Comment fonctionne une pompe à chaleur

Comment une pompe à chaleur tire-t-elle de la chaleur d'un air froid ?

Un air à 0 °C contient encore de la chaleur : il est froid pour nous, mais bien plus chaud qu'un liquide maintenu à -15 °C. Tout le principe tient dans cette différence. La pompe à chaleur fait circuler en boucle fermée un réfrigérant, un liquide qui bout à très basse température, et le fait passer par quatre organes. C'est le même circuit que celui d'un réfrigérateur, utilisé dans l'autre sens : le réfrigérateur sort la chaleur de ses aliments pour la rejeter dans la cuisine, la pompe à chaleur sort la chaleur du jardin pour la rejeter dans la maison.

Le schéma ci-dessous suit ce trajet, étape par étape.

1. Dans l'évaporateur, la grande grille de l'unité extérieure, le réfrigérant arrive glacé et sous basse pression. Le ventilateur fait passer l'air du jardin sur ses ailettes. Plus froid que cet air, le réfrigérant lui prend de la chaleur et se met à bouillir : il devient gaz.
2. Le compresseur aspire ce gaz et le comprime. Sa pression monte, et sa température avec elle, comme l'air d'une pompe à vélo qui chauffe quand on gonfle un pneu. C'est le seul organe qui consomme beaucoup d'électricité.
3. Dans le condenseur, un échangeur placé dans le module intérieur ou dans l'unité extérieure selon les modèles, le gaz très chaud croise l'eau du circuit de chauffage. Il lui cède sa chaleur, refroidit et redevient liquide.
4. Le détendeur laisse passer ce liquide vers la partie basse pression. Sa pression chute d'un coup, sa température aussi : il redevient plus froid que l'air extérieur et repart vers l'évaporateur.

Le réfrigérant tourne en boucle fermée. Glacé, il prend la chaleur de l'air extérieur dans l'évaporateur et devient gaz. Le compresseur, qui consomme l'électricité, élève sa pression et sa température. Dans le condenseur du module intérieur, le gaz très chaud cède sa chaleur à l'eau des radiateurs et redevient liquide. Le détendeur fait chuter sa pression, il redevient plus froid que l'air, et le cycle recommence.

Source : ADEME, Avis sur les performances réelles des pompes à chaleur, octobre 2025

La chaleur rendue à l'eau est la somme de deux apports : celle prise à l'air et l'énergie électrique du compresseur. C'est pour cela qu'une pompe à chaleur fournit plus de kWh de chaleur qu'elle ne consomme de kWh d'électricité. Le rapport entre les deux s'appelle le coefficient de performance, ou COP. Notre guide sur le COP, le SCOP et l'Etas d'une pompe à chaleur explique comment le lire sur une fiche technique. Les autres questions qui se posent avant un remplacement de chaudière sont réunies dans la rubrique guides pompe à chaleur.

Que se passe-t-il entre le module intérieur et les radiateurs ?

Dans une maison qui chauffait au gaz ou au fioul, la pompe à chaleur air/eau prend la place de la chaudière sur le même réseau d'eau. L'unité extérieure reste dehors, posée au sol ou fixée au mur. À l'intérieur, un module hydraulique de la taille d'une chaudière murale regroupe le plus souvent l'échangeur, une pompe de circulation, un vase d'expansion, des vannes et la régulation. Deux types de liaisons relient les deux unités : des tuyaux de réfrigérant dans un modèle en deux parties, ou des tuyaux d'eau quand tout le circuit frigorifique est enfermé dans l'unité extérieure. Le choix entre ces deux montages, monobloc ou bi-bloc, change surtout la pose et les qualifications demandées à l'installateur.

L'eau chauffée par le condenseur part vers les radiateurs ou le plancher chauffant, y cède sa chaleur aux pièces, puis revient plus froide vers le module. Ce va-et-vient ne change pas par rapport à la chaudière. Ce qui change, c'est la façon de produire la chaleur, et donc la température à laquelle l'appareil travaille le mieux.

Une chaudière chauffe l'eau à la flamme et s'accommode d'une eau très chaude sans perdre grand-chose. Une pompe à chaleur peut chauffer l'eau très chaude, mais chaque degré supplémentaire lui coûte du rendement. Sa régulation suit donc une loi d'eau : une courbe, réglée à la mise en service, qui fixe la température de l'eau envoyée aux radiateurs en fonction de la température lue par une sonde extérieure. Par une journée douce, l'eau part tiède ; quand il gèle, elle part plus chaude. La fiche officielle des primes des fournisseurs d'énergie (BAR-TH-171) impose d'ailleurs un régulateur de classe IV à VIII, c'est-à-dire capable de suivre la météo.

