Comment fonctionne une pompe à chaleur ?

Une pompe à chaleur fonctionne sur le même principe qu'un réfrigérateur inversé. Elle capte les calories présentes dans l'air extérieur (ou dans le sol ou l'eau) via un fluide frigorigène, puis un compresseur élève la température de ce fluide. La chaleur est ensuite transférée au circuit de chauffage (air ou eau). Pour 1 kWh d'électricité consommé par le compresseur, la PAC restitue 3 à 4 kWh de chaleur : c'est le coefficient de performance (COP).

Le COP (coefficient de performance) est le rapport entre l'énergie thermique restituée par la PAC et l'électricité qu'elle consomme. Un COP de 4 signifie que pour 1 kWh d'électricité, la PAC produit 4 kWh de chaleur. Plus le COP est élevé, plus la PAC est efficace. Le COP varie selon la température extérieure : il est élevé à +7 °C (COP 4-5) et diminue par grand froid (COP ~2 à -7 °C).

Le COP est une mesure instantanée à une température donnée, tandis que le SCOP (Seasonal COP, ou COP saisonnier) est une moyenne pondérée sur toute la saison de chauffage. Le SCOP reflète mieux la performance réelle sur l'année, car il intègre les variations de température extérieure. Une PAC air-eau performante affiche un SCOP de 4 à 5 en 2026. C'est le SCOP qu'il faut comparer entre modèles.

Oui, les PAC modernes fonctionnent jusqu'à -20 °C, mais leur performance (COP) diminue quand la température extérieure baisse. À -7 °C, le COP descend autour de 2 (contre 4 à +7 °C). C'est pourquoi on dimensionne souvent la PAC pour couvrir 80-90 % des besoins annuels et on garde un appoint (résistance électrique ou chaudière en relève) pour les pics de froid. Les PAC géothermiques sont moins sensibles au froid car elles puisent dans le sol, à température constante.

Le cycle thermodynamique d'une PAC comprend : (1) l'évaporation — le fluide frigorigène capte la chaleur de la source (air, sol, eau) ; (2) la compression — le compresseur électrique élève la pression et la température du fluide ; (3) la condensation — le fluide cède sa chaleur au circuit de chauffage (air ou eau) ; (4) la détente — le détendeur abaisse la pression, le fluide redevient liquide et froid, et le cycle recommence.

Oui, certaines PAC sont réversibles : elles chauffent en hiver et rafraîchissent en été. C'est le cas des PAC air-air (climatisation réversible) et de certaines PAC air-eau avec plancher rafraîchissant. Le cycle thermodynamique est simplement inversé : la chaleur prélevée dans le logement est rejetée à l'extérieur. La fonction rafraîchissement consomme de l'électricité mais moins qu'un climatiseur classique, et est utile dans les régions chaudes.

La source dépend du type de PAC : (1) air extérieur pour la PAC air-air et air-eau (la plus courante, la moins chère à installer) ; (2) sol (capteurs enterrés) pour la PAC géothermique (performance maximale, COP 4-5, mais forage coûteux) ; (3) eau (nappe phréatique) pour la PAC eau-eau. Plus la source est stable en température, meilleure est la performance hivernale.

La PAC est efficace car elle ne « produit » pas de chaleur : elle la déplace. Au lieu de convertir 1 kWh d'électricité en 1 kWh de chaleur (comme un radiateur électrique), elle utilise 1 kWh d'électricité pour pomper 3 à 4 kWh de chaleur gratuite présente dans l'environnement. Le rendement (COP > 1) vient du fait qu'elle exploite une énergie renouvelable (air, sol, eau) plutôt que de la créer par combustion ou effet Joule.

Le fluide frigorigène est le liquide/gaz qui circule dans le circuit de la PAC et permet les échanges de chaleur. Il change d'état (liquide ↔ gaz) à des températures contrôlées. Les PAC modernes utilisent des fluides à faible impact environnemental (R32, R290 propane, CO₂). Les fluides anciens (R410A) sont progressivement retirés pour réduire l'empreinte climatique. Le fluide est contenu dans un circuit fermé et n'est pas rejeté en fonctionnement normal.

L'unité extérieure d'une PAC air-eau ou air-air émet un bruit de ventilation (ventilateur) et de compression. Les modèles récents sont relativement discrets (40-50 dB à 1 m, soit le niveau d'un réfrigérateur). Le placement compte : on l'éloigne des fenêtres et des voisins (l'arrêté de bruit impose généralement 3 m des façades voisines). L'unité intérieure (bibloc) est silencieuse. Une PAC mal placée peut générer des conflits de voisinage.

La consommation électrique d'une PAC dépend du COP et des besoins de chauffage. Pour une maison de 100 m² nécessitant 10 000 kWh de chaleur/an, une PAC air-eau avec un COP de 4 consomme environ 2 500 kWh d'électricité/an (10 000 / 4). Contre 10 000 kWh pour un chauffage électrique direct ou ~1 000 L de fioul. La facture dépend aussi du prix du kWh d'électricité (qui peut être couplé à un tarif heures creuses).

La PAC air-air souffle de l'air chaud directement dans les pièces (climatisation réversible), sans circuit hydraulique. La PAC air-eau transfère la chaleur à un circuit d'eau qui alimente des radiateurs ou un plancher chauffant, et peut produire l'eau chaude sanitaire. L'air-eau est plus polyvalente (chauffage + ECS) et éligible aux aides ; l'air-air est plus simple mais non éligible à MaPrimeRénov'. Voir pompe à chaleur air-eau pour le détail.