Comment fonctionne une pompe à chaleur ?

Une pompe à chaleur est un système de chauffage et de rafraîchissement à faibles émissions de carbone qui déplace la chaleur au lieu de la produire. Elle utilise l’énergie présente dans l’air, le sol ou l’eau pour maintenir un excellent niveau de confort dans votre maison en toute saison. Des facteurs comme le prix de l’énergie, l’isolation du logement et les aides disponibles influencent l’efficacité d’une pompe à chaleur pour votre projet. Le présent article propose un guide complet, étape par étape, sur le fonctionnement des différents types de pompes à chaleur : une compréhension approfondie de la technologie, des composants, des coûts, de l’installation et des avantages globaux.

Qu'est-ce qu'une pompe à chaleur ?

Une pompe à chaleur est un innovant système de chauffage et de rafraîchissement bas carbone assurant un confort domestique en toute saison. Sa popularité ne cesse de croître à mesure que nos sociétés s’éloignent des combustibles fossiles pour se tourner vers des alternatives renouvelables. Des facteurs tels que la hausse des coûts de l’énergie, les politiques de décarbonation et les incitations gouvernementales ont contribué à la vente de plus de 20 millions d’unités dans le monde en 2023.

Les pompes à chaleur offrent à la fois des avantages environnementaux et économiques. Elles peuvent permettre jusqu’à 75 % de réduction des émissions de gaz à effet de serre d’un foyer lorsqu’elles sont alimentées par de l’électricité renouvelable. Elles présentent des coûts de fonctionnement plus faibles sur leur durée de vie.

Contrairement aux chaudières traditionnelles qui brûlent des combustibles fossiles, les pompes à chaleur extraient l’énergie thermique de l’air, du sol ou de l’eau, puis la transfèrent à l’intérieur pour générer un chauffage et produire de l’eau chaude de manière plus durable.

Mais ce n'est pas tout. Leur conception à double fonction permet d’inverser le processus de chauffage pour offrir également de la climatisation en été, permettant ainsi d’obtenir chauffage, eau chaude et climatisation à partir d’un seul système compact.

Cette polyvalence, combinée à leur efficacité et leur durabilité, transforme la manière dont les propriétaires envisagent le confort domestique, faisant de la pompe à chaleur la technologie de référence pour l’avenir du chauffage et de la climatisation résidentiels.

Les bases de la pompe à chaleur : déplacer la chaleur plutôt que la produire

Le véritable génie d’une pompe à chaleur réside dans sa capacité à déplacer la chaleur plutôt qu’à devoir la produire. Alors qu’une chaudière à gaz doit créer de la chaleur en brûlant des combustibles fossiles, une pompe à chaleur extrait l’énergie thermique présente dans l’air, le sol ou l’eau, puis la transfère de l’extérieur vers l’intérieur, même avec des températures extérieures basses.

Le fonctionnement est très similaire à celui d'un réfrigérateur, mais inversé. Alors qu'un réfrigérateur extrait la chaleur de son compartiment intérieur pour la rejeter dans la cuisine (en laissant l’air frais à l’intérieur), une pompe à chaleur puise la chaleur à l'extérieur pour la diffuser dans la maison.

Parce qu’elle utilise une chaleur déjà présente, une pompe à chaleur est fondamentalement plus efficace que les systèmes qui brûlent du combustible. Vous pouvez en apprendre plus sur les différences entre pompes à chaleur et chaudières ici.

Cela signifie que pour 1 kWh d’électricité consommée, vous obtenez 3 à 5 kWh d’énergie thermique, soit plus de cinq fois l’énergie absorbée.

Cette efficacité se traduit par des économies d’énergie importantes pour les propriétaires, en particulier dans les logements bien isolés, ce qui explique pourquoi les pompes à chaleur deviennent la technologie privilégiée pour le chauffage résidentiel dans le monde entier.

Les principaux composants d’une pompe à chaleur

Chaque pompe à chaleur résidentielle est composée de quatre éléments essentiels qui rendent possible le processus de transfert de chaleur :

• Réfrigérant - le fluide caloporteur qui alimente le cycle
• Échangeur de chaleur – l’évaporateur absorbe la chaleur de la source, tandis que le condenseur la libère dans l’habitation
• Compresseur – augmente la pression et la température du réfrigérant
• Vanne de détente – réduit la pression pour relancer le cycle

Étape par étape : comment fonctionne une pompe à chaleur

Une pompe à chaleur fonctionne selon un cycle continu en quatre étapes.

