Comment une pompe à chaleur chauffe-t-elle avec de l'air froid ?

La machine fait remonter la chaleur

Entre deux corps à des températures différentes, un transfert spontané de chaleur se fait du plus chaud vers le plus froid. Une tasse chaude se refroidit dans la cuisine ; la cuisine ne réchauffe pas spontanément la tasse au-dessus de sa propre température.

Pour chauffer une maison à partir d'un air extérieur plus froid, il faut organiser le transfert en plusieurs étapes. Le circuit frigorifique crée d'abord une zone encore plus froide que cet air, afin de pouvoir y absorber de l'énergie. Puis le compresseur permet d'atteindre un niveau de température suffisamment élevé pour céder cette énergie au logement. Le guide technique de Ressources naturelles Canada décrit ces échanges et leurs composants. [S05]

Le compresseur utilise de l’électricité pour faire ce travail. Les ventilateurs et les pompes qui font circuler l’eau en consomment aussi. La facture doit compter l’ensemble.

À l'évaporateur, le fluide absorbe de l'énergie

Le fluide frigorigène n'est pas simplement de l'eau de chauffage. On le choisit pour qu’il puisse s’évaporer et se condenser aux températures utiles à la machine. Dans l’évaporateur d’une PAC air-eau ou air-air, l'air extérieur passe sur un échangeur ; le fluide, plus froid, reçoit de la chaleur et s'évapore.

L'évaporation absorbe de l'énergie. Le mécanisme évoque le refroidissement d'une peau mouillée : lorsque l'eau s'évapore, elle emporte de la chaleur. Dans la machine, toutefois, la substance circule dans un circuit conçu pour répéter le processus, avec des pressions contrôlées.

L'air sortant de l'unité extérieure peut ainsi être plus froid que l'air entrant. Le ventilateur renouvelle la source disponible autour de l'échangeur. Une grille obstruée ou un emplacement où l'air refroidi revient vers l'entrée pénalise ce travail, car l'appareil récupère moins facilement l'énergie attendue. [S18]

Le compresseur prépare une chaleur utilisable

La vapeur rejoint ensuite le compresseur. Celui-ci augmente sa pression et sa température. Une pompe à vélo qui chauffe pendant le gonflage donne une image partielle de cette compression ; le fonctionnement frigorifique suit cependant un cycle propre au fluide et à la machine.

À la sortie, la vapeur peut céder de la chaleur à un milieu plus froid qu'elle. Dans une PAC air-eau, ce milieu est l'eau qui alimente les radiateurs ou le plancher. Dans une PAC air-air, c'est l'air intérieur traversant l'échangeur de l'unité installée dans la pièce.

Le compresseur est donc le passage qui rend la chaleur extérieure utilisable à l'intérieur. Lui demander une température de sortie plus élevée augmente généralement la difficulté du transfert. Cela explique l'intérêt des émetteurs capables de chauffer avec une eau relativement tiède. [S04]

Le condenseur restitue, le détendeur prépare le retour

En cédant de la chaleur au logement, le fluide se condense : il passe de la vapeur au liquide dans le condenseur. Son énergie thermique est transférée à l'eau ou à l'air, tandis que le circuit frigorigène demeure séparé du circuit de distribution.

Le liquide traverse ensuite le détendeur, qui abaisse sa pression. Une partie peut se vaporiser au cours de cette détente et le mélange atteint un niveau de température permettant un nouveau prélèvement de chaleur à l'évaporateur. Le cycle recommence. Il ne faut pas imaginer un réservoir de chaleur qui se vide ; le fluide sert de transporteur et repasse continuellement par les mêmes fonctions.

Les rôles des échangeurs peuvent être inversés dans une machine réversible. En été, l'appareil retire alors de la chaleur à l'intérieur et la rejette dehors. Cette inversion explique le lien entre chauffage par PAC et climatisation ; elle ne garantit pas que tous les émetteurs hydrauliques conviennent au refroidissement. [S19]

Pourquoi peut-on recevoir trois fois l'électricité consommée ?

Prenons un bilan simplifié : le compresseur et les équipements inclus consomment 1 kWh électrique, la machine prélève 2 kWh dans l'environnement et elle fournit 3 kWh de chaleur. L'énergie se conserve : 1 + 2 = 3. Aucune multiplication mystérieuse n'a eu lieu.

Le coefficient de performance vaut alors 3. Cette grandeur compare la chaleur fournie à l'électricité utilisée pour le transfert. Un radiateur électrique à résistance, lui, transforme directement l'électricité en chaleur dans la pièce, sans prélèvement organisé dans une source extérieure.

Dans une maison, ce rapport change avec les températures et le fonctionnement. La différence entre COP et SCOP permet de séparer un point d'essai de l'ensemble d'une saison. Un chiffre supérieur à un ne contredit pas la conservation de l'énergie : le dénominateur ne compte que l'électricité, pas toute l'énergie reçue depuis l'environnement.

Le froid change la difficulté, pas le principe

Lorsque la température extérieure baisse, la source devient moins favorable et la maison perd généralement davantage de chaleur. La machine doit donc faire un transfert plus exigeant tout en répondant à une demande accrue. Sa puissance disponible et son efficacité ne suivent pas forcément la même évolution.

L'humidité ajoute une autre difficulté : si l'échangeur extérieur est assez froid, de l'eau peut s'y condenser puis geler. Le dégivrage libère les passages d'air et les surfaces d'échange, au prix d'une interruption ou d'une modification temporaire du chauffage. Ces phases font partie du fonctionnement saisonnier ; elles ne doivent pas être oubliées dans l'estimation énergétique. [S06]

Le même mécanisme peut servir à une pompe à chaleur dédiée à l'eau chaude sanitaire. Les températures visées et le milieu de prélèvement diffèrent alors du chauffage des pièces. C'est pourquoi un résultat obtenu sur un ballon thermodynamique ne s'applique pas automatiquement à une PAC de chauffage.

Déplacer de la chaleur reste donc un travail, même quand la source est gratuite. Le choix de l’installation consiste à rendre ce travail aussi facile que possible : moins de pertes dans la maison, une eau assez tiède et des réglages adaptés. Le plafond physique de Carnot permet de voir pourquoi ces décisions changent le résultat.

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