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Comment une pompe à chaleur fonctionne-t-elle ?  

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 (f_F), 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 (f_c) 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

(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

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

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

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.

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 (COP_théorique)

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 :

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 (COP_test)

Le COP_test (ou COP_instantané , ou COP_constructeur) 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 !

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):

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 (FPS_estimé)

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 (FPS_réel)

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

(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.