, mais ils ne se mélangent pas.

Étape 4 : le détendeur abaisse la pression

Nous arrivons maintenant au quatrième composant.

Après le condenseur, le fluide frigorigène se trouve principalement à l’état liquide.

Il est encore à haute pression.

Mais pour récupérer de nouveau de la chaleur dans l’évaporateur, il doit retrouver un niveau de pression beaucoup plus faible.

C’est le rôle du détendeur.

Le liquide traverse une ouverture qui provoque une chute de pression.

Pendant cette détente :

• la pression diminue ;
• une partie du liquide se vaporise ;
• la température du mélange diminue.

Dans notre exemple, le fluide peut atteindre environ :

0 °C après le détendeur.

Il se présente alors sous forme d’un mélange de liquide et de vapeur à basse pression.

Il peut retourner dans l’évaporateur pour récupérer de nouveau de la chaleur.

Le cycle frigorifique est maintenant complet.

La pompe à chaleur peut répéter ces quatre étapes aussi longtemps que le chauffage en a besoin.

5. Exemple concret : les températures dans une pompe à chaleur

Pour mieux visualiser le fonctionnement, reprenons toutes les températures de notre exemple géothermique.

Ces températures sont des valeurs pédagogiques indicatives, pas des consignes universelles.

Elles dépendent notamment du fluide frigorigène, de la technologie de la pompe à chaleur, de la température de la source et du régime de chauffage demandé.

Le message essentiel est le suivant :

La PAC utilise les différences de température, les changements d’état du fluide et la compression pour transférer de la chaleur.

6. Comment une pompe à chaleur récupère-t-elle la chaleur de l'air extérieur ?

Revenons maintenant au cas d’une pompe à chaleur air-eau.

Ce type d’installation possède généralement une unité extérieure équipée d’un ventilateur et d’un échangeur.

Lorsque la pompe à chaleur fonctionne en mode chauffage, le ventilateur fait circuler l’air extérieur à travers cet échangeur.

Le fluide frigorigène circule dans des conduites à l’intérieur de l’échangeur.

Comme sa température d’évaporation est inférieure à celle de l’air, il peut absorber de la chaleur.

Prenons un exemple.

Il fait 5 °C dehors.

Le fluide frigorigène s’évapore à une température inférieure.

L’air cède donc une partie de sa chaleur au fluide frigorigène.

Le compresseur élève ensuite sa pression et sa température.

Enfin, le condenseur transmet cette énergie à l’eau du chauffage.

Que se passe-t-il lorsqu'il fait très froid ?

Lorsque la température extérieure diminue fortement, la PAC dispose d’une source plus froide.

Pour fournir une même quantité de chaleur, elle doit généralement travailler avec un écart de température plus important.

Cela peut entraîner une diminution de son coefficient de performance.

Mais cela ne signifie pas qu’une pompe à chaleur cesse automatiquement de fonctionner dès qu’il gèle.

Certaines machines sont conçues pour fonctionner à des températures extérieures nettement négatives.

Le fonctionnement réel dépend notamment de la technologie, du modèle et de ses limites de fonctionnement.

7. Comment fonctionne une pompe à chaleur géothermique ?

La pompe à chaleur géothermique utilise le sol comme source de chaleur.

Dans une installation à capteurs horizontaux, des tuyaux sont enterrés dans le terrain.

Un mélange d’eau et de glycol circule à l’intérieur de ces tuyaux.

Le glycol permet notamment de protéger le circuit contre le gel.

Lorsque le fluide circule dans le terrain, il récupère de l’énergie thermique.

Il revient ensuite vers la pompe à chaleur.

Dans l’évaporateur, il transmet une partie de cette énergie au fluide frigorigène.

Après cet échange, il retourne vers les capteurs pour se réchauffer à nouveau.

Capteurs horizontaux ou sondes verticales ?

Deux configurations sont courantes.

Les capteurs horizontaux sont installés à relativement faible profondeur sur une surface de terrain adaptée.

Les sondes verticales sont installées dans des forages et permettent de récupérer l’énergie du sol à une profondeur plus importante.

