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Comment une pompe à chaleur fonctionne-t-elle ?  

En mode chauffage, une pompe à chaleur puise la chaleur dans un milieu appelé source froide (SF) et la transmet à une source chaude (SC), qui est le local ou le bâtiment que l'on veut chauffer.

La température de la source froide (TSF) est inférieure à celle de la source chaude (TSC). Ce transfert de chaleur est donc contre-nature (on puise des calories dans un milieu froid vers un milieu plus chaud), un apport de puissance P externe (mécanique,…) est alors nécessaire.

Schéma de principe du transfert de chaleur  d'une source froide vers une source chaude

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(Source : Construire avec l'énergie (Wallonie))

La source froide peut être de différentes natures, suivant que l'on puise les calories :

  • dans l'air extérieur ou dans l'air extrait (PAC air/…), on parle alors de PAC aérothermiques ;
  • dans l'eau d'un aquifère ou d'un cours d'eau (PAC eau/…), on parle alors de PAC hydrothermiques ;
  • dans le sol (PAC sol/…)(utilisant des fluides secondaires tels que de l'eau glycolée, de la saumure ou puisant directement la chaleur dans le sol), on parle alors de PAC géothermiques.

La source chaude peut être également de différentes natures :

  • air intérieur du local à chauffer  ;
  • eau du circuit de chauffage  ;

Le transfert de chaleur se fait au moyen d'un fluide frigorigène (primaire) au sein de la pompe à chaleur qui subit des changements de phases. Ce processus se fait en 4 étapes qui forment un cycle thermodynamique  :

  1. La chaleur est extraite de la source froide (fF), ce qui permet l' évaporation du fluide frigorigène à basse pression. La source froide devient encore plus froide (numéro 4 sur le schéma ci-dessous) ;
  2. Le fluide frigorigène à l'état gazeux est ensuite comprimé pour passer de la basse à la haute pression (numéro 1) ;
  3. Le fluide se condense alors,ce qui dégage de la chaleur (fc) à la source chaude, chaleur qui permet le chauffage du local ou du bâtiment (numéro 2) ;
  4. A l'état liquide, le fluide est enfin détendu pour passer à nouveau de la haute à la basse pression (numéro 3).

Le cycle est ensuite répété. Il est illustré dans la figure ci-dessous.

Schéma simplifié du cycle thermodynamique d'une pompe à chaleur à compression

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(Source : CSTC)

Lors de la 1 ère étape, l' évaporateur assure le contact thermique entre la source froide (air, eau,…) et le fluide frigorigène. Le fluide passe de l'état liquide à l'état gazeux.

À la sortie de l'évaporateur, le fluide frigorigène est aspiré par le compresseur qui augmente la pression de ce fluide en le comprimant (2 e étape), avec pour effet une montée en température à un niveau plus élevé. C'est lors de cette étape qu'un apport d'énergie externe est nécessaire. Cette quantité d'énergie est évidemment bien inférieure à la quantité d'énergie fournie à la source chaude par le processus permettant de chauffer le local. C'est le principe sur lequel repose la pompe à chaleur.

Sorti du compresseur, le gaz s'achemine vers le condenseur (3 e étape) où il cède une partie de sa chaleur à la source chaude, ce qui provoque sa « désurchauffe » et son retour à l'état liquide. 

Le fluide à l'état liquide est enfin détendu (4 e étape) pour passer à nouveau de la haute à la basse pression.

La PAC ne réalise donc pas de conversion ni de transformation d'énergie en chaleur comme une chaudière, mais agit comme une machine thermodynamique transférant une quantité donnée d'énergie thermique d'un niveau de température à un autre.

En mode refroidissement, le principe de fonctionnement et le cycle sont inversés : la chaleur est puisée à la source chaude (le local ou le bâtiment à refroidir) et transmise à la source froide (l'extérieur). On parle d'une machine frigorifique.

Désurchauffe et sous-refroidissement

La « désurchauffe » du gaz restitue environ 10 à 15% de l'énergie totale échangée au niveau du condenseur. Une fois entièrement liquéfié, le fluide peut encore être légèrement « sous-refroidi ». Le fluide sort alors du condenseur à une température très proche de son point de condensation. Il passe ensuite par un détendeur thermostatique dans lequel la pression va littéralement chuter, provoquant une baisse brutale de la température du fluide frigorigène et sa (re)vaporisation partielle. La sortie du détendeur ramène le fluide dans l'évaporateur où il va à nouveau se vaporiser au contact de la source froide, donnant naissance à un nouveau cycle thermodynamique.

