Le principe de fonctionnement est celui de la thermodynamique. La pompe à chaleur récupère, grâce à un fluide frigorigène à faible impact environnemental, les calories présentes dans le milieu extérieur - l’air, l’eau, le sol -, les optimise et les restitue à l’intérieur - avec un coefficient de performance énergétique (COP) exceptionnel (1), puisqu’elle produit 3 à 5 fois plus d’énergie qu’elle n’en consomme, ce qui la place en tête des générateurs utilisant une énergie renouvelable.

Son atout majeur est de s’adapter à toutes les situations et besoins en combinant différentes sources d’énergies, modes de diffusion de la chaleur et d’émetteurs.

Les 5 familles de pompes à chaleur

De très loin la plus vendue (729 000 unités en 2019(2)), la PAC Air/Air diffuse l’énergie de l'air extérieur à un émetteur intégré à la machine (monosplit) ou à plusieurs émetteurs - unités murales, consoles, gaines et bouches de diffusion - soufflant un air chaud ou refroidi dans chaque pièce grâce à un réseau aéraulique (multisplit).

Également en forte croissance (176 000 unités en 2019), notamment grâce aux aides publiques qui en font la solution n°1 pour le remplacement des vieilles chaudières gaz et fioul, la PAC Air/Eau (aérothermie) transfère l’énergie de l’air extérieur à un circuit hydraulique qui alimente les émetteurs : radiateur, plancher chauffant-rafraîchissant basse température ou ventilo-convecteurs. Elle peut être réversible pour rafraîchir l’été si l’habitat est équipé d’un plancher chauffant basse température ou de ventilo-convecteurs ; double-service pour assurer le chauffage et la production de l’eau chaude sanitaire via un ballon intégré ou séparé. Une pompe à chaleur Air/Eau peut, enfin, chauffer uniquement l’eau sanitaire et on parle de chauffe-eau thermodynamique (CET) (117 000 unités en 2019).

Trois configurations d’appareils sont possibles pour s’adapter aux contraintes (surface, voisinage, esthétique)

•  “Monobloc” extérieur : Tous les composants, y compris la totalité du circuit frigorifique, sont rassemblés dans l’unité à l’extérieur de la maison,
•  “Monobloc” intérieur : Tous les composants sont rassemblés dans une seule unité, placée à l’intérieur de la maison dans un espace adapté (garage, local technique).
•  “Bi-bloc“ : L’installation comprend 2 éléments séparés : un groupe extérieur comprenant le plus souvent évaporateur, compresseur et détendeur, relié, via une liaison frigorifique, à une unité intérieure (module hydraulique) situé dans la maison qui réalise la partie condensation et alimente la boucle d’eau. C'est la solution de loin la plus vendue.

Autres source d’énergie gratuite possible : l’eau souterraine et le sol, à la température quasi constante toute l’année.

La PAC aquathermique (eau-eau) utilise l’énergie de l’eau d’une nappe phréatique, d’une rivière d’un lac grâce à deux puits (captage et réinjection) et la restitue dans la maison via un circuit hydraulique.

La PAC géothermique (Sol/Sol et Sol/Eau, Eau glycolée/Eau et Eau/Eau) prend l’énergie du sol, grâce à des capteurs horizontaux enterrés (0.6 à 1 m) ou verticaux en profondeur (20 à 100 m et plus), pour la diffuser via le circuit hydraulique. La température du sous-sol étant très stable (10/15°C), cette dernière solution apporte le meilleur rendement COP existant : 5 à 6. Les ventes restent modestes (2 600 unités en 2019) compte tenu des contraintes en termes d’accès à la source énergétique et du coût d’investissement.

Enfin, reste une dernière solution technologique promise à un bel avenir (4 300 unités en 2019) : la PAC hybride. Elle se couple à un générateur déjà existant (chaudière gaz ou fioul) quand elle n'atteint pas le maximum de ses performances par temps froid ou fait appel à d’autres sources d’énergies renouvelables comme le photovoltaïque, le solaire thermique ou la "chaleur fatale" de la maison (ventilation, eaux usées…) pour son fonctionnement à l’électricité.

