Une pompe à chaleur est un système CVC (chauffage, ventilation et climatisation) polyvalent et économe en énergie, capable de chauffer et de refroidir. Elle fonctionne sur le principe du transfert de chaleur d’un endroit à un autre plutôt que sur celui de la production directe de chaleur.
Voici un résumé de ce qu’est une pompe à chaleur et de son fonctionnement :
Qu’est-ce qu’une pompe à chaleur ?
Une pompe à chaleur est un système mécanique conçu pour déplacer la chaleur d’un endroit à un autre. Elle est composée d’éléments clés, notamment un serpentin d’évaporation, un compresseur, un serpentin de condensation et un fluide frigorigène. Il existe différents types de pompes à chaleur, notamment les pompes à air, les pompes géothermiques et les pompes à eau, chacune ayant ses propres avantages et applications.
Comment cela fonctionne-t-il ?
Le fonctionnement d’une pompe à chaleur peut se résumer aux étapes suivantes :
- Absorption de la chaleur (serpentin d’évaporateur):
- En mode chauffage, le fluide frigorigène de la pompe à chaleur circule dans le serpentin de l’évaporateur, qui est placé dans la zone à chauffer, par exemple votre maison.
- Le fluide frigorigène à basse pression et à basse température absorbe la chaleur de l’air ambiant, même si l’air est froid. Il s’évapore et se transforme en un gaz à basse pression.
- Compression (Compresseur):
- Le gaz à basse pression est ensuite comprimé par le compresseur, qui augmente sa température et sa pression. Ce processus nécessite de l’énergie.
- Le réfrigérant devient alors un gaz à haute pression et à haute température.
- Dégagement de chaleur (serpentin du condenseur):
- Le gaz chaud à haute pression est envoyé dans le serpentin du condenseur, généralement situé à l’extérieur.
- Le réfrigérant y libère la chaleur qu’il a absorbée à l’intérieur du bâtiment et la transmet à l’air extérieur. Ce faisant, il se transforme à nouveau en un liquide à haute pression.
- Distribution de la chaleur:
- En mode chauffage, le réfrigérant désormais liquide retourne dans le serpentin de l’évaporateur pour répéter le cycle, tandis que de l’air chaud est soufflé dans l’espace intérieur.
- En mode rafraîchissement, la pompe à chaleur fonctionne en sens inverse, absorbant la chaleur de l’air intérieur et la rejetant à l’extérieur, ce qui permet de rafraîchir l’air.
Avantages
- Efficacité énergétique : Les pompes à chaleur sont très efficaces car elles transfèrent la chaleur au lieu de la produire, ce qui les rend respectueuses de l’environnement et rentables.
- Polyvalence : Elles assurent à la fois le chauffage et le refroidissement, ce qui évite d’avoir recours à des systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation distincts.
- Capacité de zonage : Certaines pompes à chaleur peuvent fournir des températures différentes à différentes zones ou pièces, améliorant ainsi le confort et les économies d’énergie.
- Options géothermiques : Les pompes à chaleur géothermiques sont particulièrement efficaces et ont un impact minimal sur l’environnement.
Points à prendre en considération
- Coût initial : l’installation d’une pompe à chaleur peut être coûteuse au départ, mais les économies d’énergie à long terme compensent souvent ce coût.
- Dépendance climatique : Les pompes à chaleur aérothermiques peuvent être moins efficaces dans les climats extrêmement froids, tandis que les pompes à chaleur géothermiques sont généralement plus performantes.
Types de pompes à chaleur
Il existe trois principaux types de pompes à chaleur :
- Les pompes à chaleur aérothermiques
- Source de chaleur géothermique
- Pompes à chaleur à eau
Les pompes à chaleur à air sont de loin les plus courantes. Tout comme les climatiseurs classiques, elles comportent un condenseur à l’extérieur et un évaporateur à l’intérieur de la maison (à moins que vous ne souhaitiez installer une unité monobloc).
À moins que vous n’installiez une unité emballéeLa plupart des gens choisissent entre l’air central et les pompes à chaleur à air sans conduit. Si votre maison est déjà équipée d’un réseau de conduits, l’installation d’une pompe à chaleur centrale à air est la meilleure option pour vous.