A quels besoins répondre par la pompe à chaleur ?

La pompe à chaleur peut répondre à différents types de besoins :

  • Chauffage seul
  • Chauffage et production d'ECS (pompes à chaleur double service)
  • ECS seule (chauffe-eau thermodynamique)
  • Chauffage et Refroidissement (pompes à chaleur réversibles) éventuellement combiné à de l'ECS.
  • Refroidissement seul

Répondre à l'un ou l'autre besoin par une pompe à chaleur comporte différents avantages et inconvénients repris ci-dessous. Le choix se basera également sur la nature des travaux (neuf-rénovation), ainsi que sur l'affectation du bâtiment.

Avantages et inconvénients des PAC suivant le type de besoin satisfait

AvantagesInconvénients
Chauffage uniquement
  • Températures de condensation plus basse à FPS réel plus élevé
  • Fluide frigorigène adapté au chauffage basse température
  • Appoint nécessaire pour l'ECS à investissement supplémentaire
ECS uniquement
  • Installation simple, efficace et totalement indépendante du chauffage.
  • Le fluide frigorigène typique des boilers thermodynamiques permet d'atteindre des températures de condensation jusqu'à 65°C
  • FPS réel plus faible dû aux besoins en température plus élevés
ECS intégrée au chauffage
Production uniquement durant la saison de chauffe
  • Simplicité du dispositif
  • Economie d'énergie
  • ECS à température élevée (65°C) sans dégradation du FPS réel
  • Pas nécessaire d'utiliser un fluide frigorigène haute température
  • Un appoint est nécessaire pour produire l'ECS en mi-saison et en dehors de la saison de chauffe (ex : chauffe-eau solaire avec résistance électrique d'appoint)
Production toute l'année
  • Montée en température très rapide de l'ECS
  • fonctionnement en toutes saisons
  • Les PAC chauffage utilisent généralement des fluide frigorigène à basse température . Le fluide frigorigène haute température pour l'ECS n'atteint pas des performances optimales pour le chauffage à basse température.
  • Un appoint électrique dans le ballon est nécessaire pour garantir une température de consigne de 60°C en toutes circonstances.
  • Le retour sur investissement d'une PAC ECS/chauffage doit être analysé au cas par cas.

Choix suivant la nature des travaux

Les performances saisonnières de la PAC (caractérisées par le Facteur de Performance Saisonnier, FPS) sont généralement supérieures dans un bâtiment neuf car la conception du bâtiment (faibles besoins) et du système de chauffage (dimensionnement au plus juste) permettra de faire fonctionner la PAC sur des régimes d'eau basse température (départs compris entre 30 et 55°C) pour un fonctionnement sur ses meilleures plages (FPS élevé).

Choix suivant l'affectation du bâtiment

La puissance et le dimensionnement des composants principaux de la PAC air/eau sont proportionnels à la taille ainsi qu'aux besoins en chaud et en froid du bâtiment, liés à ses différentes fonctions.

Puissance et domaine d'application des PAC air/eau en fonction de l'affectation du bâtiment

AffectationGamme de puissance électriqueDomaine d'application
Résidentiel  : maison, appartement3-30 kW

Production de chaleur

Production d'eau chaude sanitaire

Production de froid

Logements collectifs et petit tertiaire: immeubles, commerces,…   30-100 kW

Production de chaleur

Production de froid

Production d'eau chaude sanitaire

Tertiaire  : hôtels, administrations, piscines, ...50-250 kW

Production de chaleur

Production de froid

Production d'eau chaude sanitaire

Locaux spéciaux : salles informatiques, data center salles d'opération ...3-50kWProduction de froid
grand tertiaire  et grand collectif (hôpitaux, tours de logements…)250-1000 kW

Production de chaleur

Production de froid

Production d'eau chaude sanitaire

Industrie et froid commercial> 1MW

Production de chaleur

Production de froid

Comment définir les performances d'une pompe à chaleur ? 

