Dimensionnement et performance d’une Pompe à Chaleur

Quelle est la consommation d’électricité réelle d’une pompe à chaleur ? Le COP d’une machine suffit-il à déterminer les économies d’énergies qu’elle va entraîner ? Encore faut-il que la technologie soit mise en œuvre de manière pertinente.

Le choix du niveau de puissance approprié et l’interfaçage d’une pompe à chaleur avec le système de chauffage d’un logement sont des opérations sensibles à ne pas négliger. Quelle Energie vous propose cette semaine de revenir sur l’importance du dimensionnement sur la performance énergétique et la longévité d’une installation de chauffage thermodynamique.

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Comme pour les installations thermiques solaires, c’est au moment où le besoin de chaleur est le plus grand que les pompes à chaleur, en particulier aérothermiques, en fournissent le moins. Le bon dimensionnement d’une pompe à chaleur correspond donc à la détermination d’un optimum entre les capacités d’un système et le niveau du besoin de chauffage tout au long de l’année, ce qui s’avère délicat et dépendant de chaque type de technologie. Nous avons examiné en détail dans un autre article le cas le plus courant des pompes à chaleur air-eau, nous insisterons plutôt ici sur quelques « points de vigilance* » à considérer avant d’opter pour l’installation d’un modèle ou l’autre de pompe à chaleur.

Voici tout d’abord une grille de référence indicative des consommations moyennes pour les différentes types d’installations courantes, au tarif électrique en vigueur en ce début 2014. Les coefficients de performance (COP) retenus sont des valeurs annuelles indicatives pour chaque type de pompe à chaleur, dans une situation climatique moyenne. Ces performances pourront le cas échéant être dépassées selon les conditions particulières du lieu ou de l’installation, ou au contraire ressortir dégradées suite à un dimensionnement ou une mise en oeuvre malencontreux.

Quels sont les risques d’un mauvais dimensionnement ? En cas de sous-dimensionnement, une pompe à chaleur ne sera pas assez puissante pour répondre à la demande hivernale et laissera une charge trop importante à la chaudière ou au système de relève plus coûteux (souvent électrique) qu’elle était chargée de délester. D’autre part les résistances d’appoint intégrées vont représenter une part plus importante de la puissance appelée dès que la température extérieure s’abaissera sous 0°C. Du coup, l’optimum économique ne sera pas atteint. Réciproquement, en cas de sur-dimensionnement, une pompe à chaleur répondra trop rapidement au besoin thermique du logement pendant l’intersaison, ce qui se traduira par des temps de fonctionnement trop courts et des cycles marche-arrêts inférieurs à 10 mn. Ce régime de fonctionnement avec de trop nombreux redémarrages provoque une usure prématurée du compresseur, préjudiciable à la durée de vie de l’installation. Il va également dégrader l’efficacité énergétique de l’installation, et partant, son coefficient de performance saisonnier (SCOP).

Les régimes de fonctionnement hachés ont surtout caractérisé les anciennes technologies de pompes à chaleur fonctionnant en « tout ou rien ». Ces dernières ont été progressivement supplantées par un ensemble de technologies permettant une modulation de la puissance du compresseur, soit par un variateur électrique (technologies Inverter) ou mécanique (systèmes scroll). Ces évolutions permettent à machine de fonctionner de manière continue à une fraction de sa puissance nominale (jusqu’à 20% seulement) voire de la dépasser en cas de besoins de pointe, ce qui lisse les ruptures de fonctionnement dommageables. Mais ces technologies sont encore relativement récentes, et les règles de dimensionnement sont encore loin d’être répandues ou même bien établies.

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Il faut dire que le surdimensionnement a été longtemps une pratique courante des chauffagistes et installateurs de chaudières, qui ménageaient une marge de sécurité pour être certain d’assurer le niveau de confort thermique désiré même lors des jours les plus froids. Mais ce qui convient avec une chaudière n’est pas adapté à une pompe à chaleur dont le comportement est très différent : le dimensionnement optimal recommandé par l’Ademe sera plutôt de l’ordre de 70 à 100% du besoin maximal, selon le type de pompe à chaleur, là où l’on dimensionne couramment à 120% pour une chaudière. Pour faire évoluer les pratiques, L’ADEME et l’AFPAQ s’efforcent de disséminer les bonnes pratiques et autres règles de l’art auprès des professionnels, tandis que l’optimisation des technologies inverter, désormais les plus courantes, est une des pistes de recherche associées à la mise en œuvre du Grenelle de l’environnement.