Les thermopompes à air sans conduit fonctionnent de la même manière que les climatiseurs sans conduit/mini-split. L’unité d’évaporation est montée au mur et reliée à l’unité de condensation à l’extérieur de la maison. Aucun conduit n’est nécessaire.
Ce que vous ne savez peut-être pas, c’est que même s’il fait un froid glacial, le sol sous vos pieds (à quelques mètres seulement) conserve son énergie thermique. En fait, l’énergie thermique du sol est toujours la même, que ce soit en été ou en hiver.
C’est là que les pompes à chaleur géothermiques entrent en jeu. Des serpentins enterrés profondément dans le sol peuvent être utilisés pour extraire cette énergie et l’utiliser pour chauffer votre maison. En été, l’énergie excédentaire de la maison peut également être rejetée dans le sol.
Les pompes à chaleur géothermiques sont plus chères à installer que les pompes à chaleur à air. Cependant, ces pompes à chaleur sont moins chères à l’usage avec energy.gov estimant qu’ils peuvent réduire la consommation d’énergie jusqu’à 60 %.
Les pompes à chaleur géothermiques ne conviennent cependant pas à tout le monde. Leur installation dépend de la taille de votre propriété (pour enterrer les serpentins), du sous-sol et du paysage.
Les pompes à chaleur géothermiques fonctionnent en extrayant la chaleur d’un plan d’eau et en la convertissant en chaleur utilisable pour chauffer la maison. Des tuyaux immergés contenant un réfrigérant sont utilisés pour absorber la chaleur des masses d’eau et la transférer à l’intérieur.
Les pompes à chaleur à eau ne sont toutefois pas très répandues. Un autre type de pompe à chaleur relativement nouveau est la pompe à chaleur à absorption.
Les pompes à chaleur à absorption ou à gaz utilisent l’air, le gaz naturel, la vapeur, l’eau chauffée par le soleil ou l’eau chauffée par la géothermie comme source de chaleur.
Comment fonctionne une pompe à chaleur en été ?
Dans ce billet, j’utiliserai une pompe à chaleur à air pour expliquer le fonctionnement d’une pompe à chaleur. Le principe de fonctionnement de ces systèmes CVC est cependant similaire.
Une pompe à chaleur est composée de 5 éléments principaux :
- Le compresseur
- Bobine de condenseur
- Bobine d’évaporateur
- Valve d’expansion
- Réfrigérant
Le serpentin du condenseur et le compresseur forment ce que l’on appelle l’unité de condensation ou l’unité extérieure. À l’intérieur de la maison, nous avons l’unité d’évaporation.
Des tubes de cuivre (conduites de réfrigérant) sont utilisés pour relier les unités intérieure et extérieure afin de former une boucle fermée. Un réfrigérant circule alors entre le compresseur, le condenseur et l’évaporateur, où il transporte la chaleur d’un composant à l’autre.
Idéalement, un réfrigérant a un point d’ébullition bas et une chaleur latente de vaporisation élevée. Il passe ainsi facilement de l’état liquide à l’état gazeux, puis à nouveau à l’état liquide.
Ce qui suit est un guide étape par étape du fonctionnement d’une pompe à chaleur en été :
1. A l’intérieur de l’unité d’évaporation
Cette unité est parfois également appelée unité de traitement de l’air. Il s’agit essentiellement d’un tuyau de cuivre enroulé en boucles multiples autour d’un cadre en A, bien qu’il puisse parfois prendre d’autres formes.
Le réfrigérant pénètre dans le serpentin d’évaporation sous la forme d’un liquide très froid. L’air intérieur chaud est alors aspiré par le ventilateur de l’évaporateur et passe sur le serpentin.
Le réfrigérant absorbe la chaleur de l’air intérieur et c’est ainsi qu’il le refroidit. L’air refroidi est ensuite renvoyé dans la maison.
Comme je l’ai mentionné précédemment, les réfrigérants ont un point d’ébullition très bas. Après avoir absorbé la chaleur de l’air intérieur, le réfrigérant s’évapore (se transforme en gaz) et sort du serpentin d’évaporation.
2. L’intérieur du compresseur
Le gaz réfrigérant chauffé à basse pression entre dans le compresseur où nous devons le comprimer (augmenter sa pression). Et pourquoi devons-nous comprimer le réfrigérant ?
