Évaporation → compression → condensation → détente. Échanges thermiques air-fluide-eau, COP théorique de Carnot.
Le cycle frigorifique en 4 étapes : comprendre comment une PAC air/eau produit de la chaleur
Une PAC air/eau ne "crée" pas la chaleur, elle la transporte. Le moteur de ce transport est le cycle frigorifique, la même thermodynamique qu'un réfrigérateur, inversée. Quatre étapes, un fluide qui change d'état, un compresseur qui "remonte" la chaleur de l'air extérieur (même à -7 °C) vers l'eau du circuit chauffage. Comprendre ce cycle, c'est comprendre pourquoi le COP dépend du saut de température, pourquoi un détendeur abaisse brutalement la pression, pourquoi le choix du fluide (R32, R290, R454B) change la performance, et comment lire un devis de chauffagiste sans se faire piéger.
Le principe en une phrase
Un fluide frigorigène circule en boucle fermée dans la PAC. Il s'évapore en captant la chaleur de l'air extérieur, est comprimé pour monter en température, se condense en cédant cette chaleur à l'eau du circuit, puis se détend pour repartir au point de départ. C'est l'inverse exact d'un réfrigérateur — qui prend la chaleur de l'intérieur de l'enceinte pour la rejeter à l'arrière.
L'électricité consommée n'alimente qu'un seul élément : le compresseur. Tout le reste (changements d'état, échanges thermiques) est de la physique passive.
Les 4 étapes en détail
1. Évaporation — le fluide capte la chaleur de l'air extérieur
- Le fluide frigorigène (R32, R290 ou R454B selon le modèle) entre dans l'évaporateur, situé dans l'unité extérieure.
- Il arrive à l'état liquide, à basse pression (3-5 bar selon le fluide) et basse température (-15 à -5 °C, plus froid que l'air extérieur).
- L'évaporateur est un échangeur à ailettes en aluminium balayé par un ventilateur axial.
- L'air extérieur, plus chaud que le fluide, lui cède de la chaleur. Le fluide se vaporise : passage de l'état liquide à l'état gazeux.
- En sortie d'évaporateur : gaz basse pression, basse température (typiquement 0 à 5 °C).
C'est cette étape qui utilise l'air extérieur comme source d'énergie. Plus l'air est chaud, plus le fluide capte d'énergie facilement, plus le COP est élevé. À -7 °C l'air contient encore largement assez d'énergie thermique pour évaporer le fluide — l'astuce, c'est que le fluide circule à -15 ou -20 °C.
2. Compression — le compresseur élève pression et température
- Le gaz arrive dans le compresseur (le seul composant alimenté en électricité).
- En 2026, la quasi-totalité des PAC résidentielles utilisent un compresseur scroll ou scroll inverter (vitesse variable).
- Le compresseur comprime le gaz à haute pression (20-30 bar selon fluide).
- Conséquence physique : la température monte aussi (loi des gaz parfaits, PV = nRT). Le gaz peut atteindre 80-110 °C en sortie.
- En sortie de compresseur : gaz haute pression, haute température.
C'est l'étape qui consomme l'électricité. Un compresseur inverter module sa vitesse selon la demande : à 30 % de charge il consomme 30 % de la puissance nominale, ce qui évite les courts cycles destructeurs et améliore le SCOP.
3. Condensation — le gaz cède sa chaleur à l'eau du circuit
- Le gaz chaud haute pression entre dans le condenseur, généralement un échangeur à plaques inox brasées cuivre (BPHE) situé dans l'unité intérieure (bibloc) ou la coque extérieure (monobloc).
- De l'autre côté de l'échangeur circule l'eau du circuit chauffage, plus froide que le gaz (25-50 °C en retour).
- Le gaz cède sa chaleur à l'eau. En perdant de l'énergie, il se refroidit et se condense : passage de l'état gazeux à l'état liquide.
- En sortie de condenseur : fluide liquide, haute pression, chaud (50-70 °C).
- L'eau du circuit ressort à 30-55 °C selon le réglage de la loi d'eau, et part vers les radiateurs ou le plancher chauffant.
C'est l'étape de transfert utile : c'est ici que la PAC chauffe le logement.
4. Détente — le fluide retourne au point de départ
- Le fluide liquide haute pression passe dans le détendeur, qui peut être :
- Détendeur thermostatique (TXV, mécanique, sur PAC d'entrée de gamme) ;
- Détendeur électronique (EEV, piloté par la régulation, standard sur PAC inverter modernes).
- Le détendeur réduit brutalement la pression par étranglement (effet Joule-Thomson).
- Conséquence : la température chute (à -15 / -20 °C selon le fluide).
- Le fluide repart vers l'évaporateur. Le cycle recommence — typiquement 120 à 200 fois par heure sur une PAC en marche.
Le détendeur électronique permet une régulation fine du débit de fluide selon les conditions, ce qui maintient un bon SCOP sur une plage large de températures extérieures.
