Une pompe à chaleur (PAC), aussi appelée thermopompe en français canadien., est un dispositif permettant de transférer de l'énergie thermique d'un milieu à basse température (source froide) vers un milieu à haute température (source chaude). Ce dispositif permet donc d'inverser le sens naturel du transfert spontané de l'énergie thermique.

Selon le sens de fonctionnement du dispositif de pompage, une pompe à chaleur peut être considérée comme un système de chauffage, si l'on souhaite augmenter la température de la source chaude, ou de réfrigération, si l'on souhaite abaisser la température de la source froide. Pour la production de froid, le procédé est à la base de la quasi-totalité des climatiseurs et réfrigérateurs. Pour la production de chaleur, le procédé diffère du chauffage classique, dans lequel un corps est chauffé (par effet Joule, par combustion, ou par tout autre procédé).

Lorsque le dispositif de pompage fournit simultanément chauffage et réfrigération, le système est une thermofrigopompe.

vignette|Éléments extérieurs de pompes à chaleur à usage résidentiel.

Enjeux Les pompes à chaleur sont considérées par divers experts comme l'une des solutions à court terme pour réduire les émissions de gaz à effet de serre provenant de la consommation des logements domestiques citant ...

Selon une étude parue en 2020, même à supposer que le contenu en carbone de l'électricité ne présente pas d'amélioration, il y aurait quand même intérêt à passer aux voitures électriques pour les transports, et aux pompes à chaleur pour les bâtiments..

La croissance de la production d'énergie primaire renouvelable en France depuis 2005 est notamment due à l'essor de la pompe à chaleur. En 2024, la production due à celle-ci représente 28 % de la consommation primaire d’énergies renouvelables pour usage de chaleur en France, et elle est la seule filière à avoir atteint ses objectifs hauts de la PPE à l'horizon 2028. Les effectifs salariés pour la fabrication, l’installation et la maintenance de pompes à chaleur ont triplé entre 2017 et 2022. La France est première d'Europe en quantité de production d'énergie primaire de ce type..

Description

Principe L'expression « pompe à chaleur » regroupe de nombreux dispositifs réalisant des transferts thermiques d'une source froide à bas niveau de température vers un autre milieu à un niveau de température plus élevé à l'aide d'un système thermodynamique.. Les pompes à chaleur peuvent fonctionner selon différents phénomènes physiques, qui sont usuellement regroupés en deux grandes catégories : les technologies à entraînement électrique, qui comprennent les systèmes Stirling, thermoacoustique, magnétique, Peltier, électrochimique et à compression de vapeur, les technologies à entraînement thermique, qui comprennent les systèmes à absorption de gaz, , à injection et radiatif.

Nombre de ces technologies de pompes à chaleur sont au stade de la recherche et développement. Les pompes à chaleur à compression de vapeur sont les seules commercialisées pour le chauffage ou la climatisation des bâtiments. La pompe à chaleur en milieu résidentiel utilise dans tous les cas la compression et la détente d'un gaz..

Les pompes à chaleur équipent également certaines voitures électriques.. Ces dernières ne disposent en effet quasiment pas, au contraire des véhicules thermiques, d'énergie thermique fatale issue du moteur, leur efficacité énergétique (thermodynamique) étant élevée.

Principe du cycle compression-détente de vapeur thumb|Schéma de principe d'un circuit frigorifique. Les pompes à chaleur utilisent un cycle thermodynamique de changement de phase. Ce procédé fait tourner un cycle frigorifique pour transférer de la chaleur de la partie à refroidir (dite « source froide ») vers la partie qui sera réchauffée (dite « source chaude »). Le compresseur est la pompe du circuit qui permet de faire circuler le fluide réfrigérant.

Ce cycle comporte quatre temps : Compression : le réfrigérant à l'état vapeur est comprimé et sort du compresseur à haute pression et haute température ; Condensation : la vapeur très chaude et comprimée passe dans un condenseur (ou échangeur de chaleur), où elle cède de la chaleur au milieu ambiant (l'air de la pièce), ce qui a pour effet de la liquéfier, c'est-à-dire de la passer de l'état vapeur (gazeux) à l'état liquide. Le fluide qui passe à l'état liquide cède de l'énergie (chaleur latente), qui est transférée vers l'extérieur (circuit de chauffage) sous forme de chaleur ; Détente : à la sortie du condenseur, le liquide sous haute pression est détendu en faisant baisser rapidement la pression dans un détendeur, par exemple en faisant circuler le fluide au travers d'un orifice ou au travers d'un capillaire. Cette baisse de pression a pour effet de vaporiser une partie du fluide. À la sortie, le réfrigérant est à son état le plus froid du cycle ; Évaporation : le fluide réfrigérant à présent froid et partiellement vaporisé circule dans un échangeur de chaleur (évaporateur) qui se trouve dans l'ambiance à refroidir. Il soustrait de la chaleur au médium (air) pour le refroidir ; ce faisant, le réfrigérant s'évapore complètement (passage de l'état liquide à l'état gazeux).

Une PAC est dite réversible lorsqu'elle peut au choix rafraîchir un volume (air froid pour une climatisation, ou plancher) ou le chauffer. Dans un tel dispositif, le circuit du fluide caloporteur comprend une vanne à quatre voies permettant d'inverser les fonctions du condenseur et de l'évaporateur.