Les performances d'une pompe à chaleur peuvent être caractérisées par diverses grandeurs sans dimensions. Lors de la comparaison de plusieurs pompes à chaleur entre elles, il est dès lors important de bien savoir ce à quoi ces grandeurs se réfèrent (par exemple, considère-t-on la pompe à chaleur seule ou l'installation complète (auxiliaires, pertes de charge,…) ?) et comment elles ont été déterminées : soit de manière théorique, soit par le biais de mesures en laboratoire ou de mesures in situ.

Toutes les grandeurs ne pourront donc pas servir à déterminer les performances réelles de la pompe à chaleur !

Le tableau ci-dessous classe les différentes grandeurs en fonction :

  • du fait qu'elles sont des valeurs théoriques, des valeurs mesurées en laboratoire ou des valeurs mesurées in situ ;
  • du fait qu'elles sont des valeurs instantanées ou déterminées sur une période de temps donnée.
Valeur instantanéeValeur déterminée sur une période de temps donnée
Valeur théorique (par calcul) COP théorique COPA/SCOP
Valeur mesurée en laboratoire COP test FPS estimé
Valeur mesurée in situ- FPS réel

Les performances réelles d'une pompe à chaleur est influencée par les conditions d'exploitation ainsi que par divers paramètres dont, notamment, la température des sources chaude et froide.

Coefficient de Performance théorique (COPthéorique)

De manière théorique, la performance d'une pompe à chaleur est déterminée par le coefficient de performance, le COP, qui est le rapport entre la chaleur délivrée par la pompe à chaleur à la source chaude et l'énergie mécanique à fournir pour que le cycle thermodynamique puisse être réalisé :

COPtheorique = Qthermique/Qmecanique

Il s'agit donc d'un nombre sans dimensions.

Dans des conditions d'exploitation optimales, le flux de chaleur restitué au niveau de la source chaude est bien supérieur à la puissance mécanique nécessaire au compresseur.

De manière générale, plus la différence de température entre la source froide et la source chaude sera faible, plus le COP de la pompe à chaleur sera élevé.

Le COP théorique ne suffit pas à caractériser les performances de la pompe à chaleur en fonctionnement réel  :

  • Il s'agit d'une grandeur instantanée qui ne tient donc pas compte de la variation des températures des sources chaude et froide qui influencent le COP. Pour une valeur correspondant à une saison de fonctionnement, on parlera plutôt de COP saisonnier.
  • Elle est déterminée pour des conditions spécifiques (en général limitées à la machine seule). En réalité, outre l'énergie mécanique nécessaire au compresseur, de l'énergie est également nécessaire aux auxiliaires (pompes,…).

D'autres indicateurs seront donc nécessaires pour mieux rendre compte des conditions réelles.

Il est donc important de bien connaître les éléments pris en compte dans l'évaluation du COP, ainsi que les conditions correspondant à sa détermination !

Coefficient de Performance test (COPtest)

Le COPtest (ou COPinstantané , ou COPconstructeur) est mesuré en laboratoire dans les conditions standards de test imposées :

  • par la norme NBN EN 14511 pour, notamment, les pompes à chaleur avec compresseur entraîné par moteur électrique pour le chauffage et la réfrigération des locaux ;
  • ou par la norme EN 16147 pour la production d'eau chaude sanitaire.

Ce COP tient compte de la consommation du compresseur et de tous les auxiliaires (dégivrage, pompes, ventilateurs) qui sont régulés en même temps que le compresseur. Cet indicateur de performance est renseigné sur les fiches techniques des fabricants.

La valeur du COP test est notamment utilisée dans la PEB.

Il est important de signaler que les valeurs d'essai instantanées, obtenues dans des conditions de fonctionnement déterminées, ne peuvent être utilisées comme telles pour estimer la performance annuelle de la pompe à chaleur . En effet, les conditions de température in situ , qui font varier le COP, sont différentes de celles des tests normalisés. Elles conduiront tantôt à de moindres performances, tantôt à de meilleures performances !

Le COP test : un indicateur mesuré dans des conditions de laboratoires standardisées

COP = 3,1 pour A2/W35 signifie que, pour une température de la source froide (air) de 2°C (A2) et une température de la source chaude (eau) de 35°C (W35), la pompe à chaleur fournit 3,1 kW de puissance thermique au condenseur  pour 1 kW d'électricité absorbée au compresseur.