Une offre très large à 50% made in France

Le panel de produits disponible est très important avec, en cumulant tous les marchés, 71 fabricants certifiés fin 2019 proposant 840 gammes différentes en chauffage et chauffage + ECS, soit plus de 3000 modèles. 20 sites industriels française alimentent environ 50% du marché de la pompe à chaleur, le solde provenant principalement de pays européens (Belgique, République tchèque, Royaume Uni, Espagne). Si les importations de PAC d’Asie sont minoritaires, l’importation de composants, notamment pour l’unité extérieure, peuvent représenter 10 à 15 % de la valeur totale d’une installation, selon les fabricants. De leur côté, 85 % des chauffe-eau thermodynamiques sont produits en France avec un fort contenu européen.

Le chiffre d’affaires 2019 de la filière est estimé à 5,3 Mds€ avec 32 000 emplois (fabrication, installation et maintenance). Quant au parc existant, il atteint 3,7 millions de PAC dont 600 000 CET.

Pour rappel, la France est le 1er marché européen, très loin devant l’Allemagne (86 000 PAC Air/Eau et 16 500 PAC ECS en 2019). Pour une maison, la fourchette de prix fourni-posé en HT est de +/- 7 K€ pour une PAC Air-Air, de +/-12 K€ pour une PAC Air/Eau et de +/- 17 K€ pour une PAC géothermique.

La nécessité d’un bilan énergétique

Plusieurs paramètres sont à prendre en compte pour dimensionner la pompe à chaleur, s’assurer de son bon rendement et garantir la qualité du confort pour les occupants.

La localisation : le rendement dépendant de la température extérieure (sauf PAC géothermique et aquathermique), l’efficacité énergétique saisonnière et les plages de fonctionnement de la PAC doivent corresponde à la région, les températures froides ou négatives pouvant fortement dégrader les performances et nécessiter un générateur d’appoint.

L’usage : le calcul de la puissance tient compte de l’usage (chauffage seul, chauffage + eau chaude sanitaire, rafraichissement), de la surface et du nombre d’occupants en cas de production d’eau chaude. Elle s’établie, en moyenne, entre 4 et 10 kW, ce qui peut entraîner de revoir à la hausse la puissance électrique de l’abonnement EDF.

L’isolation et l’étanchéité : la bonne démarche, surtout en rénovation, est de réaliser un bilan énergétique initial et d’effectuer, si besoin, des travaux d’isolation afin de diminuer la puissance de la pompe à chaleur.

L’emplacement : l’idéal est d’installer la pompe à chaleur à l’extérieur, de préférence au sol.

En cas de manque de place ou de voisins très proches, une PAC “monobloc” peut s’installer à l’intérieur de la maison dans un garage, un local technique. Dans tous les cas, les éléments doivent être accessibles pour l’entretien et il faut prévoir l’évacuation des condensats.

La compatibilité avec l’installation existante : en cas de remplacement d’une ancienne chaudière fioul ou gaz, le réseau hydraulique et les émetteurs existants doivent être en bon état (dimensionnement, raccordement, isolation…) et adapté au fonctionnement de la PAC en termes de débit d’eau et de température de fonctionnement. De nouvelles versions de PAC Haute température (sortie d’eau ≥ 65°C) facilite la conservation des radiateurs existants.

Une mise en œuvre et un réglage complexe

La performance énergétique des PAC tient pour beaucoup à la qualité de pose, notamment en rénovation où il s’agit de les intégrer dans un environnement qui n’est pas forcément adéquat. Cette nécessaire vigilance sur les dimensionnements, les raccordements, la régulation en fait un produit plus technique et complexe à régler qu’une chaudière d’où un certain nombre de dysfonctionnement possibles si le produit est mal installé par des entreprises insuffisamment qualifiées ou ne fait pas l’objet d’une maintenance régulière.