À ce stade, nous voulons évacuer la chaleur que le réfrigérant a absorbée à l’intérieur vers l’extérieur. Cependant, ce serait en hiver, ce qui signifie que l’air extérieur est également chaud.
En thermodynamique, la chaleur est transférée d’un point de forte concentration à un point de faible concentration. Il faut donc créer un différentiel de température pour que le réfrigérant libère la chaleur dans l’environnement.
Heureusement, lorsque vous comprimez le réfrigérant, ce n’est pas seulement sa pression qui augmente. Sa température augmente également.
Un compresseur augmente donc la pression et la température du réfrigérant par rapport à l’air extérieur.
3. À l’intérieur du serpentin du condenseur
Le réfrigérant pénètre dans le serpentin du condenseur sous la forme d’un gaz à haute pression et à haute température. Le serpentin du condenseur ressemble au serpentin de l’évaporateur, à ceci près qu’il est plus grand et de forme cubique.
La température du fluide frigorigène étant désormais plus élevée que celle de l’air ambiant, le fluide frigorigène peut maintenant libérer la chaleur dans l’air ambiant. Un ventilateur permet d’augmenter le taux d’échange de chaleur.
Le ventilateur du condenseur souffle de l’air plus frais sur le serpentin. L’air plus froid absorbe la chaleur du réfrigérant et l’expulse à l’extérieur de l’unité, ce qui explique pourquoi vous sentez de l’air chaud soufflé vers vous lorsque vous vous tenez trop près de l’unité de condensation.
Après avoir perdu la majeure partie de sa chaleur, le réfrigérant sort du condenseur à l’état liquide. En d’autres termes, le réfrigérant s’est condensé.
4. Le détendeur
Juste avant que le réfrigérant ne pénètre dans le serpentin de l’évaporateur, il passe d’abord par un détendeur. Un détendeur est en fait une petite ouverture ou une restriction qui a deux fonctions.
Tout d’abord, le détendeur contrôle la quantité de réfrigérant entrant dans l’évaporateur. En effet, tout le réfrigérant entrant dans l’évaporateur doit se vaporiser (devenir un gaz) avant d’entrer dans le compresseur.
Si une trop grande quantité de réfrigérant entre dans le serpentin de l’évaporateur, il ne se vaporisera pas entièrement, ce qui signifie qu’une partie du réfrigérant entrera dans le compresseur sous forme liquide. Étant donné qu’un compresseur n’est conçu que pour comprimer des gaz, les liquides à l’intérieur l’endommageront.
Deuxièmement, un détendeur est utilisé pour abaisser la température du réfrigérant. Pour ce faire, il réduit la pression du fluide frigorigène.
Lorsque le fluide frigorigène traverse le détendeur, sa pression est considérablement réduite. Une réduction de la pression signifie également une réduction de la température.
C’est ainsi qu’une pompe à chaleur fonctionne en été pour rafraîchir votre maison.
Comment fonctionne une pompe à chaleur en hiver
Pendant les mois d’hiver, une pompe à chaleur fonctionne de la même manière qu’en été, à ceci près que le fluide frigorigène est forcé de changer de sens de circulation. Cela est possible grâce à un dispositif connu sous le nom de vanne d’inversion.
Au lieu que le réfrigérant circule du serpentin de l’évaporateur au compresseur puis au serpentin du condenseur, il circule du serpentin de l’évaporateur au serpentin du condenseur puis au compresseur.
Voyons maintenant, étape par étape, comment fonctionne une pompe à chaleur en hiver.
1. A l’intérieur du serpentin du condenseur
Lorsqu’il est utilisé pour chauffer la maison, le réfrigérant d’une pompe à chaleur pénètre dans le serpentin du condenseur sous la forme d’un liquide froid. La nature froide du fluide frigorigène est obtenue en le faisant passer par une série de vannes d’expansion où sa pression est réduite, ce qui diminue également sa température.
Note: Bien que la température extérieure soit froide en hiver, elle contient encore beaucoup d’énergie thermique. En abaissant la température du réfrigérant, un différentiel de température est créé, ce qui signifie que la chaleur est transférée de l’air extérieur au réfrigérant.
C’est exactement ce qui se passe lorsqu’une pompe à chaleur est utilisée pour le chauffage. La température du fluide frigorigène est abaissée bien en dessous de celle de l’air ambiant pour permettre l’échange de chaleur entre les deux milieux.
