Tout savoir sur le fonctionnement d’une pompe à chaleur air-eau

Quel est le principe de fonctionnement d’une PAC air-eau ?

Le principe de fonctionnement d’une PAC air-eau consiste à déplacer la chaleur plutôt qu’à la produire directement. Même lorsque la température extérieure est basse, l’air contient encore de l’énergie thermique. La pompe à chaleur la capte grâce à son unité extérieure puis l’élève à un niveau de température compatible avec le chauffage de la maison.

Le fonctionnement de l’installation repose sur un circuit fermé contenant un fluide frigorigène. Celui-ci change d’état au cours du cycle afin de permettre les échanges thermiques. La chaleur captée dans l’air extérieur est ainsi transférée de manière progressive vers l’eau du circuit de chauffage.

Ce principe explique pourquoi les performances d’une pompe à chaleur dépendent fortement de l’écart entre la température extérieure et la température nécessaire dans le circuit de chauffage. Plus cet écart est important, plus la machine doit fournir un effort élevé pour offrir le confort souhaité.

Les 4 étapes du cycle d’une pompe à chaleur air-eau

Le fonctionnement d’une PAC air-eau se base sur quatre éléments principaux : l’évaporateur, le compresseur, le condenseur et le détendeur. Pour comprendre le rôle de chacune de ces pièces, il suffit de suivre le parcours du fluide frigorigène. Le cycle se répète continuellement pendant que le système répond aux besoins de chauffage.

1. L’évaporateur capte la chaleur de l’air extérieur

L’unité extérieure aspire l’air ambiant. Celui-ci traverse un échangeur thermique appelé évaporateur dans lequel circule le fluide frigorigène. Même si l’air est froid en hiver, sa température reste supérieure à celle nécessaire à l’évaporation du fluide. Celui-ci peut donc récupérer une partie de l’énergie thermique disponible dans l’air. En absorbant cette chaleur, le fluide frigorigène passe progressivement de l’état liquide à l’état gazeux. À ce stade, la pompe à chaleur a donc récupéré de l’énergie présente naturellement dans l’environnement. L’air ressort de l’unité extérieure plus froid qu’à son entrée, la PAC ayant extrait une partie de sa chaleur pour alimenter le cycle thermique.

2. Le compresseur augmente la température du fluide frigorigène

Le fluide frigorigène désormais sous forme gazeuse est dirigé vers le compresseur. Celui-ci fait partie des pièces majeures de la pompe à chaleur. En comprimant le gaz, le compresseur augmente sa pression et sa température. Le fluide devient alors assez chaud pour pouvoir transmettre son énergie thermique au circuit d’eau du chauffage. C’est ici que l’électricité intervient dans le processus : elle ne sert pas à créer toute la chaleur produite par la PAC mais à faire fonctionner le compresseur et les autres composants électriques du système.

Bon à savoir : le rapport entre la chaleur produite et l’électricité consommée permet d’évaluer les performances de la pompe à chaleur à travers des indicateurs comme le COP ou Coefficient de Performance.

3. Le condenseur transmet la chaleur à l’eau

Le gaz chaud arrive ensuite dans le condenseur. Cette fois, l’objectif est de transférer la chaleur vers le circuit hydraulique de l’habitation. L’eau qui circule dans le système de chauffage récupère cette énergie. Elle peut ensuite alimenter différents émetteurs : radiateurs, plancher chauffant ou autres équipements hydrauliques adaptés.

Une PAC air-eau peut également participer à la production d’eau chaude sanitaire lorsqu'elle est équipée et configurée pour cet usage. Le fonctionnement reste fondé sur le même principe de transfert de chaleur avec une régulation adaptée aux besoins du logement.

4. Le détendeur prépare un nouveau cycle

Le fluide frigorigène liquide passe ensuite dans le détendeur. Sa pression diminue fortement ce qui entraîne une baisse de sa température. Le fluide est alors à nouveau capable de capter de la chaleur dans l’air extérieur lorsqu’il revient vers l’évaporateur. Le cycle recommence avec toujours la même succession d’étapes qui constitue le cœur du fonctionnement d’une pompe à chaleur : évaporation, compression, condensation, détente.

Le fluide frigorigène circule donc en boucle dans un circuit fermé. Son rôle est central puisqu’il sert d’intermédiaire pour déplacer l’énergie thermique de l’extérieur vers le circuit de chauffage. En Suisse, son utilisation est encadrée par l’ORRChim, notamment pour limiter les émissions de fluides présentant un potentiel de réchauffement climatique élevé.

Zoom sur la production d’eau chaude sanitaire avec une PAC air-eau

Une pompe à chaleur air-eau peut être associée à un ballon destiné à la production d’eau chaude sanitaire. Le principe de fonctionnement reste le même : la chaleur captée dans l’air extérieur est transférée au circuit d’eau mais la régulation doit alors répondre à un besoin différent de celui du chauffage des pièces. En effet, la température nécessaire pour l’eau chaude sanitaire est différente de celle utilisée pour un plancher chauffant ou certains radiateurs. Le système doit donc gérer les différents besoins du logement et donner la priorité à la production d’eau chaude lorsque cela est nécessaire.