Le choix dépend notamment du terrain disponible, des caractéristiques géologiques, de la puissance nécessaire et des contraintes réglementaires.

8. Comment fonctionne une pompe à chaleur eau-eau ?

Dans une installation eau-eau utilisant une nappe souterraine, l’énergie est récupérée dans l’eau.

Le système comprend généralement :

• un puits de captage ;
• une pompe de prélèvement ;
• un échangeur ;
• un dispositif de restitution de l’eau.

La pompe de captage prélève l’eau dans la nappe.

Cette eau fournit de l’énergie thermique à la pompe à chaleur.

Elle repart ensuite plus froide vers le puits de restitution.

La pompe à chaleur transmet, grâce au circuit frigorifique, la chaleur récupérée vers le chauffage du bâtiment.

Attention : contrairement au circuit fermé d’eau glycolée d’une installation géothermique, un système de captage et de restitution sur nappe utilise généralement une circulation d’eau prélevée puis restituée.

La qualité de l’eau, les risques d’encrassement et les conditions de pompage doivent être étudiés avant la réalisation.

9. Comment la chaleur arrive-t-elle jusqu'aux radiateurs et au plancher chauffant ?

Une fois l’eau chauffée dans le condenseur, il faut transporter cette chaleur jusqu’aux pièces.

C’est le rôle du circuit hydraulique de chauffage.

Prenons l’exemple d’une installation comprenant :

une pompe à chaleur air-eau, un ballon tampon, un circuit radiateur et un circuit de plancher chauffant.

La pompe à chaleur chauffe l’eau.

Cette eau est ensuite dirigée vers le réseau hydraulique.

Dans notre exemple, elle traverse un ballon tampon avant d’alimenter deux circuits de distribution.

Le rôle du ballon tampon

Le ballon tampon permet d’ajouter un volume d’eau au système.

Selon le montage, il peut contribuer à :

• limiter les démarrages trop fréquents de la pompe à chaleur ;
• maintenir un volume d’eau disponible ;
• faciliter certaines conditions hydrauliques ;
• assurer une réserve d’énergie pour certaines séquences, notamment le dégivrage.

Mais il est important de préciser que toutes les installations de pompe à chaleur n’ont pas besoin d’un ballon tampon.

Son utilité dépend du dimensionnement, des exigences du fabricant, du volume d’eau disponible et du schéma hydraulique retenu.

Le circuit radiateur

Les radiateurs transmettent la chaleur de l’eau à l’air intérieur et aux surfaces de la pièce.

Selon leur dimensionnement, ils peuvent fonctionner avec des températures d’eau relativement basses ou nécessiter une température plus élevée.

Des radiateurs correctement dimensionnés pour fonctionner à basse température sont particulièrement intéressants avec une pompe à chaleur.

Le circuit de plancher chauffant

Le plancher chauffant utilise une grande surface pour transmettre la chaleur aux pièces.

Il peut donc généralement fonctionner avec une eau moins chaude que certains circuits de radiateurs.

Par exemple, un plancher chauffant peut fonctionner avec une température de départ autour de 35 °C, selon les besoins thermiques et sa conception.

Cette faible température favorise l’efficacité de la PAC.

Le rôle des circulateurs

Les circulateurs assurent le déplacement de l’eau dans les circuits hydrauliques.

Sur une installation comportant plusieurs circuits de chauffage, chaque circuit peut disposer de son propre circulateur.

Le choix dépend du schéma hydraulique et des exigences de débit.

Le rôle des vannes trois voies

Dans certaines installations, une vanne trois voies de mélange permet d’ajuster la température de départ d’un circuit.

Elle mélange une partie de l’eau chaude provenant de la production avec l’eau plus froide du retour.

Cela permet notamment de fournir au plancher chauffant une température adaptée, même lorsque la production alimente également un circuit demandant une température plus élevée.

10. Comment fonctionne le dégivrage d'une pompe à chaleur en hiver ?

Lorsque l’air extérieur est froid et humide, du givre peut se former sur l’échangeur extérieur d’une pompe à chaleur air-eau.