Quand la pompe à chaleur produit aussi l'eau chaude sanitaire, le module bascule à intervalles réguliers sur un ballon de stockage. L'eau du ballon doit être chauffée plus fort que celle des radiateurs, ce qui fait baisser le rendement sur cet usage. Une résistance électrique complète parfois la chauffe du ballon, en secours ou pour des cycles contre les légionelles, ce que la fiche officielle autorise expressément.

Pourquoi le rendement baisse-t-il quand il gèle ?

Le compresseur doit faire monter le réfrigérant de la température de l'air extérieur jusqu'à celle de l'eau de chauffage. Plus l'écart entre les deux est grand, plus il travaille, et plus il consomme d'électricité pour chaque kWh de chaleur rendu. Par grand froid, l'écart se creuse des deux côtés : l'air est plus froid, et la loi d'eau demande une eau plus chaude pour compenser les pertes de la maison. Le coefficient de performance baisse alors nettement par rapport à une journée de mi-saison.

La campagne de mesure de l'ADEME donne deux ordres de grandeur utiles pour une maison du Nord, du Pas-de-Calais, de Seine-et-Marne ou des Yvelines :

• la température de l'eau de chauffage est le premier facteur de performance : on gagne environ un point de coefficient de performance pour chaque baisse de 10 °C de l'eau envoyée aux radiateurs ;
• le climat compte aussi, dans une moindre mesure : les pompes à chaleur installées dans les régions les plus douces ont donné des performances supérieures d'environ 30 % à celles des régions les plus rudes.

L'ADEME conclut pourtant que la pompe à chaleur air/eau reste performante dans les zones froides et dans les maisons mal isolées, à condition d'être bien posée et bien réglée. Ce qui pèse le plus n'est donc pas le climat lui-même, mais la température d'eau que réclament vos radiateurs. Une maison des années 70 avec de petits radiateurs en fonte demande une eau chaude par grand froid ; notre guide sur la pompe à chaleur haute température montre comment tester vos radiateurs avant de choisir un modèle.

À quoi sert le dégivrage de l'unité extérieure ?

Par temps froid et humide, autour de 0 °C et en dessous, les ailettes de l'évaporateur sont plus froides que l'air qui les traverse. L'humidité de l'air s'y dépose sous forme de givre, comme sur une vitre de voiture un matin d'hiver. Une couche de glace gêne le passage de l'air et le transfert de chaleur : si on la laissait s'épaissir, la pompe à chaleur ne capterait presque plus rien.

La régulation déclenche donc des dégivrages. Le plus souvent, le cycle s'inverse quelques minutes : le gaz chaud du compresseur est envoyé vers l'unité extérieure, qui fait fondre la glace. Pendant ce temps, l'appareil ne chauffe plus la maison, et prend même un peu de chaleur au circuit d'eau. On voit alors un nuage de vapeur sortir de l'unité extérieure et de l'eau s'écouler dessous. C'est normal, et cela explique plusieurs règles de pose :

• l'unité extérieure doit être surélevée et l'eau de fonte évacuée, pour qu'elle ne gèle pas en plaque sous l'appareil ou sur un passage ;
• elle ne doit pas souffler contre un mur ou une haie trop proche, qui renverrait l'air froid vers la grille ;
• la vapeur de dégivrage ne doit pas inquiéter les voisins : ce n'est pas de la fumée.

Des dégivrages très fréquents, une unité extérieure prise dans un bloc de glace ou de l'eau qui gèle sous l'appareil signalent un défaut de réglage, de remplissage en réfrigérant ou d'implantation. C'est un motif d'appel à l'installateur, de préférence sous garantie.

Quand l'appoint électrique prend-il le relais ?

La plupart des pompes à chaleur air/eau ont une résistance électrique intégrée au module intérieur, l'appoint. Elle chauffe l'eau directement, sans cycle frigorifique, avec un rendement de 1 : un kWh d'électricité donne un kWh de chaleur. C'est près de trois fois plus cher à l'usage qu'une pompe à chaleur qui tourne au coefficient moyen mesuré par l'ADEME (calcul de la rédaction).

L'appoint sert dans trois situations :

1. Par grand froid, quand la pompe à chaleur ne couvre plus seule les besoins de la maison. Le point où cela arrive s'appelle le point de bivalence. Plus il est bas, plus l'appoint est rare.
2. Pendant les dégivrages, pour éviter que l'eau des radiateurs ne refroidisse trop.
3. En secours, si le compresseur tombe en panne, le temps de la réparation.