Le ventilateur du condenseur souffle l’air extérieur « plus chaud » sur le serpentin du condenseur, toujours pour accélérer le taux d’échange de chaleur. La chaleur de l’air extérieur est absorbée par le réfrigérant qui, comme je l’ai mentionné, a un point d’ébullition très bas.
Après avoir absorbé suffisamment de chaleur, le réfrigérant passe de l’état liquide à l’état gazeux (évaporation).
2. À l’intérieur du compresseur
Le compresseur reçoit le réfrigérant du serpentin du condenseur sous la forme d’un gaz à basse pression. Ici encore, la fonction du compresseur est de comprimer le gaz frigorigène et, ce faisant, d’augmenter sa température.
Après compression, le gaz réfrigérant est éjecté du compresseur sous la forme d’un gaz surchauffé à haute pression.
3. À l’intérieur du serpentin d’évaporation
Lorsque le gaz réfrigérant chaud pénètre dans le serpentin d’évaporation (à l’intérieur de la maison), le ventilateur de l’évaporateur aspire l’air intérieur froid de la maison et le fait passer à travers le serpentin d’évaporation chaud.
L’air intérieur absorbe la chaleur du réfrigérant et c’est ainsi que la pompe à chaleur est utilisée pour chauffer la maison.
Après avoir perdu de la chaleur dans l’air intérieur, le réfrigérant se condense (se transforme en liquide) et est éjecté de l’évaporateur. Il retourne ensuite dans le serpentin du condenseur et le processus se répète encore et encore.
Voilà brièvement comment une pompe à chaleur fonctionne en hiver pour chauffer la maison.
Pompe à chaleur : chauffage d’appoint et chauffage de secours
Comme je l’ai mentionné, les pompes à chaleur sont conçues avec une source de chaleur secondaire à l’esprit. La source de chaleur secondaire devient importante lorsque la température extérieure chute bien en dessous du point où la pompe à chaleur est efficace et aussi si la pompe à chaleur tombe complètement en panne.
La pompe à chaleur se présente généralement sous la forme d’un chauffage par résistance électrique. Certaines pompes à chaleur utilisent toutefois le gaz naturel (dans un four) comme source de chaleur secondaire.
La différence entre le chauffage d’appoint et le chauffage de secours est un sujet de confusion pour la plupart des propriétaires. Je vais les expliquer ici.
Chauffage d’appoint se met en marche automatiquement lorsque la température de l’air intérieur baisse d’environ 3 degrés par rapport au réglage du thermostat. Il vient compléter temporairement la pompe à chaleur.
En général, le chauffage d’appoint se met en marche lorsque la température extérieure descend en dessous de 40 degrés (ou parfois 35 degrés). À ces températures, la pompe à chaleur ne peut pas extraire 100 % de la chaleur nécessaire de l’air extérieur.
Le chauffage d’appoint intervient donc pour aider/compléter la pompe à chaleur et s’éteint de lui-même lorsque la température extérieure augmente.
D’autre part, chauffage d’urgence doit être activé manuellement par le propriétaire. Un bouton est prévu à cet effet sur le thermostat.
Comme son nom l’indique, le chauffage d’urgence ne doit être activé qu’en cas d’urgence. Il peut s’agir d’une panne complète de la pompe à chaleur ou d’un condenseur endommagé par un objet, par exemple un arbre qui s’est écrasé contre lui.
Pompes à chaleur vs air central
Le tableau ci-dessous illustre les principales différences entre les pompes à chaleur et la climatisation centrale :
| Facteur | Rénovation | Liner | Remplacement |
|---|---|---|---|
| Coût | $300-$600 | $850-$2000 | $1300-$7000 |
| Fiabilité | Haut | Faible | Très élevé |
| BRICOLAGE | Oui | Non | Oui |
| Durabilité | Modéré | Cela dépend | Durable |
| Temps nécessaire | 4-5 heures | <2 semaines | 1 jour |
| En fonction des conditions météorologiques | Oui | Non | Non |
| Variété/Options | Non | Oui | Oui |
| Valeur de la maison | Pas de changement | Pas de changement | Augmentations |
Synthèse
Voilà en gros tout ce qu’il faut savoir sur les pompes à chaleur. J’espère que ce guide vous a été utile et qu’il vous a apporté les informations que vous recherchiez.