Ce phénomène est normal dans certaines conditions.

En mode chauffage, la surface de l’évaporateur est plus froide que l’air extérieur.

Lorsque cette surface descend sous 0 °C, l’humidité peut se transformer en givre.

En s’accumulant, le givre gêne le passage de l’air et diminue les échanges thermiques.

La pompe à chaleur doit donc procéder à un dégivrage.

Comment se déroule le dégivrage ?

Sur de nombreuses PAC air-eau, le dégivrage se déroule en trois grandes étapes.

Première étape : apparition du givre.

L’échangeur extérieur se couvre progressivement de givre.

Deuxième étape : dégivrage.

La machine inverse temporairement son cycle frigorifique afin de réchauffer l’échangeur extérieur.

Dans ce cas, elle peut prélever temporairement de la chaleur dans le circuit de chauffage.

Troisième étape : reprise du chauffage.

Lorsque le givre a fondu, la machine reprend son fonctionnement normal.

La régulation doit gérer cette séquence en tenant compte des besoins de chauffage, des températures et des sécurités de fonctionnement.

11. Une pompe à chaleur peut-elle chauffer et refroidir ?

Oui, certaines pompes à chaleur sont réversibles.

Elles peuvent fonctionner en mode chauffage et en mode rafraîchissement.

En hiver : mode chauffage

La pompe à chaleur récupère de l’énergie dans l’environnement et la transmet au bâtiment.

La chaleur circule donc globalement de la source extérieure vers les pièces chauffées.

En été : mode rafraîchissement

La pompe à chaleur récupère de la chaleur à l’intérieur du bâtiment et la rejette vers l’extérieur.

Dans une machine réversible, les échangeurs peuvent ainsi échanger leurs fonctions grâce à l’inversion du cycle frigorifique.

Attention à la condensation

Dans une installation avec plancher rafraîchissant, il faut éviter que la surface du sol atteigne une température inférieure au point de rosée de l’air intérieur.

Sinon, de la condensation pourrait apparaître.

La régulation doit donc intégrer les limitations nécessaires.

Selon le projet, elle peut utiliser :

• une sonde de température ;
• une mesure d’humidité ;
• un calcul du point de rosée ;
• des dispositifs de surveillance de condensation.

Un plancher chauffant n’est pas automatiquement adapté au rafraîchissement : la conception de l’installation doit le prévoir.

12. Quelle est la consommation électrique d'une pompe à chaleur ?

Une pompe à chaleur consomme de l’électricité.

Mais son intérêt est qu’elle récupère aussi de l’énergie dans l’environnement.

Pour évaluer sa performance, on utilise notamment le coefficient de performance, appelé COP.

Qu'est-ce que le COP ?

Le COP représente le rapport entre la chaleur fournie et l’électricité consommée dans les conditions de mesure considérées.

On peut l’exprimer simplement :

COP = énergie thermique fournie ÷ énergie électrique consommée

Prenons un exemple.

Supposons qu’une PAC fournisse :

3 kWh de chaleur

pour une consommation de :

1 kWh d’électricité.

Son COP est alors égal à : 3.

Cela signifie que pour chaque kilowattheure d’électricité consommé, la machine fournit trois kilowattheures de chaleur.

Ce n’est pas une création d’énergie.

La différence provient de l’énergie thermique récupérée dans l’environnement.

Le COP reste-t-il constant ?

Non.

Il varie en fonction des conditions de fonctionnement.

Par exemple :

• la température extérieure ;
• la température de départ du chauffage ;
• le régime de fonctionnement ;
• le dégivrage ;
• les réglages de l’installation.

Plus la température d’eau demandée est élevée, plus la PAC doit généralement travailler avec un écart de température important.

Cela diminue habituellement son efficacité.

Quelle différence entre COP et SCOP ?

Le COP décrit une performance dans des conditions de mesure déterminées.

Le SCOP, ou coefficient de performance saisonnier, représente une performance calculée sur l’ensemble d’une saison de chauffage selon des conditions normalisées.

Il est donc utile pour comparer les performances saisonnières déclarées des équipements.