Que l'appoint s'allume quelques heures lors des journées les plus froides de l'hiver n'a rien d'anormal. Qu'il tourne des jours entiers est un signe de sous-dimensionnement : la pompe à chaleur choisie est trop petite pour la maison. Pour l'éviter, la fiche officielle BAR-TH-171 exige une note de dimensionnement calculée sur les déperditions de la maison à la température de base, la température extérieure de référence la plus froide du lieu. Cette note doit vous être remise à l'engagement des travaux, et l'appareil posé doit la respecter. Demandez-la, et vérifiez la puissance retenue avec notre calcul de la puissance d'une pompe à chaleur.

L'appoint ne doit pas être confondu avec une pompe à chaleur hybride, qui garde une chaudière au gaz pour les jours froids. L'hybride n'est plus financée par MaPrimeRénov' depuis le 1er septembre 2026 (guide de l'Anah), et une pompe à chaleur associée à un autre système de chauffage n'ouvre pas droit à la prime de la fiche BAR-TH-171.

Quelle performance mesure-t-on dans les maisons équipées ?

Les catalogues annoncent des coefficients mesurés au banc d'essai, dans des conditions fixées par les normes. Pour savoir ce que donne une pompe à chaleur dans une vraie maison, l'ADEME et la Direction générale de l'énergie et du climat ont instrumenté 90 pompes à chaleur air/eau et 10 pompes à chaleur géothermiques pendant une année complète. Toutes avaient été posées récemment dans des maisons individuelles, à la place d'une chaudière au gaz ou au fioul. Les résultats ont été publiés en octobre 2025.

Coefficient de performance mesuré sur une saison de chauffe dans des maisons qui chauffaient au gaz ou au fioul : chaleur produite pour 1 kWh d'électricité consommé.

• Air/eau, installation la moins performante1,8
• Air/eau, eau chaude sanitaire (moyenne)2,0
• Air/eau, chauffage (moyenne)2,9
• Géothermie, chauffage (moyenne)4,1
• Air/eau, installation la plus performante4,5

Source : ADEME, Avis sur les performances réelles des pompes à chaleur, campagne de mesure sur 90 pompes à chaleur air/eau et 10 géothermiques, octobre 2025

En chauffage, les pompes à chaleur air/eau ont fourni en moyenne 2,9 kWh de chaleur pour 1 kWh d'électricité, avec de grands écarts d'une maison à l'autre : de 1,8 à 4,5. Un tiers d'entre elles restaient sous 2,5, à cause de problèmes de pose ou de réglage. Selon l'ADEME, corriger ces réglages ferait gagner environ un point de coefficient de performance.

Pour l'eau chaude sanitaire, le résultat est moins bon : 2,0 en moyenne pour les pompes à chaleur air/eau, avec près de la moitié de l'échantillon sous 2. L'ADEME attribue cet écart à la régulation des appareils, en particulier à des températures de stockage trop élevées et à des déclenchements de résistance.

Rapportée à la maison, l'ADEME retient qu'une pompe à chaleur air/eau divise en moyenne par deux la facture de chauffage par rapport au gaz, et fait gagner une à deux classes au diagnostic de performance énergétique. Le surcoût d'achat face à une chaudière a été rentabilisé en huit ans en moyenne sans les aides, en deux ans avec celles que les ménages de l'échantillon ont perçues, avec là aussi une forte variabilité.

Quels réglages font gagner le plus ?

L'ADEME classe les causes de mauvais rendement par ordre d'importance. En tête vient la température de l'eau de chauffage, qui dépend des besoins de la maison et de la taille des radiateurs. Les leviers suivent le même ordre.

Faire régler la loi d'eau au plus bas. À la mise en service, l'installateur règle la courbe de chauffe. Beaucoup la laissent trop haute par prudence. Abaissée par paliers, au fil des premières semaines froides, jusqu'à la température d'eau la plus basse qui garde la maison confortable, elle fait gagner du rendement tout l'hiver. Elle doit être revue après des travaux d'isolation, qui réduisent les besoins.

Agrandir les surfaces de chauffe là où il le faut. Plus un radiateur est grand, plus il chauffe la pièce avec une eau tiède. Remplacer les deux ou trois radiateurs trop petits de la maison, souvent ceux des pièces les plus froides, permet de baisser la température d'eau pour tout le réseau. Un plancher chauffant, qui fonctionne avec une eau tiède, donne les meilleurs résultats.

Isoler, avant ou après. Selon l'ADEME, l'isolation divise environ par deux la facture de chauffage, quelle que soit l'énergie. Faite avant la pose, elle permet une pompe à chaleur de plus faible puissance, donc moins chère : l'ADEME estime le surcoût matériel entre 1 000 et 2 500 € par kW supplémentaire. Faite après, elle reste utile, à condition de réajuster la loi d'eau.