• Étape 1 : Le réfrigérant dans l’évaporateur absorbe la chaleur en provenance de l’air, du sol ou de l’eau, et s’évapore.
• Étape 2 : Le compresseur augmente la pression et la température du réfrigérant, intensifiant ainsi son contenu énergétique.
• Étape 3 : Cette chaleur concentrée est transférée dans le circuit frigorifique ou hydraulique du bâtiment via le condenseur.
• Étape 4 : La vanne de détente abaisse la pression et la température du réfrigérant, afin qu’il soit prêt à recommencer tout le cycle.

En mode climatisation / rafraîchissement, le processus est inversé.

Types de pompes à chaleur : systèmes aérothermiques, géothermiques, hydrothermiques et hybrides

Il existe trois types principaux de pompes à chaleur, selon l’endroit où elles puisent leur énergie : l’air, le sol et l’eau. Il existe également une option hybride, qui combine une pompe à chaleur avec une chaudière traditionnelle pour une solution de transition flexible.

Pompes à chaleur aérothermiques (PACa)

Les pompes à chaleur aérothermiques extraient l'énergie thermique ambiante présente dans l'air extérieur, même par températures largement négatives, et la transforment en chauffage domestique efficace. Elles peuvent être de type air-air (connectées à des unités de climatisation pour le chauffage ou le rafraîchissement de votre habitation), ou de type air-eau (connectées à des émetteurs hydrauliques tels que des radiateurs et des systèmes de chauffage par le sol), et offrent un confort économique en toute saison en utilisant un minimum d’électricité.

Les PACa sont le type de pompe à chaleur le plus couramment utilisé pour les habitations, car elles sont généralement très faciles à installer : deux unités (une intérieure et une extérieure) suffisent, sans travaux structurels majeurs.

Un autre avantage majeur est leur performance énergétique. Les pompes à chaleur aéothermiques modernes intégrant la technologie Inverter peuvent produire jusqu’à cinq fois plus d’énergie thermique que l’électricité qu’elles consomment.

Pompes à chaleur géothermiques (PACg)

Les pompes à chaleur géothermiques exploitent les températures plus stables du sol, généralement comprises entre 0 à 10 °C, pour assurer un chauffage et un rafraîchissement résidentiels efficaces. Elles offrent des performances remarquablement constantes tout au long de l’année, avec une efficacité atteignant parfois 400 %.

Les PACg peuvent permettre jusqu’à 40 à 60 % de réduction des coûts de chauffage, avec des équipements dont la durée de vie dépasse souvent 20 ans. Leurs principaux défis sont leur complexité et leur coût, car l’installation nécessite la réalisation de tranchées pour l’enfouissement des boucles géothermiques ou la réalisation de forages verticaux.

Cependant, pour les propriétaires qui misent sur le long terme, les promoteurs construisant des logements bas carbone ou les régions aux hivers très rudes (jusqu’à -30 °C), l’investissement dans une PACg est rentable en raison des coûts d’exploitation plus faibles, de la grande fiabilité et des pratiques de construction plus durables.

Pompes à chaleur hydrothermiques (PACh)

Les pompes à chaleur hydrothermiques extraient l’énergie thermique de plans d’eau tels que des lacs, des étangs ou des puits en boucle fermée pour assurer le chauffage et le rafraîchissement des bâtiments.

Elles figurent parmi les solutions de chauffage et de rafraîchissement bas carbone les plus efficaces, surtout lorsqu’elles sont configurées en unités modulaires autonomes pouvant desservir des zones individuelles.

Ces systèmes offrent un contrôle précis de la température et des coûts d’exploitation saisonniers faibles, ce qui les rend idéalement adaptés aux complexes résidentiels ou aux bâtiments à usage mixte.

Pompes à chaleur hybrides

Les pompes à chaleur peuvent être connectées à des chaudières à gaz existantes, permettant aux propriétaires de réduire leur consommation de gaz sans remplacer tout leur système de chauffage.