La performance réelle d’une installation dépend aussi de sa conception, de la régulation, de ses auxiliaires et de ses conditions d’utilisation.

13. Comment fonctionne la régulation d'une pompe à chaleur ?

Nous arrivons maintenant à un sujet particulièrement important en automatisme du bâtiment.

Une pompe à chaleur ne se contente pas de produire de la chaleur.

Elle doit également adapter sa production aux besoins du bâtiment.

C’est le rôle de la régulation.

La plupart des pompes à chaleur modernes disposent d’une régulation intégrée.

Selon les projets, cette régulation peut également échanger des informations avec un automate de bâtiment ou une supervision GTB.

Les principales informations utilisées

La régulation peut notamment récupérer :

• la température extérieure ;
• la température de départ du chauffage ;
• la température de retour ;
• la température du ballon tampon ;
• la température d’eau chaude sanitaire ;
• les demandes de chauffage ;
• les états de fonctionnement ;
• les défauts techniques.

Elle utilise ces informations pour déterminer les actions à réaliser.

La régulation de la température de départ

Prenons un bâtiment équipé de radiateurs.

La régulation doit maintenir une température d’eau suffisante pour chauffer les pièces.

Mais cette température ne doit pas être inutilement élevée.

C’est pourquoi de nombreuses installations utilisent une loi d’eau.

Son principe consiste à adapter la température de départ du chauffage selon la température extérieure.

Par exemple, avec une courbe de chauffe donnée :

• température extérieure de 10 °C : départ chauffage de 35 °C ;
• température extérieure de -5 °C : départ chauffage de 45 °C.

Ces valeurs sont des exemples et dépendent du bâtiment.

Plus il fait froid dehors, plus la température d’eau nécessaire peut augmenter.

La régulation doit rechercher la température la plus basse permettant de satisfaire les besoins de chauffage.

Cette logique contribue à améliorer les performances énergétiques.

La commande du compresseur

Selon la technologie de la pompe à chaleur, la régulation peut commander le fonctionnement du compresseur par démarrages et arrêts ou par modulation de sa vitesse.

Sur une PAC à vitesse variable, la puissance frigorifique peut être adaptée à la demande dans les limites prévues par le fabricant.

Cela permet de mieux ajuster la puissance fournie au besoin instantané du bâtiment.

La commande des circulateurs

La régulation peut commander différents circulateurs.

Par exemple :

• circulateur du circuit pompe à chaleur ;
• circulateur du circuit radiateur ;
• circulateur du plancher chauffant ;
• circulateur du circuit géothermique.

Le fonctionnement des pompes dépend du schéma hydraulique, des demandes de chauffage et des séquences de sécurité.

La régulation des vannes trois voies

Lorsqu’une installation possède plusieurs circuits à températures différentes, une vanne de mélange peut être pilotée par la régulation.

Prenons un circuit de plancher chauffant.

La sonde de départ mesure : 30 °C.

La consigne est : 35 °C.

La régulation peut commander une ouverture plus importante de la voie chaude de la vanne pour augmenter la température de départ.

Lorsque la température atteint sa consigne, elle ajuste la position de la vanne.

L’objectif est de maintenir une température adaptée au circuit.

La surveillance des sécurités

La régulation doit également surveiller les conditions nécessaires au fonctionnement de la machine.

Selon l’équipement, on retrouve notamment :

• contrôle des températures ;
• surveillance des pressions frigorifiques ;
• surveillance du débit d’eau ;
• protection contre le gel ;
• défaut du compresseur ;
• défaut des sondes ;
• sécurité haute température.

En présence d’un défaut important, la machine peut réduire sa puissance, arrêter une fonction ou déclencher une alarme.

Ces sécurités sont assurées par les dispositifs et régulations prévus par le fabricant et ne doivent pas être contournées par la GTB.

14. Comment intégrer une pompe à chaleur dans une GTB ?

Dans les bâtiments tertiaires, la pompe à chaleur peut être intégrée à une gestion technique du bâtiment.

L’objectif est de superviser son fonctionnement et de faciliter l’exploitation.

