Tout comprendre au fonctionnement d’une pompe à chaleur air-eau

En France, depuis 2012, les ventes de pompes à chaleur (PAC) ne cessent de progresser. 

L’année 2022 totalise 1,1 million d’appareils achetés⁽¹⁾, pour un parc de pompes à chaleur global de 7,2 millions⁽²⁾.

Les chiffres parlent d’eux-mêmes : cet équipement de chauffage et de production d’eau chaude a le vent en poupe ! Et pour cause : économe en électricité, à haute performance énergétique, écologique puisque fonctionnant à partir d’une énergie renouvelable, la PAC air-eau peut parfaitement s’inscrire dans une démarche de rénovation énergétique. Mais savez-vous comment elle produit de la chaleur ? ENGIE vous en dit plus sur le fonctionnement d’une pompe à chaleur air-eau dans cet article.

Pompe à chaleur air-eau : principe de fonctionnement

De manière simplifiée, une pompe à chaleur (PAC) air-eau fonctionne ainsi : en hiver, elle capte la chaleur contenue naturellement dans l’air extérieur et la retransmet à l’eau du système de chauffage central de l’habitation. Sur ce même principe, mais inversé, une PAC peut, en été, rafraîchir un logement en évacuant une partie de la chaleur vers l’extérieur (principe de réversibilité). 

Mais dans le détail, comment marche précisément une PAC air-eau ? 

Une unité extérieure qui capte les calories contenues dans l’air

Une PAC air-eau est composée de plusieurs éléments. Le premier est le module extérieur. Comme son nom l’indique, il est placé à l’extérieur du logement, de préférence dans un endroit bien aéré comme une cour, un jardin, une terrasse ou un balcon pour les personnes vivant en immeuble. Sachez, en effet, qu'installer une pompe à chaleur en appartement est tout à fait possible. Dans tous les cas, cela nécessite une étude de faisabilité technique en fonction de l’agencement et de la place disponible.

Grâce à ce module extérieur, la PAC va capter l’air ambiant à l’aide d’un ventilateur et ainsi le mettre au contact du circuit. Ce circuit contient un fluide frigorigène qui va capter les calories venues de l’extérieur. L’énergie ainsi absorbée fait augmenter la température du fluide et le transforme en vapeur à très basse pression.

Une unité intérieure qui transmet la chaleur à l’habitation

Le rôle de l’unité intérieure est de transporter les calories récupérées de l’air extérieur vers l’eau du chauffage central. Elle contient plusieurs éléments formant un circuit fermé pour acheminer ces calories d’un point A à un point B. 

Les calories emmagasinées et transportées depuis l’extérieur sont finalement diffusées dans votre logement par le biais d’émetteurs thermiques que sont vos radiateurs à eau ou plancher chauffant.

Le fluide frigorigène de l’unité intérieure passe par différents états (liquide et vapeur) grâce à des variations de pression et de température, que nous détaillerons après.

Rappelons qu'une PAC a besoin d’électricité pour fonctionner et assurer la circulation du fluide frigorigène. Sa haute performance énergétique vient du ratio entre énergie consommée et énergie délivrée (sous forme de chaleur). Ce ratio est connu sous le nom de "COP" pour "coefficient de performance" et varie généralement entre 3 et 5 pour les PAC. Ainsi, pour 1 kW d'électricité consommé, 3, 4, voire 5 kW d’énergie thermique sont produits (selon les modèles), ce qui signifie que ce mode de chauffage produit plus qu’il ne consomme. 

Schéma du principe de fonctionnement de la pompe à chaleur air-eau : 4 composants indispensables

En plus des unités extérieures et intérieures, quatre composants clés sont indispensables au fonctionnement d’une PAC air-eau : 

• L’évaporateur, qui permet au fluide frigorigène, en le mettant en contact indirect (à travers une paroi) avec l’air de dehors, de passer de l’état liquide à l’état de gaz en récupérant les calories de l’extérieur ;

• Le compresseur, qui compresse le gaz et le fait ainsi monter en température sous l’effet de l’augmentation de pression ;

• Le condenseur, qui met le gaz haute pression au contact (indirect) de l’eau du système de chauffage et permet au fluide frigorigène de retrouver son état liquide en transmettant sa chaleur au chauffage central ;

Le détendeur, qui dépressurise le fluide frigorigène, lui permettant de retrouver, à ce stade, sa pression et sa température initiales. Ce fluide va alors recommencer le même processus en repassant au niveau du ventilateur de l’unité extérieure.

Comme l’illustre le schéma, le circuit de la pompe à chaleur est un circuit fermé.

Une solution de chauffage aussi destinée à la production d’eau chaude sanitaire 

Si certaines PAC sont uniquement des solutions de chauffage, d’autres assurent également la production d’eau chaude sanitaire (ECS).