Dans une configuration hybride, la pompe à chaleur gère efficacement l'essentiel du chauffage quotidien, tandis que la chaudière prend le relais lors des pics de demande ou en cas de froid extrême. Les systèmes de chauffage hybrides utilisent souvent la chaudière à gaz pour la production d'eau chaude sanitaire, ce qui évite la nécessité d’installation d’un ballon de stockage séparé.

Cette approche à double source optimise automatiquement le système en fonction des conditions : la pompe à chaleur assure le chauffage lorsque les températures sont clémentes ou que l'électricité est moins chère, tandis que la chaudière offre une assistance fiable par temps rigoureux.

Elles sont idéales pour les régions aux hivers modérés, ou simplement pour aider les usagers à commencer à réduire leur dépendance aux combustibles fossiles.

Pompes à chaleur air-eau vs. air-air

Caractéristique	Pompe à chaleur air-eau	Pompe à chaleur air-air
Fonction principale	Production d’eau chaude pour radiateurs, systèmes de chauffage par le sol et ballons de stockage	Chauffage ou rafraîchissement direct de l’air dans les espaces de vie
Type de chauffage	Chauffage rayonnant basse température	Chauffage et rafraîchissement instantanés de l’air
Fonction de rafraîchissement	Nécessite généralement un système séparé	Fonction de rafraîchissement intégrée
Complexité d’installation	Complexité supérieure en raison de la plomberie	Système plus simple et plus compact
Intégration au système existant	Nécessite des radiateurs ou un système de chauffage par le sol existants	Peut être installé en configuration monozone ou multizone
Espace requis	Système plus encombrant, place nécessaire pour le ballon d’eau chaude/la tuyauterie	Système compact, aucun ballon d’eau chaude nécessaire
Production d’eau chaude	Fonctionnalité standard	Fonctionnalité en option, si le fabricant permet le raccordement à un ballon d’eau chaude
Système idéal pour	Les logements nécessitant un chauffage basse température confortable	Les logements nécessitant un chauffage et un rafraîchissement rapides et flexibles

Quelle est l’efficacité des pompes à chaleur ? Comprendre le SCOP

La performance des pompes à chaleur est mesurée à l’aide du coefficient de performance saisonnier (SCOP). Le SCOP indique l’efficacité d’une pompe à chaleur sur l’ensemble d’une saison de chauffage en comparant l’énergie thermique produite à l’énergie électrique consommée ou, en d'autres termes, ce qui sort du système par rapport à ce qui y est injecté.

Par exemple, si 1 kWh d’électricité est utilisé pour générer 4 kWh d’énergie thermique, le SCOP est de 4, ce qui représente une efficacité de 400 %.

Il existe également des opérations simples qui peuvent être réalisées pour assurer le fonctionnement optimal d’une pompe à chaleur. Découvrez dans l’article suivant cinq façons d’optimiser votre pompe à chaleur air-air.

Efficacité des pompes à chaleur par rapport aux chaudières gaz et aux systèmes de chauffage électrique

Si vous envisagez de passer à une pompe à chaleur, il est utile de comprendre comment elle se compare à votre chaudière gaz actuelle ou à un système électrique à résistance, en termes de performance énergétique. Le SCOP est un excellent outil pour effectuer cette comparaison.

Une pompe à chaleur Daikin, par exemple, peut convertir 300 à 400 % de l’énergie consommée, avec une production type comprise entre 3 à 4 kWh d’énergie thermique pour 1 kWh d’électricité.

À l’inverse, les chaudières gaz à condensation modernes fonctionnent avec des efficacités bien inférieures, généralement comprises entre 99 et 109 %.

Chauffage et climatisation (rafraîchissement) avec un seul système

Comme mentionné précédemment, l’un des grands avantages d’une pompe à chaleur est la possibilité d’inversion de son fonctionnement pour assurer un rafraîchissement efficace en été et éliminer ainsi la nécessité de recours à un système de climatisation séparé.

C’est la solution idéale pour les pays européens où le chauffage et le rafraîchissement sont nécessaires en toute saison, notamment avec la hausse constante des températures estivales. Pour optimiser la consommation d’énergie en été, les pompes à chaleur peuvent généralement être facilement couplées à des panneaux solaires.