Schéma du cycle (vue compacte)
HAUTE PRESSION
+----------------------+
| |
| GAZ chaud |
| 80-110 °C |
| v
| +---------------------+
| | CONDENSEUR |
| | (echangeur a plaques)|
+----+ | Eau 30-55 °C sortie |
| +----------+----------+
| |
| LIQUIDE chaud
| haute pression
| |
| v
+--+---+ +-----+------+
| COMP | | DETENDEUR |
| SCROLL| | TXV ou EEV|
| INVERTER +-----+------+
+--+---+ |
^ LIQUIDE froid
| basse pression
| GAZ froid |
| basse pression v
| +---------------------+
| | EVAPORATEUR |
| | (ailettes alu |
+----------+ + ventilateur) |
| Air ext -7 a +15 °C |
+---------------------+
BASSE PRESSION
Le cycle se lit dans le sens horaire : compresseur → condenseur (transfert chaleur à l'eau) → détendeur → évaporateur (capte chaleur de l'air) → retour au compresseur.
Le COP théorique : la limite de Carnot
Formule de Carnot
Le COP théorique maximal d'une PAC est donné par le cycle de Carnot, qui fixe la borne supérieure absolue :
COP_Carnot = T_chaude / (T_chaude - T_froide)
Avec T_chaude et T_froide exprimées en kelvins (K = °C + 273,15).
Exemple chiffré
PAC plancher chauffant, conditions A-7/W35 :
- Air extérieur -7 °C → T_froide = 266,15 K.
- Eau de départ 35 °C → T_chaude = 308,15 K.
- COP_Carnot = 308,15 / (308,15 - 266,15) = 308,15 / 42 = 7,3.
Mais aucune PAC réelle n'atteint Carnot. À cause des pertes :
- Frottement mécanique dans le compresseur (-15 à -25 %).
- Échangeurs imparfaits (ΔT de pincement de 3-5 °C → -10 %).
- Compression non isentropique (réchauffement gaz parasite).
- Pertes électriques moteur et électronique.
Rendement isentropique d'un compresseur scroll inverter : 0,55-0,65. Multiplié par Carnot 7,3, on obtient un COP réel A-7/W35 ≈ 3,2-4,0 selon modèle. C'est exactement l'ordre de grandeur des fiches techniques 2026.
Tableau Carnot vs réel
| Régime | Air ext | Eau dep | COP Carnot | COP réel marché |
|---|---|---|---|---|
| Plancher chauffant idéal | +7 °C | 30 °C | 13,5 | 5,0-5,5 |
| Plancher chauffant nominal | +7 °C | 35 °C | 11,0 | 4,5-5,2 |
| Plancher chauffant grand froid | -7 °C | 35 °C | 7,3 | 3,2-4,0 |
| Radiateurs basse T° | +7 °C | 45 °C | 8,4 | 3,9-4,5 |
| Radiateurs moyenne T° | +7 °C | 55 °C | 6,8 | 3,2-3,8 |
| Radiateurs haute T° R290 | -7 °C | 65 °C | 4,6 | 2,2-2,8 |
Lecture : plus le saut de température (T_chaude - T_froide) est petit, plus Carnot est grand, plus le COP réel suit. C'est pourquoi un plancher chauffant à 30 °C donne toujours un meilleur SCOP qu'un radiateur fonte à 65 °C.
Voir COP et SCOP : performances réelles.
Les composants en détail
Évaporateur
- Type : échangeur à ailettes aluminium sur tubes cuivre.
- Surface : 1,5 à 4 m² selon puissance.
- Ventilateur axial (1 ou 2 selon kW) à vitesse variable, 30-50 dB(A) à 1 m.
- Givrage en hiver humide → cycle de dégivrage automatique (inversion du cycle pendant 5-10 minutes, l'eau du circuit redescend à 25 °C temporairement).
Compresseur
- Scroll : standard 2026 sur PAC résidentielle, fiabilité 15-20 ans.
- Inverter : régulation continue 30-100 % de la puissance, allonge la durée de vie et améliore le SCOP de 10-15 %.
- Compresseur double-étages ou injection vapeur (Mitsubishi Zubadan, Daikin Altherma 3 H HT) : maintien de la puissance jusqu'à -25 °C, indispensable en zone H1c.
Condenseur
- Échangeur à plaques brasées inox + cuivre, 20-50 plaques selon puissance.
- ΔT eau typique 5-7 °C (ex : entrée 30 °C, sortie 35 °C).
- Calorifugé pour limiter les pertes vers le local technique.
Détendeur
- Thermostatique (TXV) : régulation par bulbe sur la conduite d'aspiration, simple, robuste.
- Électronique (EEV) : moteur pas-à-pas piloté par la régulation, plus précis, indispensable pour PAC inverter et modèles climat froid.