Soigner la pose. Calorifuger les tuyaux et dimensionner correctement l'appareil : l'ADEME range la qualité de l'installation parmi les facteurs secondaires, mais elle attribue aux défauts de pose et de réglage les résultats du tiers le moins performant.

1. 1

   La température extérieure baisse la nuit

   La régulation lit la sonde extérieure et relève la température de l'eau envoyée aux radiateurs, selon la loi d'eau réglée à la mise en service.

2. 2

   Le compresseur tourne plus vite

   Il faut plus d'électricité pour chaque kWh de chaleur : le coefficient de performance baisse.

3. 3

   Du givre se forme sur l'unité extérieure au petit matin

   L'air humide et froid gèle sur les ailettes de l'évaporateur et gêne le passage de l'air.

4. 4

   Dégivrage automatique quelques minutes

   Le cycle s'inverse brièvement pour faire fondre la glace ; un nuage de vapeur sort de l'unité et l'eau de fonte s'écoule.

5. 5

   L'appoint électrique complète si besoin aux heures les plus froides

   Si la pompe à chaleur ne couvre plus seule les besoins, la résistance prend le relais pour la part manquante.

6. 6

   Retour au fonctionnement normal dans la journée

   L'air se radoucit, la température de l'eau redescend et le rendement remonte.

Source : Principe de fonctionnement décrit par la rédaction ; ADEME, avis d'octobre 2025, pour le rôle de la loi d'eau

Le principe change-t-il pour une PAC air/air ou géothermique ?

Le cycle frigorifique reste le même. Seules changent la source où l'on prend la chaleur et la façon de la distribuer.

Une pompe à chaleur air/air prend la chaleur dehors comme une air/eau, mais la souffle directement dans les pièces par des unités murales ou des gaines. Elle ne se raccorde ni aux radiateurs ni au ballon d'eau chaude, et peut rafraîchir l'été en inversant son cycle. L'ADEME a suivi 88 logements équipés à la place de leur chauffage, souvent électrique : la consommation d'électricité de chauffage y a été divisée par deux en moyenne.

Une pompe à chaleur géothermique prend la chaleur dans le sol ou dans une nappe, par des capteurs enterrés ou des sondes dans un forage. Sous la surface, la température varie peu au fil de l'année : la source reste tiède quand l'air gèle. Dans la campagne de l'ADEME, les dix géothermiques suivies ont donné un coefficient moyen de 4,1, de 2,4 à 7,5, les meilleurs résultats venant de sondes verticales associées à un plancher chauffant. En contrepartie, il faut un forage ou des travaux de terrassement.

Pour choisir l'appareil adapté à votre maison et à vos radiateurs, rien ne remplace une visite technique. Notre guide complet sur la pompe à chaleur air/eau part de la chaudière à remplacer, et vous pouvez être rappelé par un chauffagiste RGE qui viendra mesurer les déperditions sur place.

Questions fréquentes

Une pompe à chaleur fonctionne-t-elle par -10 °C ?

Oui. Les pompes à chaleur air/eau vendues pour le chauffage continuent de produire de la chaleur bien en dessous de zéro, avec un rendement plus faible. Ce qui compte est le dimensionnement : la note exigée par la fiche officielle BAR-TH-171 calcule la puissance nécessaire à la température de base de votre commune, la plus froide de référence.

Pourquoi de la fumée sort-elle de l'unité extérieure en hiver ?

C'est de la vapeur d'eau produite pendant le dégivrage, quand l'appareil fait fondre le givre de sa grille. Elle disparaît en quelques minutes. De l'eau s'écoule aussi sous l'unité : elle doit être évacuée pour ne pas geler en plaque.

Une pompe à chaleur produit-elle l'eau chaude ?

Une pompe à chaleur air/eau peut chauffer un ballon d'eau chaude sanitaire, intégré au module intérieur ou posé à côté. L'ADEME a mesuré un rendement moyen de 2,0 sur cet usage, plus bas qu'en chauffage, car l'eau du ballon doit être stockée plus chaude.

Faut-il changer les radiateurs ?

Pas forcément. Beaucoup de radiateurs en fonte ou en acier fonctionnent avec une pompe à chaleur, au prix d'une eau plus chaude par grand froid. Remplacer les quelques radiateurs trop petits permet souvent de baisser la température d'eau de tout le réseau et de gagner en rendement.

Combien de temps dure une pompe à chaleur ?

La fiche officielle des primes des fournisseurs d'énergie retient une durée de vie conventionnelle de 17 ans pour une pompe à chaleur air/eau.