Réfrigérants et sécurité avec les pompes à chaleur

Les réfrigérants sont les agents thermiques qui permettent le transfert d’énergie thermique lors de leur passage de l’état liquide à l’état gazeux, et inversement. Ces composés spécialisés circulent dans les batteries de l’échangeur de chaleur, où ils s'évaporent à basse pression pour absorber la chaleur et se condensent à haute pression pour la libérer ailleurs.

Les exigences de sécurité varient selon le type de fluide, c'est pourquoi les techniciens de pompes à chaleur doivent être certifiés et compétents dans les procédures de manipulation appropriées.

Aides financières et incitations pour les pompes à chaleur

Dans le cadre de leurs objectifs de neutralité carbone, de nombreux gouvernements européens ont mis en place des subventions et incitations financières pour aider les propriétaires à couvrir les coûts initiaux d’installation d’une pompe à chaleur.

Les critères d’éligibilité et les montants des aides varient selon les pays. Pour en savoir plus, reportez-vous à notre guide sur les programmes locaux d’aides pour les pompes à chaleur.

Exigences d’installation d’une pompe à chaleur

Bien que les exigences varient selon le type de pompe à chaleur, nous allons nous concentrer ici sur les pompes à chaleur aérothermiques (PACa), qui sont les systèmes les plus courants dans les habitations.

• Bruit : L’unité extérieure des PACa modernes émet généralement entre 40 et 60 décibels, soit l’équivalent d’une conversation calme. Il convient toutefois de bien réfléchir à son emplacement afin de limiter l’impact visuel et sonore pour le voisinage.
• Autorisations d’urbanisme : Les réglementations européennes autorisent généralement l’installation de pompes à chaleur dans le cadre des droits de développement autorisés, mais il est important de vérifier auprès de votre autorité locale d’urbanisme les règles précises relatives à la taille des unités et aux distances par rapport aux limites de propriété. Des autorisations supplémentaires peuvent être requises pour les bâtiments classés ou les sites historiques.
• Espace intérieur : Les unités intérieures sont généralement de taille comparable à celle d’une chaudière classique. Un ballon d’eau chaude peut être nécessaire pour la production d’eau chaude sanitaire.
• Niveaux d’isolation : Un calcul professionnel des déperditions thermiques garantit le dimensionnement de votre système pour votre logement ainsi que ses niveaux d’isolation. Une bonne isolation globale favorise l’optimisation de l’efficacité d’une pompe à chaleur.
• Installateurs certifiés : Dans la plupart des pays, l’installation doit être réalisée par des professionnels certifiés, notamment pour pouvoir bénéficier des subventions. Trouvez un installateur certifié Daikin près de chez vous.

Commandes intelligentes et zonage

Un autre avantage des pompes à chaleur est qu’elles peuvent être intégrées à des systèmes domotiques, tels que Google Home, afin de gérer votre confort domestique en fonction de votre mode de vie.

Vous pouvez créer des programmes personnalisés, ajuster les réglages à distance, chauffer différentes zones de votre habitation de façon indépendante et surveiller votre consommation d’énergie en temps réel.

Les systèmes avancés ajustent automatiquement les températures de départ en fonction des conditions météorologiques, maximisant ainsi l’efficacité sans aucune intervention de votre part.

Découvrez-en davantage sur les options Daikin de commande intelligente et apprenez comment elles peuvent simplifier votre confort quotidien.

Coûts des pompes à chaleur

Le coût d’achat et d’installation d’une pompe à chaleur peut fortement varier en fonction du type choisi. Cependant, les coûts d’exploitation sont très compétitifs, avec des périodes d’amortissement moyennes de 5 à 10 ans, en fonction du climat, des prix de l’énergie et des subventions disponibles.

Évaluez vos économies potentielles avec cette comparaison indicative des coûts de fonctionnement d’une pompe à chaleur vs. chaudière.

Maintenance et durée de vie d’une pompe à chaleur

La maintenance et la durée de vie sont deux aspects souvent négligés, mais essentiels pour comprendre le fonctionnement et le coût réel d’une pompe à chaleur.