Coefficient de Performance annuel (COPA)

Le coefficient de performance annuel d'une pompe à chaleur, COPA (ou SCOP (Coefficient de Performance Saisonnier), défini dans le règlement européen 813/2013 en application de la Directive Ecoconception), est une valeur théorique correspondant au rapport entre la demande annuelle de chauffage de référence Q H par la consommation annuelle d'énergie Q HE (toutes deux exprimées en kWh):

COPA=QH/QHE

Bien que théorique, le COPA tient compte des différentes conditions de températures de source froide et de source chaude, et donc de la variation des performances de la pompe à chaleur sur la durée d'une saison de chauffe. Il est donc plus représentatif des performances réelles que le COP test .

Facteur de Performance Saisonnier estimé (FPSestimé)

Le facteur de performance saisonnier estimé, FPS estimé , est déterminé au moyen de plusieurs COP test obtenus en laboratoire sous différentes conditions (notamment, la température de source froide) et pondérés pour se rapprocher des conditions d'exploitation réelles.

Facteur de Performance Saisonnier réel (FPSréel)

Le facteur de performance saisonnier réel, FPS réel , est l'indicateur le plus important à examiner lors du choix d'une pompe à chaleur car il rend compte du vrai rendement de l'installation. Il est déterminé sur base de mesures réelles sur site . Il n'est jamais spécifié dans les fiches techniques des fabricants car il dépend fortement des conditions d'exploitation spécifiques au bâtiment et à sa localisation , qui font varier les performances de la pompe à chaleur.

Il correspond au rapport entre énergie fournie et énergie consommée durant une saison de chauffe.

Paramètres d'influence des performances

Le tableau ci-dessous reprend les paramètres essentiels qui influencent la performance d'une PAC électrique à compression . Ceci confirme que la pompe à chaleur est très sensible aux variations de températures, tant de la source chaude que de la source froide.

Paramètres influençant directement la performance de la pompe à chaleur

Paramètres d'influenceNiveau d'influenceRemarque
Température de la source froideForteRéduction des consommations de +3% par augmentation de 1°C
Température de la source chaudeForteRéduction des consommations de +3% par réduction de 1°C
Taux de chargeMoyenne

Le fonctionnement de la PAC à charge partielle limite la consommation électrique et l'usure du compresseur.

Un taux de charge partiel s'obtient en réduisant la vitesse du compresseur selon la technologie INVERTER (qui permet au moteur de fonctionner en continu, plutôt que de subir des arrêts / redémarrages en fonction des variations de température)

Il peut être aussi influencé par le placement d'un ballon tampon entre la PAC et les émetteurs de chaleur

Une pompe à chaleur correctement dimensionnée opère environ 1500 heures par an à pleine charge et ne doit jamais dépasser 2000 heures par an à pleine charge.

(Source: Energie+)

Les performances dépendent également du bon dimensionnement de la PAC par rapport aux besoins de chaleur. Ainsi, une PAC mal dimensionnée risque de fonctionner souvent en ON/OFF et de voir ses performances réelles fortement affaiblies. De même, un système de distribution et d'émission peu adapté (par exemple fonctionnement en régime haute température) risque de voir la PAC fonctionner à des températures trop élevées, réduisant par là le FPS.

D' autres paramètres influencent la performance globale du système de chauffage, tels que :

  • une pompe de circulation supplémentaire, dans le cas d'une conception du réseau avec circuits secondaires, entraînant une consommation auxiliaire plus importante ;
  • dans le cas des PAC aérothermiques, une pompe à chaleur à évaporateur dynamique occasionnant une consommation électrique auxiliaires supplémentaire nécessaire pour le dégivrage.

Plus d'informations sur les PAC à évaporateur dynamique dans le dispositif PAC air/eau

La performance des PAC aérothermiques gaz

L'efficacité d'une PAC aérothermique à absorption gaz, caractérisée par le coefficient de performance sur énergie primaire (COP) peut atteindre 1,65 (soit un COP équivalent électrique de 4,12, en tenant compte d'un rendement de production primaire d'électricité de 40 %). Pour 1 kWh de gaz consommé, ces PAC à absorption gaz produisent jusqu'à 1,65 kWh de chaleur utile ; soit un « rendement de production » supérieur à 160%. En termes de performance annuelle sur énergie primaire, une PAC à absorption gaz aérothermique dans des conditions optimales d'utilisation permet d'économiser 30 à 40 % d'énergie primaire par rapport à une chaudière à condensation.

mis à jour le 26/06/2017