Une pompe à chaleur air-eau peut produire 3 à 4 kWh de chaleur pour seulement 1 kWh d’électricité consommé. Cela la rend trois à quatre fois plus efficace qu’un radiateur électrique classique. Grâce à cette efficacité, une maison bien équipée peut voir sa facture énergétique fondre tout en s’appuyant sur une source d’énergie renouvelable.
Plus encore, certains modèles récents repoussent les limites : fiables, efficaces, capables de capter les calories de l’air même quand il fait froid. Ils peuvent les transformer en confort thermique. Cet article vous explique le fonctionnement d’une pompe à chaleur air-eau, de la captation des calories à la diffusion de la chaleur, ainsi que ses différents modes (chauffage, ECS, rafraîchissement) et ses performances selon la température extérieure.
Le principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur air-eau
Globalement, le principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur air‑eau s’appuie sur un cycle thermodynamique ingénieux. Elle extrait la chaleur (calories) de l’air extérieur, même froid, la « concentre » via un fluide frigorigène, puis la transmet à l’eau d’un circuit de chauffage. Résultat ? Chauffage et eau chaude sanitaire, sans combustion.
Captation des calories dans l’air
Le cycle de fonctionnement débute avec l’unité extérieure, où un échangeur thermique appelé évaporateur entre en contact direct avec l’air ambiant. À travers ce composant circule un fluide frigorigène qui possède des propriétés thermodynamiques particulières. Il s’agit de la capacité à changer d’état (passer de liquide à gazeux) en fonction des variations de température et de pression.
Lorsque ce fluide, initialement à l’état liquide et à basse pression, traverse l’évaporateur, il absorbe les calories contenues dans l’air extérieur. Cette absorption de chaleur provoque l’évaporation du fluide, qui se transforme en gaz. Ce phénomène se produit même quand les températures extérieures descendent bien en dessous de 0°C, car l’air conserve toujours une certaine énergie thermique exploitable.
Les fluides frigorigènes les plus utilisés actuellement sont le R32 et le R410A, avec une tendance croissante vers le R290 (propane naturel), un réfrigérant écologique affichant un potentiel de réchauffement climatique 200 fois inférieur au R32.
Transmission de chaleur via le fluide frigorigène
Après son évaporation dans l’évaporateur, le gaz frigorigène passe dans le compresseur, pièce maîtresse du système. Le compresseur augmente considérablement la pression et la température du gaz. Cette compression est l’étape cruciale qui permet au système de fonctionner contre le sens naturel du flux thermique.
Le gaz comprimé et surchauffé circule ensuite vers le condenseur (ou échangeur thermique interne), situé dans l’unité intérieure. C’est ici que la transmission de chaleur vers votre logement s’effectue.
Le gaz cède l’énergie thermique captée à l’extérieur au circuit d’eau de chauffage, ce qui provoque la condensation du gaz qui retourne progressivement à l’état liquide. L’eau du circuit de chauffage, en absorbant cette chaleur, voit sa température augmenter jusqu’à atteindre la température de départ souhaitée.
Pour finaliser le cycle, le fluide frigorigène passe par le détendeur, un composant qui réduit drastiquement sa pression et sa température. Cette réduction provoque le refroidissement du liquide qui retrouve ses conditions initiales, le rendant prêt à recommencer un nouveau cycle de captation des calories extérieures.
Chauffage via radiateurs ou plancher chauffant
L’eau chauffée circulant dans le circuit de chauffage alimente deux types d’émetteurs de chaleur selon le dimensionnement du système. Les radiateurs basse température reçoivent une eau chauffée entre 40 et 50°C. Les planchers chauffants fonctionnent avec une eau à température plus douce, généralement entre 35 et 45°C.
Cette température réduite en comparaison aux systèmes traditionnels explique un avantage énergétique majeur : une économie d’énergie d’environ 30% par rapport aux radiateurs haute température.
Les différents modes de fonctionnement d’une pompe à chaleur air-eau
Il existe divers modes de fonctionnement d’une pompe à chaleur air-eau. La polyvalence de la pompe à chaleur air‑eau en fait un système 3‑en‑1 : chauffage, eau chaude sanitaire, rafraîchissement.
Chauffage en hiver
En mode « chauffage », la PAC air-eau capte les calories de l’air extérieur et chauffe l’eau du circuit de chauffage pour maintenir la température intérieure. Cela, même lorsque l’air extérieur est froid.