Sources d'énergie Pour assurer le transfert de chaleur, les pompes à chaleur consomment de l’énergie. Celle-ci est très majoritairement sous forme électrique (elle représente plus de 95 % des cas en France). La deuxième source d'énergie employable est le gaz naturel, dans le cas d'une pompe à chaleur au gaz naturel. Des solutions avec apport total ou partiel d'énergie photovoltaïque ou solaire thermique améliorent l'impact environnemental du système..

Captage thermique Les pompes à chaleur aérothermique puisent l'énergie thermique dans l'air ambiant, tandis que celles à chaleur géothermique la puisent dans le sol..

Coefficient de performance

L'efficacité énergétique d'une pompe à chaleur en mode chauffage est caractérisée par son coefficient de performance (COP), soit le rapport entre la puissance de chauffage et la puissance nécessaire à son fonctionnement à un instant précis. Le COP varie selon la température du milieu dans lequel la pompe à chaleur prend son énergie et selon la température du milieu dans lequel elle la distribue ; plus l'écart de température entre ces deux milieux est élevé et plus le COP est faible. Pour le mode refroidissement des pompes à chaleur, ce coefficient s'appelle « EER » ou « COP froid ».

Le COP est une valeur mesurée par le fabricant de la pompe à chaleur. Pour le chauffage de locaux, la norme EN 14511 définit les conditions de test pour les pompes à chaleur à compresseur électrique : les machines air-eau et air-air doivent être testées à un air extérieur à , les machines eau-eau avec de l'eau à et les pompes à chaleur à eau glycolée-eau avec de l'eau glycolée à .

Pour l'utilisateur final, l'efficacité énergétique de la pompe à chaleur dépend également des autres éléments du système de chauffage, tels que la consommation électrique des pompes de circulation et des systèmes de dégivrage. Le coefficient de performance annuel (COPA) permet de prendre en compte l'intégralité de l'installation pour donner son efficacité sur une période de chauffe ou une année complète de fonctionnement. Il se définit ainsi par le rapport entre l'énergie thermique restituée sur une période et l'énergie consommée par la pompe à chaleur et le reste du système sur cette même période. Il s'agit de l'indice le plus important pour connaître le rendement de la pompe à chaleur.

Coefficient d'efficacité saisonnière La Commission européenne a défini en 2013, par le règlement (UE) , un cadre de calcul d’une , souvent notée « ETAS » (la lettre grecque êta pour l’efficacité, et S pour « saisonnière »). Il s’agit, sur une année donnée et pour des températures moyennes standardisées, du rapport entre la production de chauffage et la consommation d’énergie primaire requise pour la satisfaire. L’ETAS donne donc une estimation de l’efficacité du système de chauffage sur l’année en matière d'énergie primaire. Il doit être obligatoirement supérieur à 111 % pour les pompes à chaleur à moyenne et à haute température, les plus courantes.. À titre d'exemple, un ETAS de 100 % correspondrait à l'efficacité maximum d'un chauffage par énergie primaire directe, comme le gaz ou le fuel. Un chauffage à résistances électriques ne peut avoir une efficacité ETAS supérieure à 38,8 %, c'est-à-dire 1 par rapport au coefficient de conversion d'énergie thermique en électricité, par définition puisqu'il faut d'énergie primaire pour produire électrique (), selon la norme européenne en vigueur..

Mise en œuvre Contrôle qualité : les points sensibles d’une installation Bien choisir et dimensionner une installation est indispensable pour assurer une bonne performance : tous les types de pompe à chaleur ne sont pas forcément adaptés au projet. Des dysfonctionnements dans le dimensionnement, la mise en œuvre et l’entretien peuvent être les causes de détérioration et de réduction de la performance des installations..

Le dimensionnement consiste notamment à : réaliser un état des lieux de l’existant qui comprend visite de site, diagnostic et étude thermique complets ; vérifier la compatibilité entre la puissance électrique et la puissance demandée par la PAC ; penser l’implantation de l’appareil en amont en assurant l’accessibilité à l’ensemble des éléments de l’installation.

La mise en œuvre consiste notamment à : mener un contrôle en continu afin de vérifier la conformité des installations phase par phase ; identifier tous les éléments et afficher des informations sur les fluides frigorigènes ; soigner le calorifugeage des circuits hydrauliques et frigorifiques.

Entretien et durabilité de l’installation Pour atteindre l’objectif d’économie d’énergie et de retour sur investissement recherchés par le choix d’une PAC, un entretien efficace et régulier doit être réalisé, soit par les usagers ou les exploitants, soit en faisant appel à un professionnel (nettoyage de l’échangeur air-réfrigérant, contrôle de l’évacuation des condensats ou changement des filtres de la PAC).

Composants d'une pompe à chaleur Une installation de pompe à chaleur comprend : le circuit de captage de la chaleur, source froide où est puisée l'énergie thermique ; la pompe à chaleur elle-même, constituée de plusieurs composants techniques ; le circuit de diffusion de la chaleur.

Circuit de captage

Pompe à chaleur aérothermique Les pompes à chaleur aérothermiques extraient la chaleur de l'air extérieur pour la restituer à l'air intérieur ou à l'eau. Elles sont de plusieurs types, selon le fluide qu'elles chauffent : pompe à chaleur air/air : l'énergie thermique est transférée de l'air constituant un milieu à l'air constituant un autre milieu ; pompe à chaleur air/eau : l'énergie thermique est transférée de l'air constituant un milieu à l'eau constituant un autre milieu (souvent un circuit caloporteur). Néanmoins, l'eau et l'air ne sont pas les seuls vecteurs employés et employables, tout fluide au sens large peut jouer ce rôle.