Selon les équipements et les interfaces disponibles, les échanges peuvent notamment utiliser :

• des contacts électriques ;
• des signaux analogiques ;
• BACnet ;
• Modbus ;
• des passerelles de communication adaptées.

Quelles informations peut-on remonter ?

Une GTB peut notamment afficher :

Les points réellement disponibles dépendent de la PAC et de son interface de communication.

Exemple de fonctionnement avec la GTB

Imaginons un bâtiment équipé de plusieurs circuits de chauffage.

La GTB peut centraliser les températures, les consommations, les historiques et les alarmes.

Elle peut également transmettre certaines consignes ou demandes de fonctionnement si l’interface de la machine le permet.

Mais il faut distinguer deux niveaux.

La régulation intégrée de la PAC assure le fonctionnement interne de la machine et ses sécurités.

La GTB supervise les informations et peut coordonner les demandes énergétiques à l’échelle du bâtiment.

Cette distinction est essentielle dans la conception d’une installation d’automatisme du bâtiment.

15. Pourquoi une pompe à chaleur fonctionne-t-elle mieux avec une eau moins chaude ?

C’est l’un des principes les plus importants à retenir.

Une pompe à chaleur doit élever la température du fluide frigorigène suffisamment pour transmettre la chaleur au bâtiment.

Lorsque l’eau du chauffage doit atteindre une température élevée, le compresseur doit généralement fournir davantage de travail.

Prenons deux installations.

Installation A : plancher chauffant nécessitant une eau à 35 °C.

Installation B : radiateurs nécessitant une eau à 55 °C.

À température de source identique, la PAC de l’installation B doit fonctionner avec un écart de température plus important.

Cela entraîne généralement une consommation électrique plus élevée pour une même quantité de chaleur fournie.

Voilà pourquoi les systèmes de chauffage basse température sont particulièrement intéressants avec les pompes à chaleur.

Cependant, il ne faut pas croire qu’une PAC est incompatible avec les radiateurs.

Des radiateurs correctement dimensionnés peuvent tout à fait fonctionner avec une eau à basse température.

16. Les erreurs fréquentes à éviter avec une pompe à chaleur

Erreur n° 1 : croire que la PAC crée toute la chaleur

La PAC récupère une partie de l’énergie dans l’environnement et utilise de l’électricité pour transférer cette chaleur.

Elle ne fonctionne donc pas comme une simple résistance électrique.

Erreur n° 2 : penser qu'une PAC ne fonctionne pas lorsqu'il gèle

Une PAC adaptée peut fonctionner à des températures négatives.

Sa performance et sa puissance disponible dépendent toutefois des conditions extérieures et de sa conception.

Erreur n° 3 : demander une température de départ trop élevée

Une température de départ inutilement élevée pénalise généralement le coefficient de performance.

La loi d’eau doit être correctement réglée.

Erreur n° 4 : installer systématiquement un ballon tampon

Le ballon tampon peut être utile, mais son installation n’est pas systématiquement nécessaire.

Le choix dépend du circuit hydraulique et des exigences techniques.

Erreur n° 5 : négliger les débits hydrauliques

Un débit insuffisant peut perturber les échanges thermiques et provoquer des défauts.

Les circulateurs, les vannes, les pertes de charge et les conditions de débit doivent être étudiés.

Erreur n° 6 : confondre les différents circuits

Le fluide frigorigène ne circule pas dans les radiateurs.

Sur une PAC hydraulique, il transmet sa chaleur à l’eau du chauffage dans le condenseur.

Erreur n° 7 : négliger la régulation

Une bonne pompe à chaleur mal réglée peut consommer davantage qu'une installation correctement optimisée.

La température de départ, les horaires, les débits et les consignes influencent le fonctionnement général.

17. FAQ : les questions fréquentes sur le fonctionnement d'une pompe à chaleur

Comment fonctionne une pompe à chaleur en hiver ?

En hiver, elle récupère de la chaleur dans l’air extérieur, le sol ou l’eau. Un cycle frigorifique permet ensuite de transférer cette énergie au chauffage du bâtiment.