Pourquoi la température extérieure a-t-elle un impact sur le rendement d’une PAC air-eau ?

Le fonctionnement d’une PAC air-eau est directement lié à la température de sa source de chaleur : l’air extérieur. Lorsque l’air extérieur est relativement doux, la différence entre la source et la température nécessaire dans le circuit de chauffage reste modérée. La pompe peut alors transférer la chaleur avec une bonne efficacité. En revanche, lorsque les températures chutent fortement en hiver, la PAC doit extraire de la chaleur d’un air beaucoup plus froid tout en fournissant une eau suffisamment chaude pour le bâtiment. Son rendement peut alors diminuer et sa consommation d’électricité augmenter.

Le phénomène de givre doit également être pris en compte. Dans certaines conditions d’humidité et de température, du givre peut se former sur l’échangeur extérieur. La PAC déclenche alors un cycle de dégivrage qui consomme de l’électricité. Ce phénomène peut réduire le rendement du système de chauffage.

C’est pour cette raison que le dimensionnement de la pompe à chaleur est une étape primordiale dans un projet d’installation de PAC air-eau. En effet, la puissance nécessaire dépend des températures extérieures de référence mais aussi des caractéristiques du bâtiment, de son isolation thermique et des besoins en chauffage et en eau chaude sanitaire du foyer. Une PAC trop peu puissante risque de ne pas couvrir correctement les besoins lors des périodes froides. À l’inverse, une pompe surdimensionnée peut fonctionner avec des cycles courts et ne pas exploiter son potentiel dans les meilleures conditions.

Pour en savoir plus, consultez notre guide complet sur le sujet : Quel dimensionnement pour une pompe à chaleur air/eau ?

PAC air-eau : quelles différences avec les autres pompes à chaleur au niveau du fonctionnement ?

Toutes les pompes à chaleur reposent sur le même principe de fonctionnement : elles prélèvent de la chaleur dans une source extérieure pour la transférer vers un bâtiment. Ce qui change d’un système à l’autre, c’est principalement la source de chaleur utilisée et la manière dont cette énergie est restituée à l’intérieur. Pour mieux comprendre, voici un aperçu du fonctionnement des différents types de pompe à chaleur : PAC air-eau, PAC air-air, PAC sol-eau ou PAC eau-eau.

• La PAC air-eau capte les calories présentes dans l’air extérieur et les transmet à un circuit d’eau. Cette eau alimente ensuite les radiateurs, le chauffage au sol ou, selon l’installation, un ballon destiné à la production d’eau chaude sanitaire. Son fonctionnement est donc particulièrement adapté aux habitations déjà équipées d’un chauffage hydraulique.

• La PAC air-air prélève elle aussi la chaleur de l’air extérieur, mais ne passe pas par un circuit d’eau. L’énergie thermique est directement diffusée dans les pièces par des unités intérieures, généralement sous forme d’air chaud. Certains modèles sont réversibles et peuvent également assurer la climatisation en été.

• La PAC géothermique utilise la chaleur présente dans le sol comme source d’énergie. Des capteurs enterrés récupèrent cette chaleur avant de la transmettre au système de chauffage. En général, la température de cette source est plus stable que celle de l’air extérieur. Son fonctionnement est donc moins dépendant des variations météorologiques. En contrepartie, l’installation nécessite des travaux de captage plus importants.

• La PAC eau-eau prélève la chaleur dans une source d’eau, par exemple une nappe phréatique, avant de la transférer vers le circuit de chauffage. Ce type de solution dépend donc des caractéristiques du terrain et des ressources disponibles.

Les différents systèmes présentent donc leurs propres avantages et inconvénients. Le choix dépend avant tout de la configuration de l’habitation, de la source de chaleur disponible, du système de chauffage existant, des contraintes liées à l’installation et du budget des propriétaires. La PAC air-eau constitue une solution intéressante lorsqu’un logement dispose déjà d’un circuit hydraulique mais elle doit être correctement dimensionnée et installée pour offrir une bonne efficacité.

Pour aller plus loin dans votre projet de pompe à chaleur

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Faire appel à Hugo Dubois pour une installation de PAC : les avantages

Choisir une pompe à chaleur adaptée à votre habitation demande plus que la comparaison de quelques produits. Le type de PAC, son dimensionnement, son installation et sa régulation ont un impact direct sur son fonctionnement, son efficacité et ses coûts d’utilisation. Hugo Dubois vous accompagne pour déterminer quelle solution de chauffage convient à votre maison, en tenant compte de ses caractéristiques, de vos besoins et des équipements déjà présents. Pour les propriétaires qui souhaitent également assurer le refroidissement de leur logement, la possibilité d’utiliser une PAC réversible peut être étudiée selon les équipements et les émetteurs installés.

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Consulter nos guides dédiés aux pompes à chaleur : une manière simple de se renseigner sur les différents systèmes de chauffage

Avant de faire votre choix, prenez également le temps de consulter nos autres guides consacrés aux pompes à chaleur. Ils vous permettront de mieux comprendre le rôle des différents éléments qui peuvent composer une installation et de bénéficier de conseils avisés pour prolonger la durée de vie de votre système de chauffage .

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