Une pompe à chaleur (PAC) est une machine permettant de chauffer un milieu à une certaine température (par exemple une maison à 20°C), à partir d’un milieu qui se trouve à une température plus basse (par exemple le sous-sol, qui se trouve en Suisse à environ 10°C à une profondeur de 10 m). Il s’agit donc d’un transfert de chaleur contre-nature (du froid vers le chaud). Dès lors, pour pouvoir effectuer ce transfert, une PAC consomme une quantité relativement importante d’électricité. C’est cette consommation électrique (et la production d’électricité qu’il y a derrière) qui pose la question du caractère "écologique" ou non de la PAC, qui sera traitée plus bas.
Il faut noter qu’une PAC peut aussi être utilisée pour refroidir (auquel cas on l’appelle machine de froid) : on cherche alors à extraire de la chaleur d’un milieu que l’on veut maintenir froid (par exemple un bâtiment à 26°C en été), en rejetant cette chaleur à une température supérieure (par exemple à 40°C), qui peut être absorbée par l’environnement. C’est exactement sur ce principe que fonctionne un frigo, qui pompe la chaleur de l’intérieur du frigo pour la rejeter dans la pièce (cela se passe en général à l’arrière de l'appareil).
De façon simplifiée, le fonctionnement interne de la PAC est le suivant : à l’intérieur de la PAC, un "fluide frigorigène" circule en boucle fermée entre le milieu froid (où il absorbe de la chaleur à basse température) et le milieu chaud (où il rejette cette chaleur à haute température). En prenant pour exemple le chauffage d’une maison à 20°C à partir d’un sous-sol à 10°C, le cycle du fluide frigorigène se décompose en quatre étapes :
1) Dans un échangeur de chaleur appelé évaporateur, le fluide frigorigène est mis en contact avec le milieu froid (à 10°C). Le fluide frigorigène se trouve alors à l’état liquide, à une température plus froide encore (par exemple 5°C), ce qui lui permet d’absorber la chaleur. Grâce à cette chaleur, le fluide frigorigène s’évapore pour passer à l’état gazeux (de la même façon que le fait de l’eau à 100°C, qui en absorbant de la chaleur va bouillir et se transformer en vapeur d’eau).
2) Le frigorigène qui est maintenant à l’état gazeux passe alors dans un compresseur, ce qui élève sa pression et sa température : c’est exactement le même phénomène que l’air dans une pompe à vélo, qui chauffe à cause de la compression.
3) Ce gaz chaud (à 35°C) et à haute pression est alors mis en contact avec le milieu récepteur (à 20°C), via un échangeur de chaleur appelé condensateur. Le frigorigène étant plus chaud que le milieu récepteur, il lui cède de la chaleur : c’est la chaleur utilisée pour le chauffage, c'est-à-dire pour maintenir la maison à 20°C. En cédant de la chaleur, le frigorigène se liquéfie à nouveau (comme de la vapeur d’eau entrant en contact avec un milieu plus froid).
4) Le frigorigène liquide et toujours à haute pression passe alors dans une vanne de détente, qui ramène sa pression au niveau initial. Par là même, sa température chute à nouveau à 5°C (à l’inverse de ce qui se passait tout à l’heure dans le compresseur). Le frigorigène peut alors à nouveau entrer dans l’évaporateur, où le cycle peut recommencer.
Dans ce cycle, la consommation électrique se situe au niveau de l’effort de compression (au niveau du compresseur). A cela s’ajoutent des consommations électriques auxiliaires (régulation, pompes) qui ne seront pas traitées ici.
Or, plus grand est le saut de température sur lequel il faut pomper de la chaleur, plus la consommation électrique est importante. Afin de limiter la consommation électrique, il faut donc d’une part travailler avec une source de température la moins basse possible, et d’autre part obtenir un rejet de température la moins élevée possible. Pratiquement, cela signifie :
- Au niveau de la source froide, favoriser les sources comme le sous-sol ou les plans d’eau qui se trouvent en général à une température plus élevée (10°C) que l’air extérieur (qui peut chuter à 0°C ou en dessous). Par contre, l’accès à ce type de source signifie la mise en place d’une infrastructure (par exemple des sondes géothermiques), et donc un coût plus important qu’avec l’accès direct à l’air extérieur.