Les pompes à chaleur aérothermiques fabriquées en Europe ont généralement une durée de vie de 15 à 20 ans, tandis que les systèmes géothermiques peuvent atteindre 25 ans, soit le double de la durée de vie moyenne des chaudières gaz.

Elles sont extrêmement robustes et nécessitent par conséquent un entretien et des réparations minimum. Un entretien professionnel annuel est recommandé pour réaliser les tâches essentielles, telles que la vérification des niveaux de réfrigérant, le nettoyage des batteries et des filtres, et le calibrage du système, le cas échéant. Ces contrôles de routine garantiront le fonctionnement optimal de votre équipement ainsi qu’une longue durée de vie.

Votre logement est‑il adapté à une pompe à chaleur ?

Les pompes à chaleur fonctionnent très bien dans une grande variété de logements, depuis les constructions neuves jusqu’aux bâtiments historiques rénovés.

Nouvelles constructions La construction d’une maison neuve vous donne la flexibilité de pouvoir concevoir un système de confort domestique optimal, incluant une combinaison avec des énergies renouvelables (solaire photovoltaïque, batteries, bornes de recharge VE).

Rénovation : Les pompes à chaleur peuvent être installées après coup dans de nombreux types de logements : maisons individuelles, maisons mitoyennes, appartements, etc.

Zones rurales : Les pompes à chaleur constituent une solution idéale pour les habitations rurales non raccordées au gaz, car elles éliminent la dépendance au fioul et réduisent fortement les coûts de chauffage.

Pour en savoir plus, consultez notre guide d’adéquation des pompes à chaleur pour les logements existants.

Pompes à chaleur et réduction des émissions de carbone

Bien entendu, l’une des principales raisons pour lesquelles l’adoption des pompes à chaleur est aujourd’hui encouragée réside dans leur émissions de gaz à effet de serre nettement inférieures à celles des systèmes de chauffage à combustibles fossiles.

Le Centre commun de recherche de l'UE estime que le remplacement d'un tiers des 86 millions de chaudières résidentielles à combustible fossile en Europe par des pompes à chaleur pourrait réduire la consommation finale d'énergie des ménages de 36 % et les émissions de CO₂ de 28 %.

Les installations actuelles de pompes à chaleur en Europe permettent déjà d'éviter chaque année la consommation de 5,5 milliards de mètres cubes de gaz et l'émission de 112 mégatonnes de CO₂.

Combinaison avec des sources d'énergie renouvelables

Pour réduire réellement vos coûts énergétiques et votre dépendance aux combustibles fossiles, vous pouvez envisager de combiner votre pompe à chaleur à d'autres sources d'énergie renouvelables.

L'ajout de panneaux solaires photovoltaïques et d'un système de stockage par batterie, par exemple, permet de créer des maisons quasi zéro énergie, tout en offrant des économies et une indépendance énergétique exceptionnelles.

Les ménages européens combinant le solaire photovoltaïque et une pompe à chaleur ont économisé entre 62 % et 84 % sur leurs factures d'énergie en 2022, avec des économies atteignant 3 700 € par an en Allemagne, en Espagne et en Italie.

Étude de cas : maison familiale chauffée par une pompe à chaleur

La famille Schmidt, en Bavière, a remplacé en 2023 sa chaudière gaz de 15 ans par une pompe à chaleur aérothermique Daikin, ce qui lui a permis d’obtenir des améliorations remarquables en termes de confort et d'économies.

Leur maison individuelle de 150 m² construite en 1995 et avec une isolation récemment améliorée consommait 18 000 kWh/an pour le chauffage, pour un coût de 1 800 €. Non seulement leur pompe à chaleur a bénéficié d’un coût d’installation de 4 500 € au lieu des 12 000 € initiaux grâce aux aides de la KfW allemande, mais elle consomme maintenant 6 000 kWh d'électricité par an seulement.

Avec leur tarif d'énergie verte à 0,28 €/kWh, les coûts de chauffage annuels sont désormais de 1 680 €.

La famille bénéficie désormais d’une température homogène dans toute la maison, avec en prime un rafraîchissement estival qui élimine la nécessité de recours à des systèmes de climatisation portables. Mme Schmidt apprécie particulièrement la commande via application mobile qui lui permet de régler le chauffage avant de rentrer du travail.

