Dans les régions froides d'Amérique du Nord, d'Europe du Nord et d'Asie de l'Est, des millions de foyers utilisent désormais une pompe à chaleur aérothermique comme principal moyen de chauffage en hiver. L'idée qu'un appareil puisse extraire de la chaleur d'un air extérieur glacial semble souvent contre-intuitive, mais ce processus repose sur les lois classiques de la thermodynamique et non sur une combustion. Même lorsque l'air extérieur paraît glacial, il renferme de l'énergie thermique jusqu'au zéro absolu, situé à -273,15 °C.
Extraire de la chaleur d'un air négatif
Une pompe à chaleur aérothermique fonctionne sur le même principe qu'un réfrigérateur inversé. Au lieu de brûler du gaz, du fioul ou du bois pour produire de la chaleur, elle transfère les calories de l'extérieur vers l'intérieur du logement. La clé de voûte de ce processus réside dans le circuit fermé du fluide frigorigène qui circule dans l'unité. Les fluides frigorigènes modernes tels que le R-410A, le R-32 et le R-290 possèdent des points d'ébullition extrêmement bas, passant de l'état liquide à l'état gazeux entre -40 °C et -50 °C à pression atmosphérique.
Lorsque l'air extérieur traverse la batterie externe, le fluide frigorigène liquide situé à l'intérieur s'évapore, car cet air extérieur demeure plus chaud que le fluide lui-même. Une fois cette chaleur absorbée, le fluide gagne le compresseur situé dans le groupe extérieur. La compression du gaz élève considérablement sa pression ainsi que sa température, généralement au-delà de 45 °C. Ce gaz chaud est ensuite acheminé vers un échangeur thermique intérieur, libérant ses calories dans l'espace de vie en se condensant pour redevenir liquide. Un détendeur fait ensuite chuter la pression du fluide frigorigène liquide, le refroidissant pour amorcer un nouveau cycle.
Des adaptations techniques pour les climats froids
Si les anciennes générations de pompes à chaleur perdaient une part importante de leur puissance dès que le thermomètre passait sous la barre de zéro, les modèles récents conçus pour les climats rigoureux intègrent des solutions mécaniques spécifiques afin de maintenir leur rendement jusqu'à -25 °C, voire plus bas.
Les compresseurs Inverter à vitesse variable ajustent continuellement la vitesse de leur moteur au lieu de se limiter à des cycles de marche/arrêt stricts. Par grand froid, ces compresseurs accélèrent pour brasser un volume plus important de fluide, compensant ainsi la densité moindre du gaz froid. Les fabricants font également appel à l'injection de vapeur, qui réinjecte une fraction du fluide à haute pression dans le compresseur afin de refroidir les composants internes tout en augmentant l'efficacité de la compression. Cela permet de préserver une puissance calorifique exploitable par températures négatives sans risque d'endommager le moteur du compresseur.
Le fonctionnement par grand froid se heurte à une autre contrainte physique : la formation de givre. L'humidité de l'air extérieur gèle au contact de la batterie extérieure froide, ce qui entrave le flux d'air et isole la batterie de son environnement. Les unités modernes contournent cet écueil grâce à des cycles de dégivrage automatiques. L'appareil inverse brièvement le sens de circulation du fluide frigorigène, réorientant la chaleur vers la batterie extérieure pour faire fondre le givre en quelques minutes avant de reprendre son cycle habituel de chauffe.
Baisse de rendement et limites physiques
Même si une pompe à chaleur peut continuer de fonctionner lors d'épisodes de gel intense, son efficacité s'amenuise à mesure que l'écart entre la température extérieure et la température intérieure se creuse. L'efficacité énergétique s'évalue par le coefficient de performance (COP), qui compare l'énergie thermique fournie à l'énergie électrique consommée. Les radiateurs électriques à effet Joule affichent un COP de 1,0, ce qui signifie qu'une unité d'électricité produit exactement une unité de chaleur.
À des températures douces d'environ 8 °C, une pompe à chaleur performante atteint fréquemment un COP situé entre 3,5 et 4,5. À -15 °C, cette efficacité retombe généralement entre 1,5 et 2,5. Même si l'appareil fournit encore plus de deux fois plus de chaleur par kilowattheure qu'un convecteur électrique classique, sa puissance calorifique globale diminue précisément au moment où le bâtiment subit ses déperditions thermiques les plus fortes.
Chaque configuration bâtiment-système présente un point d'équilibre : il s'agit de la température extérieure à laquelle la puissance fournie par la pompe à chaleur compense exactement les déperditions du logement. En dessous de ce seuil, un apport d'appoint devient indispensable. Dans les régions les plus froides, les installations prévoient habituellement des résistances électriques d'appoint intégrées au module intérieur, ou conservent une chaudière à combustible fossile en relève (système hybride) pour traverser les vagues de froid extrême.
Les prochaines avancées du chauffage par grand froid
Plusieurs programmes de recherche, à l'image du « Cold Climate Heat Pump Challenge » mené par le département de l'Énergie des États-Unis, finalisent des essais sur le terrain pour des équipements résidentiels capables de restituer 100 % de leur puissance calorifique jusqu'à -15 °C sans recours à un chauffage d'appoint. Parallèlement, les industriels lancent des modèles fonctionnant au propane, un fluide frigorigène qui conjugue une efficacité thermodynamique accrue par basse température ambiante et un potentiel de réchauffement global direct nettement inférieur.