Pour ne pas laisser ternir l’image de cette technologie comme ce fut le cas dans les années 2007-2009, la profession se mobilise. L’Association Française des Pompes à Chaleur (AFPAC) a, notamment, publié les “dix commandements pour faire installer sa PAC” et mis en place un observatoire du marché. La filière (industriels, distributeurs, organisations professionnelles) a signé le 6 novembre 2019, en présence d’Emmanuelle Wargon, secrétaire d'État à l'Écologie auprès du ministre de la Transition écologique et solidaire, une charte d’engagement pour préserver la qualité des installations et renforcer les formations.

Un entretien enfin obligatoire

L’arrêté du 28 juillet 2020 apporte un début de réponse à cette problématique. L’entretien des PAC, dont la puissance nominale est comprise entre 4 kW et 70 kW, est désormais obligatoire tous les deux ans. Les opérations concernent la vérification du système, son nettoyage, son réglage, le contrôle d'étanchéité du circuit de fluide frigorigène... Les entreprises doivent, également, apporter des conseils au bon usage, à l’amélioration de l’installation, sur l'intérêt éventuel de la remplacer et établir une attestation d'entretien dans les 15 jours suivant la visite.

Les tendances innovations

En dehors d’un travail sur l’esthétique des machines afin de mieux les intégrer à leur environnement, les évolutions portent sur la technologie, la connectivité et l’intelligence pour améliorer le confort d’usage et permettre un pilotage à distance.

Les pompes à chaleur progressent en termes de silence de fonctionnement avec des émissions sonores des unités extérieures aux alentours des 35 dB(A) à 5 m, du fait d’un travail sur l’isolation, la généralisation des compresseurs à modulation de puissance Inverter, et à la régulation. Les ventilo-convecteurs (unités murales ou consoles) bénéficient également de ventilateurs à vitesse variable optimisant le débit d’air, la température et les consommations. Les radiateurs sont programmables grâce à des robinets thermostatiques et les caissons et les gaines des PAC Air/Air sont plus silencieux et plus plats pour mieux s’intégrer dans les parois et les plenums.

Autre tendance, le développement de la connectivité avec un double objectif. D’un côté, faciliter la vie des utilisateurs grâce à des commandes plus intuitives et des applications iOS/Android dédiés ; De l’autre, renforcer la pérennité et la performance dans le temps par une gestion à distance et une maintenance prédictive de l’installateur.

Les évolutions à venir

Les exigences renforcées de la RE 2020 en termes d’isolation passive et active, d’efficience énergétique, de solution bas carbone et de confort d’été devraient entraîner le développement de modèles de moindre puissance - 2 à 6 kW - en construction neuve. De même, dans l’existant, le triptyque isolation de l’enveloppe, qualité de l’air de la ventilation et PAC de petites puissances couplés avec du stockage d’énergie et de l’eau chaude sanitaire avec un ballon ECS très bien isolé - devrait progresser. Les fabricants vont également intégrer les enjeux de l’économie circulaire avec des avancées à venir en termes d’écologie industrielle, d’éco-conception, de réparabilité et de remanufacturing.

Enfin, pour conclure sur les prévisions fin 2020/2021, la profession reste confiante. La pompe à chaleur résiste particulièrement bien à l’impact de la crise sanitaire avec, respectivement, au 31 août 2020, des ventes encore en hausse de +13% pour les PAC Air/Air et de +2 ;6% pour les PAC Air/Eau, par rapport au 1er semestre 2019. Les pompes à chaleur à géothermie chute, en revanche, de -8% et les ballons chauffe-eaux thermodynamiques recule de -13%. Au cœur des enjeux de la rénovation énergétique et du confort du logement, la pompe à chaleur a encore de belles marges de progression.

(1) Le COP est le rapport entre l'énergie restituée par un générateur et l'énergie électrique consommée pour son fonctionnement (compresseur, ventilateur, détendeur, module de régulation…). Plus le COP est élevé, plus le générateur est performant. Par exemple : un COP de 4 signifie que la PAC restituer 4kWh pour 1kWh électrique consommé.

(2) Sources des chiffres du dossier : Association Française des Pompes à Chaleur (AFPAC)

Cyrille Maury

Photo de Une : AdobeStock.