Une pompe à chaleur fonctionne-t-elle quand il fait 0 °C dehors ?

Oui, une pompe à chaleur adaptée peut fonctionner à 0 °C et même à des températures négatives. Le fluide frigorigène doit pouvoir récupérer de la chaleur à une température inférieure à celle de la source extérieure.

Quels sont les quatre éléments d'une pompe à chaleur ?

Les quatre composants principaux sont l’évaporateur, le compresseur, le condenseur et le détendeur.

Quel est le rôle du compresseur dans une pompe à chaleur ?

Le compresseur augmente la pression et la température du fluide frigorigène à l’état gazeux pour permettre le transfert de chaleur vers le bâtiment.

Quelle est la différence entre une pompe à chaleur air-air et air-eau ?

Une PAC air-air chauffe directement l’air intérieur. Une PAC air-eau chauffe l’eau circulant dans les équipements de chauffage.

Une pompe à chaleur consomme-t-elle beaucoup d'électricité ?

Sa consommation dépend des besoins de chauffage, de la température extérieure, du type d’installation et de sa performance. Elle peut fournir plusieurs kilowattheures de chaleur pour un kilowattheure d’électricité consommé, selon les conditions.

Quel est le meilleur COP pour une pompe à chaleur ?

Plus le COP est élevé, plus la quantité de chaleur fournie est importante par rapport à l’électricité consommée. Il faut toutefois comparer les équipements dans des conditions identiques et tenir compte de leurs performances saisonnières.

Pourquoi une pompe à chaleur dégivre-t-elle ?

Le givre peut s’accumuler sur l’échangeur extérieur lorsque l’air est froid et humide. Le dégivrage permet de restaurer de bons échanges thermiques.

Une pompe à chaleur a-t-elle toujours besoin d'un ballon tampon ?

Non. Son utilité dépend du volume d’eau, du schéma hydraulique, du type de distribution et des exigences de fonctionnement de la machine.

Une pompe à chaleur peut-elle produire de l'eau chaude sanitaire ?

Oui, certaines pompes à chaleur peuvent également chauffer l’eau chaude sanitaire grâce à un système de stockage et de transfert thermique adapté.

Quelle est la différence entre le COP et le SCOP ?

Le COP caractérise les performances dans des conditions données. Le SCOP permet de comparer la performance saisonnière déclarée des pompes à chaleur.

Peut-on connecter une pompe à chaleur à une GTB ?

Oui, lorsque la machine dispose des interfaces nécessaires. La GTB peut récupérer les températures, les états de fonctionnement, les alarmes et certaines données énergétiques.

18. Conclusion : comment fonctionne une pompe à chaleur ?

Nous avons découvert comment une pompe à chaleur peut chauffer un bâtiment même lorsque la température extérieure est basse.

Pour résumer, son fonctionnement repose sur trois grandes idées.

Première idée : récupérer la chaleur.

La pompe à chaleur prélève une partie de l’énergie thermique présente dans l’air, le sol ou l’eau.

Deuxième idée : utiliser un cycle frigorifique.

Le fluide frigorigène traverse quatre composants principaux :

• L’évaporateur récupère la chaleur et permet l’évaporation du fluide.
• Le compresseur augmente sa pression et sa température.
• Le condenseur transmet la chaleur au bâtiment.
• Le détendeur abaisse la pression afin de recommencer le cycle.

Troisième idée : distribuer et réguler la chaleur.

Dans une installation hydraulique, la chaleur est transmise à l’eau du chauffage, puis distribuée vers les radiateurs ou le plancher chauffant.

La régulation adapte ensuite le fonctionnement de la machine aux besoins énergétiques du bâtiment.

Tu comprends désormais pourquoi une pompe à chaleur n’est pas seulement une unité extérieure avec un ventilateur.

C’est un système complet qui associe thermodynamique, échange de chaleur, hydraulique, électricité et automatisme du bâtiment.

Et lorsque tu sais identifier la source d’énergie, les quatre composants du cycle frigorifique et les circuits de distribution, il devient beaucoup plus facile de comprendre un schéma de pompe à chaleur.

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