Seules de légères mises à niveau des thermostats ont été nécessaires pour intégrer le système aux radiateurs existants, et l'installation complète a été réalisée en deux jours seulement.

Démystification des idées reçues sur les pompes à chaleur

Certains mythes persistent, bien qu'ils soient infondés ou que la technologie ait évolué. Vous trouverez ci-après trois mythes courants.

Mythe : Les pompes à chaleur ne fonctionnent pas sous climat froid.
Réalité : Il y a de la chaleur dans l'air jusqu'à 1 Kelvin (-273 °C). Les pompes à chaleur modernes pour climats froids fonctionnent efficacement jusqu'à -28 °C grâce aux compresseurs à vitesse variable et à la technologie d’injection de vapeur. Elles sont d’ailleurs très répandues en Suède, en Finlande et en Norvège, où 40 % des foyers en sont équipés.

Mythe : Les pompes à chaleur sont trop chères.
Réalité : Les gens ne prennent pas toujours en compte les économies à long terme offertes par les pompes à chaleur, ni les différents programmes de subventions qui permettent de réduire l’investissement initial. Les coûts annuels d’exploitation et de maintenance des pompes à chaleur sont inférieurs à ceux des chaudières gaz, par exemple.

Mythe : Les pompes à chaleur ne peuvent pas produire d’eau chaude.
Réalité : Les pompes à chaleur peuvent être intégrées à des ballons d’eau chaude existants pour chauffer l’eau sanitaire jusqu’à 75 °C.

Forum aux questions sur les pompes à chaleur

Nous avons déjà couvert beaucoup de points dans cet article, mais voici pour finir quelques questions qui nous sont régulièrement posées.

Comment une pompe à chaleur fonctionne‑t‑elle par temps glacial ?
Les pompes à chaleur européennes modernes mettent en œuvre des compresseurs à vitesse variable et des systèmes d’injection de vapeur qui leur permettent de fonctionner efficacement jusqu’à -28 °C.

Une pompe à chaleur peut‑elle produire de l’eau chaude tout en chauffant les pièces ?
Oui. Les pompes à chaleur assurent efficacement le chauffage d’ambiance et la production d’eau chaude sanitaire, généralement jusqu’à 75 °C.

Dois‑je remplacer tout mon système de chauffage ?
Non. La plupart des installations fonctionnent avec les radiateurs et la tuyauterie existants, même si certains radiateurs peuvent nécessiter une mise à niveau pour une efficacité optimale.

Qu’en est‑il du coût de l’électricité pour une pompe à chaleur ?
Avec une efficacité de 300 à 400 %, une pompe à chaleur utilise trois à quatre fois moins d’énergie qu’un dispositif de chauffage électrique. Combinée à des tarifs heures creuses et à des panneaux solaires, ses coûts d’exploitation sont généralement moins inférieurs au chauffage au gaz.

Les pompes à chaleur sont‑elles bruyantes\ ?
Les unités modernes génèrent environ 38 décibels à trois mètres de distance en régime normal, ce qui est plus silencieux que la plupart des conduits de chaudières à gaz et comparable à un chuchotement.

Points clés à retenir : comment fonctionne une pompe à chaleur ?

Les pompes à chaleur façonnent l’avenir du chauffage domestique en Europe, offrant un confort constant tout en réduisant fortement les émissions de carbone et les coûts énergétiques. En déplaçant la chaleur existante plutôt qu’en la générant, elles représentent l’une des solutions les plus intelligentes et les plus efficaces pour un habitat durable. À mesure que la technologie progresse et que leur adoption se généralise, elles sont appelées à jouer un rôle encore plus central dans la création de logements abordables et respectueux du climat pour l'avenir.

• Elles assurent un chauffage et un rafraîchissement bas carbone efficaces en déplaçant la chaleur plutôt qu'en la produisant.
• Les différents types (aérothermiques, géothermiques, hybrides) disponibles offrent des solutions flexibles pour presque tous les logements.
• Les pompes à chaleur peuvent réduire considérablement les émissions de CO₂ des foyers, surtout lorsqu’elles sont associées à des énergies renouvelables.
• Elles redéfinissent le confort durable des habitations.

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