Comment fonctionnent les pompes à chaleur ?

Les pompes à chaleur sont présentées comme une option respectueuse du climat pour garder les maisons au chaud alors que les gens recherchent des alternatives au pétrole et au gaz. DW explique les mystères qui se cachent derrière eux.

Environ la moitié des foyers allemands sont chauffés au gaz naturel et un quart au fioul. Alors que le pays s’éloigne des combustibles fossiles face à la crise climatique, nombreux sont ceux qui recherchent des alternatives.

Les pompes à chaleur sont une technologie largement discutée. Mais comment fonctionnent-ils exactement ?

Une pompe à chaleur extrait la chaleur de l’air extérieur, du sol ou d’une source d’eau à proximité pour générer de la chaleur grâce à ce qu’on appelle le refroidissement par évaporation. Vous saurez à quel point il est satisfaisant de mettre un chiffon froid sur votre peau par des températures étouffantes. C'est le même effet. L'eau froide s'évapore, devient gazeuse et vous vous refroidissez.

Voici la science qui sous-tend tout cela : la transition de l’eau à la vapeur nécessite beaucoup d’énergie. Pour changer d’état, les molécules d’eau puisent cette énergie dans leur environnement, en l’occurrence la peau chaude. Ce processus provoque l’effet de refroidissement. À l’inverse, une grande partie de cette énergie est libérée sous forme de chaleur dans l’air une fois que l’eau évaporée redevient liquide.

Les pompes à chaleur, les réfrigérateurs et les climatiseurs exploitent tous ces transitions. Les réfrigérateurs refroidissent à l’intérieur et réchauffent à l’extérieur. Pour les pompes à chaleur, c'est l'inverse.

Dans le cas des pompes à chaleur, un réfrigérant spécial circule dans un système de canalisations fermé. Les réfrigérants s'évaporent à des températures très basses, parfois inférieures à moins 50 degrés Celsius (moins 58 Fahrenheit).

La chaleur du sol ou de l’air, par exemple, réchauffe le fluide frigorigène qui s’évapore ensuite dans le circuit. Un compresseur presse les molécules du gaz réfrigérant, augmentant encore sa température. Lorsqu'il se liquéfie à nouveau, il libère la chaleur supplémentaire dans le système de chauffage. Cela signifie que les pompes à chaleur peuvent être utilisées pour réchauffer ou climatiser une maison, un bureau ou tout autre espace intérieur.

Bien qu’il existe différents types de pompes à chaleur, elles fonctionnent toutes sur le même principe : extraire l’énergie thermique de l’environnement.

Les pompes à chaleur à eau peuvent utiliser l’eau souterraine ou l’eau des rivières ou des lacs. Les systèmes à air fonctionnent avec de l’air régulier aspiré de l’extérieur ou avec de l’air chaud évacué produit sur des sites industriels ou des centres de données.

Pour les pompes à chaleur géothermiques, les sondes sont forées à 100 mètres (328 pieds) ou plus dans le sol, selon la densité de la roche. Plus le forage est profond, plus il fait chaud.

Les pompes à chaleur sur eau souterraine sont plus efficaces, mais aussi plus coûteuses. La variété à source d’air fonctionne presque partout mais peut être bruyante.

Lors du chauffage d'un bâtiment, les pompes à chaleur peuvent refroidir les eaux souterraines de 4 degrés ou réduire la température de l'air ambiant de 10 degrés.

Même lors des froides journées d'hiver, il existe suffisamment d'énergie thermique sous terre, dans l'air ou dans les eaux souterraines pour chauffer un bâtiment. En Scandinavie, par exemple, de nombreuses personnes se chauffent avec des pompes à chaleur à air, même pendant les hivers rigoureux. Ceux-ci extraient l’énergie thermique de l’air à des températures aussi basses que moins 20 Celsius.

Néanmoins, ils ont besoin de plus d’énergie pour fonctionner par temps froid et fonctionnent mieux par temps chaud. Les pompes à chaleur sont également équipées de résistances chauffantes qui utilisent l'électricité, en secours.

Bien que la majeure partie de l’énergie provienne de l’environnement, les appareils nécessitent une puissance supplémentaire pour faire fonctionner le moteur électrique du compresseur, des pompes et des ventilateurs. Dans de bonnes conditions, un kilowattheure d’électricité de conduite peut générer environ six kilowattheures de chaleur. Un appartement isolé de 80 mètres carrés nécessite moins de 1 000 kilowattheures d’électricité par an.

Les pompes à chaleur sont plus efficaces dans les bâtiments neufs isolés, notamment ceux équipés d’un chauffage au sol et de grands radiateurs. Dans les maisons anciennes en Allemagne, les pompes à chaleur à air génèrent environ trois kilowattheures de chaleur à partir d'un kilowattheure d'électricité, selon une étude de l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire, basé à Fribourg. En comparaison, l’utilisation des eaux souterraines comme source d’énergie génère en moyenne quatre fois plus de chaleur.