- Au niveau du milieu récepteur, il s’agit de diminuer la consommation d’énergie du bâtiment (isolation thermique) et si possible d’augmenter la surface des corps de chauffe (avec par exemple un chauffage au sol au lieu de radiateurs), ce qui permet de baisser la température du circuit de chauffage.
- A cela s’ajoute une série de mesures au niveau de l’installation technique et de la régulation, qui peuvent fortement influencer les niveaux de température de fonctionnement.
Il faut savoir que la consommation d’électricité de la PAC est caractérisée par son COP (coefficient de performance). Il s’agit du rapport entre chaleur fournie et électricité consommée.
Ainsi, un COP de 3 signifie que pour chaque kWh d’électricité consommée, la PAC "produit" 3 kWh de chaleur (pour être plus précis : pour chaque kWh d’électricité consommée, 2 kWh de chaleur sont extraits de l’environnement et transférés au milieu récepteur, en même temps que le kWh d’électricité, qui s’est transformé en chaleur lors de la compression).
Plus le COP est élevé, plus la PAC est efficace car plus elle transfère de chaleur de la source vers le milieu récepteur (ou encore : moins elle consomme d’électricité pour "produire" la chaleur nécessaire au chauffage).
Au niveau du bilan énergétique global, et afin de comparer la PAC avec une chaudière (à gaz ou à mazout), ou avec un chauffage électrique, il convient de tenir compte du bilan de production électrique. Cette question est sujette à de fortes controverses. Nous partirons ici du fait qu’au niveau mondial ou européen, la grande majorité de l’électricité est produite à partir de centrales thermiques (que celles-ci fonctionnent avec du pétrole, du gaz, du charbon ou de l’uranium). Dans ce type de centrales, que nous ne détaillerons pas ici, il est typiquement nécessaire de consommer 3 kWh de chaleur (donc de combustible) pour produire 1 kWh d’électricité. Les 2 kWh de chaleur qui ne peuvent pas être utilisées sont rejetés dans l’environnement (dans l’air via des tours de refroidissement ou dans des cours d’eau via des échangeurs de chaleur).
Avec pour hypothèse une installation PAC (avec source froide et bâtiment) permettant d’atteindre un COP de 3, on obtient donc grosso modo les bilans comparés suivants :
- Pour du chauffage électrique : chaque kWh de chauffage nécessite 3 kWh de combustible (au niveau de la centrale de production d’électricité).
- Pour une chaudière : chaque kWh de chauffage nécessite environ 1 kWh de combustible (en négligeant les pertes de fumée et autres).
- Pour la PAC : chaque kWh de chauffage nécessite environ un tiers de kWh (0.33 kWh) d’électricité, qui au niveau de la centrale électrique nécessite 3 x 0.33 = 1 kWh de combustible.
En ce sens, une PAC avec un COP de 3 est trois fois plus efficace qu’un chauffage électrique (qui est la pire des solutions pour le chauffage), et équivalente environ à une chaudière. En d’autres termes, il faut des PAC avec des COP supérieurs à 3 pour être plus efficace qu’une chaudière, mais une PAC est toujours plus efficace qu’un chauffage électrique.
A ce propos, selon une étude (1) menée sur 220 installations existantes, en Suisse le COP annuel selon le type de source froide est en moyenne le suivant :
- Les PAC air/eau (avec air extérieur comme source froide) réalisent en moyenne un COP de 2.6 (valeur variant d’installation à installation entre environ 2 et 3.5).
- Les PAC sol/eau (avec sondes géothermiques) réalisent en moyenne un COP de 3.4 (valeur variant d’installation à installation entre environ 2.5 et 5).
(1) Feldanalyse von Wärmepumpenanlagen FAWA, 1996-2003. Office fédéral de l’énergie (2004).