Il faut dire également qu’un certain nombre d’expériences décevantes viennent alimenter le scepticisme sur la toile. Si ces témoignages sont révélateurs de dérives encore trop fréquentes, ils pointent également l’absence de retours d’expérience plus systématiques en France. De telles études ont été réalisées dans d’autres pays, ils sont riches d’enseignement. Ainsi, la campagne de l’Energy Saving Trust en Angleterre 2010 a montré que le COP annuel d’installations aérothermiques tournait autour de 2,2, avec de fortes disparités, mais surtout que les systèmes géothermiques ne faisaient guère mieux, malgré un niveau d’investissement bien plus conséquent. Ont été notamment mis en cause les pompes de circulations de frigorigènes surdimensionnées, dont la surconsommation suffisait à dégrader la performance saisonnière au niveau d’une PAC aérolique. L’organisme en a conclu que les systèmes les plus simples présentaient la meilleure efficacité. L’AFPAQ nous assura à cette occasion que la maturité du marché français était bien supérieure à celle d’outre-Manche, et que les raisons du mauvais dimensionnement en France étaient principalement liées à l’absence d’études thermiques.

Car un bon dimensionnement suppose en effet de connaître précisément les déperditions du bâtiment dans son environnement. Un audit énergétique n’est donc pas un luxe pour mieux évaluer le besoin de chauffage en fonction des caractéristiques précises du logement, dont la température de base de la zone climatique de référence. Au-delà, il convient également de prendre en compte le comportement des occupants : un système calibré à 19°C conviendra mal à un niveau de confort souhaité à 22°C. Par ailleurs, les réglementations ou préconisations en vigueur imposent souvent un niveau de performance minimal en terme de « COP machine ». Cet indicateur est tout à fait insuffisant à déterminer le niveau de performance d’un appareil sur l’ensemble de la gamme de température opératoire. Deux modèles de pompes à chaleur affichant des COP machines identiques peuvent avoir des efficacités très différentes pour des températures plus basses. Il s’agit ainsi d’étudier les courbes de performance d’un modèle de PAC pour les différentes températures usuelles dans l’environnement climatique du logement.

Il convient de même d’étudier avec soin la bonne intégration de la pompe à chaleur dans le système de chauffage du logement, et en particulier son interfaçage avec le circuit de chauffage alimentant les planchers chauffants ou radiateurs. Si le volume du circuit est trop réduit, comme par exemple dans le cas de radiateurs à haute température, il est souvent intéressant de mettre en place un ballon tampon qui permettra d’allonger les plages de fonctionnement et d’augmenter le COP global du système. Il convient également de vérifier que le débit des émetteurs en période de faible chauffe ne se retrouve pas inférieur au débit minimal de la pompe à chaleur, ce qui pourrait l’endommager. Le cas échéant, une bouteille de découplage hydraulique sera nécessaire à l’équilibre hydraulique du circuit.

Pour conclure ces quelques points et en condenser l’idée générale, citons encore l’avertissement formulé par l’ADEME : « les systèmes de chauffage par pompe à chaleur ne supportent pas la médiocrité de conception et de mise en œuvre ». Envisagez à ce titre de vous rapprocher d’un bureau d’étude thermique spécialisé dans les énergies renouvelables, il pourra vous aider à mettre en place un scénario d’économie global combinant une réduction du besoin de chauffage par une meilleure isolation de votre logement et un choix d’équipement appropriés à votre situation particulière. A long terme, c’est un investissement qui se récupère largement.

Concernant l’installation elle-même, la meilleure garantie est de confier préférentiellement le dimensionnement de votre système à un installateur titulaire de la qualification QUALIPAC. Évitez en tous cas de vous lancer au premier devis. Consultez plusieurs professionnels, en demandant des références client avec plus d’un an de retour d’expérience, et vérifiez que leurs offres répondent aux critères essentiels*.

* Fiche des points de vigilance à respecter avant une installation de pompe à chaleur, Asder.asso.fr

Sources : Ademe, AFPAQ, CSTB, Le Moniteur, Senova.