La plupart des modèles garantissent la production de chaleur jusqu’à -7°C. Néanmoins, les PAC air-eau performantes s’étendent généralement jusqu’à -20°C à -25°C selon les marques et les puissances. En dessous de ces seuils, la machine recourt davantage à des cycles de dégivrage si du givre s’accumule sur l’évaporateur, ce qui peut réduire temporairement le rendement.
Eau chaude sanitaire
Une pompe à chaleur air-eau produit de l’eau chaude sanitaire (ECS) :
- En captant les calories de l’air extérieur via un cycle thermodynamique (évaporation, compression, condensation).
- En les transférant au circuit d’eau sanitaire et de chauffage, souvent avec un ballon intégré.
Elle fonctionne en mode double service (chauffage + ECS) ou simple service (chauffage seul, nécessitant un autre système pour l’ECS). Pour l’ECS, elle chauffe l’eau à 60°C pour tuer les bactéries (légionellose) avant de la stocker, puis la restitue à la température désirée (50-55°C).
Rafraîchissement
Une pompe à chaleur air-eau réversible intègre une « fonction de rafraîchissement estival par inversion du cycle thermodynamique ». En mode réversible, le système capte les calories de l’air intérieur pour les rejeter à l’extérieur. L’eau froide (environ 15-18°C) produite circule dans un plancher chauffant-rafraîchissant ou des ventilo-convecteurs. Cela offre une baisse modérée de la température ambiante (3-6°C), contrairement à une clim air-air qui souffle de l’air très froid.
Jusqu’à quelle température une pompe à chaleur air-eau fonctionne-t-elle ?
Une pompe à chaleur air-eau continue de fonctionner même par grand froid, en récupérant les calories dans l’air. Par contre, sa performance diminue avec la température extérieure, fonctionnant bien souvent jusqu’à -7 °C, voire -15 °C ou -20 °C pour les modèles performants.
Toutefois, sa consommation augmente et un appoint électrique peut s’activer par temps très rigoureux. La température de l’eau produite varie selon le modèle (basse, haute ou très haute température), allant de :
- 45 °C pour les systèmes modernes.
- 80 °C ou plus pour les anciennes installations.
Plage de fonctionnement selon les marques
Les grandes marques (Daikin, Atlantic, Mitsubishi, Panasonic, Viessmann, etc.) proposent des gammes distinctes : modèles standards pour climats tempérés, et modèles « grand froid » capables de maintenir la puissance nominale jusqu’à -15 °C environ. Les fiches techniques précisent en général la « plage de fonctionnement en chauffage » (par ex. -20 °C / +35 °C) et la « température de départ maxi » (par ex. 55 °C ou 70 °C).
Fonctionnement en basse température
Les pompes à chaleur basse température représentent une catégorie spécialisée conçue pour fonctionner avec des circuits d’eau chauffée entre 35°C et 45°C. Cette température réduite améliore significativement l’efficacité énergétique du système, car le compresseur doit fournir moins de travail pour atteindre ces niveaux de chaleur.
Un plancher chauffant traditionnel nécessite une eau à environ 35°C pour maintenir une température ambiante agréable de 20°C. Pour les radiateurs basse température, ils fonctionnent optimalement entre 40 et 45°C.
Rôle de la résistance électrique d’appoint
Certaines pompes à chaleur air-eau modernes intègrent une résistance électrique d’appoint qui fonctionne automatiquement en arrière-plan.
Entre -5°C et -15°C (ou selon les modèles et puissances), la pompe à chaleur ne peut plus assurer seule le transfert de calories de l’extérieur vers l’intérieur. À ces seuils critiques, la résistance prend le relais et chauffe l’eau de chauffage en utilisant une résistance électrique, fonctionnant comme une chaudière électrique classique. Cette bascule automatique conserve un bon confort de chauffage mais consomme plus d’électricité, pénalisant temporairement les économies d’énergie.
À titre informatif, l’ADEME confirme que les performances réelles des PAC air-eau actuelles affichent un COP saisonnier mesuré de 2,9 et un SCOP de 4,5, validant leur efficacité même dans les conditions les plus difficiles des hivers français.
Schéma de fonctionnement d’une pompe à chaleur air-eau
Voici un schéma illustrant comment fonctionne une pompe à chaleur air-eau pour aider à visualiser le système :
Que montre ce schéma ?
- L’unité extérieure (avec l’évaporateur) capte les calories de l’air extérieur, même lorsque celui-ci est froid ;
- Le fluide frigorigène circule dans un cycle fermé : il s’évapore, est compressé, condense, puis passe par un détendeur pour recommencer un nouveau cycle ;
- La chaleur extraite de l’air est transférée à l’eau du circuit de chauffage central (radiateurs, plancher chauffant, ballon d’eau chaude sanitaire, etc.)
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