La pompe à chaleur : cours de Bac pro ICCER

Tu connais déjà le cycle frigorifique et la réglementation des fluides frigorigènes. Ce chapitre les réunit dans une machine que tu poseras très souvent en tant qu'installateur : la pompe à chaleur, souvent abrégée PAC.

Le marché de la PAC se développe fortement, en France comme en Europe.¹ Pour un installateur en chauffage, climatisation et énergies renouvelables, c'est donc une machine du quotidien : tu la rencontreras en maison individuelle, en rénovation, en neuf, en tertiaire.

Une idée simple guide tout le cours : une PAC ne fabrique pas de chaleur en brûlant quelque chose. Elle déplace de la chaleur d'un endroit vers un autre. Une fois cette idée bien en tête, le reste (composants, rendement, choix de la source) se range tout seul.

Dans ce cours, tu vas apprendre à :

• expliquer le principe de fonctionnement d'une PAC avec le vocabulaire du métier ;
• nommer les composants du circuit et dire ce que fait chacun ;
• distinguer les familles de PAC selon la source de chaleur ;
• comprendre la réversibilité (chauffage et refroidissement) ;
• calculer et interpréter un COP.

Dans la vie courante, la chaleur va toute seule du chaud vers le froid : un café chaud refroidit dans une pièce fraîche. Jamais l'inverse sans aide. Pour faire monter de la chaleur d'un milieu frais vers un milieu plus chaud, il faut une machine et de l'énergie pour la faire tourner. C'est le rôle de la PAC.⁴

Le mot « froide » peut surprendre : l'air extérieur à 5 °C te paraît déjà froid, et pourtant il contient encore de l'énergie thermique que la machine sait prélever. Le mot veut dire « plus froide que la source chaude », pas « sans chaleur ».

Le transfert se fait grâce à un fluide frigorigène qui circule en circuit fermé.² Fermé veut dire que le fluide ne sort jamais de la machine : il tourne en boucle, change d'état, et c'est ce changement d'état qui permet d'absorber puis de céder de la chaleur.

Une PAC à compression de vapeur utilise un cycle thermodynamique à changement de phase : le fluide passe tour à tour de l'état liquide à l'état vapeur, puis revient liquide. Le compresseur est la pompe du circuit, celle qui fait circuler le fluide.⁴ Les PAC à compression de vapeur sont les seules vendues aujourd'hui pour chauffer ou climatiser les bâtiments, et en résidentiel on utilise toujours la compression et la détente d'un gaz.⁴ Ce circuit est celui que tu as étudié dans le chapitre sur le cycle frigorifique ; ici, on regarde ce qu'il apporte au bâtiment.

La source froide choisie donne son nom à la PAC. Le choix dépend du terrain, du budget et du climat. Le cours d'origine de l'Éducation nationale distingue des PAC sur air, des PAC géothermales avec capteur enterré, et des PAC sur eau.¹

On désigne ensuite chaque machine par un couple « milieu où l'on prélève / milieu où l'on distribue ». Par exemple, air/eau signifie que la PAC prend sa chaleur dans l'air et la distribue à l'eau d'un circuit de chauffage. Le dossier technique présente d'ailleurs une vue d'ensemble d'une PAC air/eau.¹

Pour les PAC qui puisent dans la terre ou dans l'eau, plusieurs couplages de réseaux existent :

Pour les machines géothermales, le capteur est enterré : on parle de PAC sol/sol, sol/eau ou eau/eau.¹ La température de la terre est normalement régénérée l'été par le rayonnement solaire intense, par la chaleur apportée par l'air chaud et par la pluie. Cela permet de se passer d'un appoint électrique, même dans des régions au climat rude.²

Selon le sens de fonctionnement du dispositif, une PAC peut être un système de chauffage, quand on veut augmenter la température de la source chaude, ou un système de réfrigération, quand on veut abaisser la température de la source froide.⁴

Un exemple concret est le climatiseur split-system réversible, étudié dans le dossier technique.¹ Selon la saison, il prélève la chaleur du local pour la rejeter dehors (refroidissement), ou il prélève la chaleur de l'air extérieur pour la restituer dans le local (chauffage).

Le cours d'origine présente aussi un résumé des modes de fonctionnement les plus courants, qui t'aidera à repérer, sur un schéma, quel échangeur joue quel rôle.¹

Une PAC consomme de l'énergie pour fonctionner, mais elle délivre de la chaleur : la question est de savoir ce qu'elle délivre par rapport à ce qu'elle consomme. C'est le rôle du coefficient de performance.

Cette propriété a une conséquence directe sur tes choix d'installateur. Pour garder un bon COP, on cherche à réduire l'écart entre les deux sources : une source froide plus douce et une distribution à température plus modérée (un plancher chauffant, par exemple, plutôt qu'un système qui exige de l'eau très chaude).

Attention au mot « instant » : le COP est calculé à un instant précis. Il change donc quand la température extérieure change. Une même machine n'a pas un COP unique, elle en a un différent à chaque condition de fonctionnement.

Une installation de PAC comprend plusieurs ensembles. Le premier est le circuit de captage de la chaleur, la source froide où l'on puise l'énergie thermique.⁴ On y ajoute la machine frigorifique elle-même, puis le circuit de distribution vers le bâtiment (air, plancher chauffant, radiateur).²