Pour remplir cette fonction, deux types de matériel sont disponibles sur le marché : 

• Les PAC air-eau avec fonction eau chaude sanitaire intégrée, qui combinent les usages de chauffage et ballon d’eau chaude directement dans le même module. Ce type d’installation est simple d’installation et permet de gagner un peu de place selon le principe du 2-en-1, même si le module intérieur est plus imposant qu’une PAC air-eau classique.
• Les PAC air-eau avec un module de production d’eau chaude déportée. Ce type d’installation est très flexible, car il offre la possibilité d’ajouter au circuit de chauffage un ballon pour stocker l’ECS produite par la PAC. L’installation de ce ballon, physiquement indépendant, peut être décorrélé de la mise en place de la PAC et se faire ultérieurement.

Il existe également des ballons d’eau chaude thermodynamiques indépendants qui fonctionnent avec la même technologie aérothermique, utilisant les calories de l’air. Ils sont aussi performants, durables et économiques que la solution de chauffage par PAC. 

Selon vos besoins et la configuration de votre lieu de vie, il sera plus intéressant de vous tourner vers l’une ou l’autre des solutions. Demandez conseil à un professionnel.

Les différents types de pompes à chaleur air-eau

On distingue, sur le marché, trois types de PAC air-eau, qui méritent d’être passés en revue pour les modes de fonctionnement et les options qu’ils offrent. 

Les PAC air-eau dites “basse température”

Ces PAC air-eau « basse température » chauffent l’eau du circuit à environ 40/45°C. Peu énergivores, elles fonctionnent avec des émetteurs de chaleur basse température, tels qu’un plancher chauffant (sortie de l’eau de chauffage à 35°C) ou des radiateurs basse température (sortie de l’eau de chauffage à entre 35 et 45°C). Ce type de PAC convient généralement pour assurer les besoins des logements récents ou bien isolés suite à une rénovation énergétique et dont la surface à couvrir en chauffage reste limitée (ne dépassant pas les 120 m²).

Les PAC air-eau dites “moyenne température”

Ces PAC air-eau « moyenne température » chauffent l’eau du circuit jusqu’à 60°C environ. Moins énergivores que les PAC à haute température, elles sont un excellent compromis pour alimenter les habitations récentes ou rénovées dont la surface d’habitation s’approche des 180 m² et nécessitant de l’eau chaude sanitaire pour 3 personnes. Ces PAC sont compatibles avec des radiateurs dits « haute température » dans les régions tempérées.

Les PAC air-eau dites “haute température”

Les PAC air-eau à « haute température » conviennent aux équipements qui nécessitent une eau très chaude (chauffe jusqu’à 90°C). Elles sont capables d’alimenter les radiateurs anciens à haute température et sont plus performantes pour les hivers un peu rigoureux. Elles peuvent être utilisées pour l’eau chaude sanitaire et couvrir les besoins d’une grande famille. Plus puissantes que les PAC précédentes, elles requièrent plus d’énergie, mais assurent, en contrepartie, le chauffage des grandes maisons ou dont l’isolation thermique n’est pas optimale.

Ces trois types d'équipement sont à distinguer dans la mesure où la température de sortie de l’eau a un impact sur les performances et les besoins en énergie de la PAC. Plus la température sera haute, plus la PAC sera gourmande en électricité.

Une fonction réversible

Certaines pompes à chaleur air-eau disposent d’une option leur permettant de rafraîchir le logement en été. Le fonctionnement de la PAC reste le même, sauf qu’il est inversé : le fluide frigorigène récupère une partie des calories de l’air intérieur pour rafraîchir l’habitation. Techniquement, rien ne change. Les différents éléments de la PAC assurent toujours leurs rôles mais le sens du fluide s’inverse. Les calories de votre air intérieur seront emmagasinées pour être rejetées à l’extérieur. 

La technologie Inverter : mieux réguler pour moins consommer

La plupart des PAC air-eau actuelles sont équipées de la Technologie Inverter. Il s’agit d’un dispositif de régulation et de modulation de la puissance de la PAC, qui fonctionne en continu et évite de multiplier les cycles d'allumage / extinction. Cette technologie permet à la PAC de diffuser une chaleur plus homogène, sans à-coups. Elle présente l’avantage d’augmenter la durée de vie du compresseur et favorise une meilleure maîtrise des consommations électriques.