Les fluides frigorigènes utilisés en 2026
Le choix du fluide influe directement sur la performance, le GWP (Global Warming Potential, impact climatique en cas de fuite) et la conformité au règlement F-Gas (UE 2024/573).
| Fluide | GWP | Inflammabilité | T° de service | Statut 2026 | Usage typique |
|---|---|---|---|---|---|
| R32 | 675 | A2L (faible) | jusqu'à 60 °C eau | Majoritaire, fin petits formats au 1er janvier 2027 | PAC air/eau standard, BT et MT |
| R290 (propane) | 3 | A3 (forte) | jusqu'à 75 °C eau | En forte croissance, futur standard | PAC haute T°, climat froid, R290 par excellence |
| R454B | 466 | A2L | jusqu'à 60 °C eau | Émergent (Daikin, Mitsubishi) | Alternative R32 sur petits formats |
| R410A | 2 088 | A1 | jusqu'à 50 °C eau | Interdit en neuf depuis 2025 | Ancien parc, à remplacer en SAV |
Pourquoi le fluide compte
- Pression de service : le R290 travaille à pression plus faible que le R32, ce qui réduit l'effort compresseur et améliore le COP de 5-10 % en haute température.
- Plage de fonctionnement : le R290 atteint 75 °C de départ d'eau (utile pour radiateurs anciens), R32 plafonne à 60 °C.
- Inflammabilité A3 (R290) : impose des contraintes de placement de l'unité extérieure (distance bâti, ventilation).
- F-Gas : la quantité totale de R32 mise sur le marché UE est en réduction programmée. À horizon 2030, la majorité des PAC seront en R290 ou en alternatives ultra-bas GWP.
Voir Fluides R32, R290, R454B.
Pertes et limites du cycle réel
Le cycle théorique idéal (cycle de Carnot inverse) est inatteignable. Plusieurs pertes dégradent le COP :
| Source de perte | Impact COP |
|---|---|
| Rendement isentropique compresseur (0,55-0,65) | -35 à -45 % vs Carnot |
| Pincement échangeurs (ΔT 3-5 °C) | -8 à -12 % |
| Pertes thermiques tuyauterie frigorifique | -2 à -4 % |
| Pertes électriques moteur + variateur | -3 à -5 % |
| Givrage / dégivrage hiver | -3 à -8 % saisonnier |
| Cycle court (surdimensionnement) | -10 à -25 % |
Conséquence pratique : un COP catalogue est une mesure laboratoire propre. Le SCOP saisonnier en climat moyen est typiquement 8-12 % inférieur au COP nominal A7/W35 (mesuré sur 6 points selon NF EN 14825). Le COP réellement constaté en exploitation peut chuter encore selon installation.
Voir Surdimensionnement et court cycle et Loi d'eau.
Normes encadrant le cycle frigorifique
| Norme | Objet |
|---|---|
| NF EN 14511 | Mesure du COP nominal (A7/W35, A-7/W35, etc.) en laboratoire |
| NF EN 14825 | Mesure du SCOP saisonnier sur 6 points pondérés climat moyen |
| ErP UE 813/2013 | Étiquette énergétique (ETAS, classes A+++ → G), obligatoire depuis 2015 |
| F-Gas UE 2024/573 | Encadrement et phase-out des fluides frigorigènes selon GWP |
| NF EN 378 | Sécurité des installations frigorifiques (charge max R290, ventilation) |
| NF E 35-410 | Charge fluide en kg équivalent CO₂ et obligations de contrôle d'étanchéité |
Erreurs fréquentes
Pièges à éviter sur la compréhension du cycle
- "La PAC ne marche plus à -7 °C" : faux. Une PAC standard fonctionne jusqu'à -15 °C (limite catalogue), et les modèles climat froid descendent à -25 °C. Ce qui change, c'est la puissance utile et le COP, pas le fonctionnement.
- Confondre fluide et eau : le fluide frigorigène circule en boucle fermée à l'intérieur de la PAC. Il ne touche jamais l'eau du chauffage, ce sont deux circuits séparés par l'échangeur.
- Croire que le compresseur "chauffe" l'air : il chauffe le gaz par compression. La chaleur captée vient de l'air extérieur (étape 1), c'est ça le tour de force thermodynamique.
- Comparer un COP à la puissance : le COP est sans dimension. La puissance s'exprime en kW. Une PAC 8 kW COP 5 ne consomme pas 8 × 5 — elle restitue 8 kW thermiques en consommant 8/5 = 1,6 kW électriques.
- Ignorer les pertes du dégivrage : en hiver humide, la PAC consomme 5-8 % d'énergie en plus pour le dégivrage. C'est intégré au SCOP NF EN 14825 mais à savoir si vous suivez la consommation réelle.
- Penser que tous les fluides se valent : R32 et R290 ne se substituent pas directement. Le passage de l'un à l'autre demande un compresseur adapté, une charge différente, une régulation revue. Aucun rétrofit possible sur PAC en service.
Prochaines étapes
- Comprendre la PAC air/eau — vue d'ensemble fonctionnement.
- COP et SCOP : performances réelles — du COP de Carnot au SCOP NF EN 14825.
- Fluides R32, R290, R454B — choisir selon F-Gas 2026.
- Dimensionner sa PAC : NF EN 12831 — calcul charge thermique.