Un système à haut rendement énergétique, sous certaines conditions

La compatibilité PAC air-eau/habitation

Vous pouvez légitimement vous demander si l’installation d’une pompe à chaleur air-eau est possible dans votre lieu de vie. La compatibilité d’une PAC air-eau à une habitation est définie uniquement par deux choses :

• L’obtention des autorisations de votre commune et de votre copropriété si vous n’habitez pas une maison privée.
• La faisabilité technique de l’installation de l’unité extérieure. En effet, le bloc extérieur requiert une certaine configuration pour fonctionner correctement. Si l’étude du bon emplacement pour l’unité extérieure d’une PAC ne coche pas toutes les cases, il vaudra mieux songer à un autre système de chauffage. Discutez-en avec un professionnel.

L’importance de l’isolation dans un projet d’installation d’une PAC air-eau

Si vous entamez un projet de rénovation, il est toujours recommandé de commencer par l’amélioration de l’isolation de votre logement, avant de songer à installer une PAC air-eau.

En limitant les déperditions de chaleur, vous pouvez profiter plus largement des performances énergétiques d’une PAC pour un coût limité : une PAC moins puissante est moins onéreuse à l’achat et moins gourmande en énergie électrique.

À l’inverse, dans une maison mal isolée, vous devrez choisir une PAC suffisamment puissante. L’impact sur le coût d’achat sera non négligeable.

Ajoutez à cela que cette solution de chauffage va devoir tourner à pleine puissance pour chauffer et maintenir la température de votre logement en compensant les pertes de chaleur à travers la mauvaise isolation. Ce fonctionnement va se ressentir sur votre facture d’électricité et allonger la durée de l'amortissement de la PAC air-eau. 

La réalisation d’un diagnostic énergétique, avant d’entamer toute démarche de mise en place d’une PAC, est la première étape pour gagner en confort et faire des économies.

Assurer le bon fonctionnement de sa pompe à chaleur air-eau

Les critères de dimensionnement à prendre en compte

Le dimensionnement est un élément essentiel pour un fonctionnement optimal d’une PAC air-eau. 

Une PAC surdimensionnée devra démarrer et s’arrêter très fréquemment pour maintenir la température de consigne de l’habitation. Ces cycles de marche-arrêt répétés sollicitent de manière accrue le compresseur. À l’arrivée, vous obtiendrez des pics de consommations électriques à chaque démarrage, une usure prématurée du compresseur et une augmentation des frais de maintenance. Notez également que plus une PAC est puissante, plus elle est onéreuse.

À l’inverse, une PAC air-eau sous-dimensionnée fonctionnera à plein régime pour tenter d’atteindre et de maintenir la température souhaitée dans le logement. La régulation thermique laissera à désirer et la consommation électrique sera importante. 

Pour être certain de bénéficier des promesses de ce système de chauffage à haut rendement énergétique, écologique et économique, demandez le déplacement d’un professionnel en amont de votre projet. Il effectuera une visite technique lui permettant d’étudier : 

• Le volume de votre maison ;

• L’état de l’isolation ;

• La physionomie du circuit de chauffage actuel ;

• Vos éventuels besoins en eau chaude sanitaire ;

• Vos habitudes de vie et la composition du foyer ;

• Le type d'émetteurs de chauffage en place ;

• Votre situation géographique.

Tous ces critères permettent d’estimer la puissance de chauffe nécessaire.

Nous l’avons vu, une maison bien isolée permet de limiter la taille de la PAC, son prix d’achat et sa consommation.

La surface à chauffer est un critère de dimensionnement important. Une maison d’une surface de 200 m2 ou plus peut bénéficier d’une PAC air-eau. Le seul critère de compatibilité sera la puissance électrique délivrée par votre compteur (réseau triphasé obligatoire pour un abonnement électrique supérieur à 12 kVa).

La zone géographique est prise en compte par rapport aux températures extérieures. Lorsque les températures passent en dessous de zéro, les performances d’une PAC air-eau baissent drastiquement. Il peut alors être nécessaire de mettre en route un système de chauffage d'appoint ou d’opter pour une PAC hybride. Cette dernière permet de faire appel à une autre source d’énergie (souvent du gaz ou du fioul) lorsque c’est nécessaire.

L’entretien pour garantir un fonctionnement optimal

Les PAC dont la puissance est supérieure à 4 kW doivent obligatoirement faire l’objet d’un entretien, à minima tous les deux ans, selon un décret de 2020 du Ministère de la Transition Écologique⁽³⁾. Seul un professionnel qualifié peut réaliser la visite de votre système de chauffage. Effectuer ce contrôle annuellement est recommandé pour vérifier l’état des composants et du circuit. Les objectifs de ces entretiens :

• Protéger votre installation ainsi que l’environnement (le fluide frigorigène est à effet de serre) ;

• Assurer les performances de votre PAC dans le temps ;

• Allonger sa durée de vie.

Un entretien réalisable par vous-même est le nettoyage de l’unité extérieure de la pompe à chaleur. Dépoussiérer régulièrement la borne externe permet une meilleure captation des calories de l’air.