15 mai 2014

Pompe à Chaleur : comment bien la dimensionner, la choisir et en améliorer ses performances ?

Une « Pompe à Chaleur » ou encore « PAC », est une installation qui permet d’extraire à l'aide de capteurs des calories dans un milieu extérieur (air, sol, eau) appelé « source froide » et de les transférer à l’intérieur d’un bâtiment par l’intermédiaire d’un échangeur/émetteur de chaleur (ventilo-convecteur, plancher chauffant, radiateur) appelé « source chaude ». Le transfert de chaleur s’effectue au travers d’un fluide frigorigène en circuit fermé. C’est le même principe que votre réfrigérateur mais en sens inverse !


Pompe à Chaleur - schéma de principe

Le rapport entre l’énergie consommée (par le compresseur) et l’énergie thermique fournie par la PAC est appelé le « Coefficient de Performance » (ou COP). Si le compresseur, fonctionnant avec de l’électricité, consomme 1 kWh électrique, et que le système restitue 4 kWh thermiques (chaleur) dans un bâtiment, alors le COP est de 4.

COP = kWh thermique / kWh électrique consommé

Comment obtenir un COP moyen saisonnier le plus élevé possible pour son installation ?




Dans le tableau ci-dessous, quelques COP moyen a espérer en fonction du type de la pompe à chaleur et des émetteurs utilisés, ainsi que le coût au m² en fonction de l'isolation du bâtiment.

COP moyen d'une PAC et consommation au m²/an

Alors comment améliorer le COP de la pompe à chaleur que vous souhaitez installer ?

Il est nécessaire d’agir sur 5 aspects, notamment pour diminuer la différence de température entre la « source froide » et la « source chaude » et améliorer les performances de l’installation. En effet, le COP est intimement lié à cette différence de température : plus elle est faible, plus le COP sera élevé. En fonction des possibilités techniques et du budget disponible, on cherche donc à augmenter la température de la source froide et à diminuer celle qui sera nécessaire à la source chaude pour délivrer les calories à l’intérieur du logement.

  • Optimiser la source froide : suivant où les calories seront puisées, la source sera plus ou moins « chaude ». En aérothermie (air extérieur, air extrait sur VMC), elle est moins élevée qu’en géothermie (eau de nappe, sol) qui est donc à privilégier si cela est possible techniquement et financièrement.
  • Optimiser la source chaude : en neuf, il est préférable d’opter pour un plancher chauffant basse température (PCBT) qui fonctionnera aux alentours des 25/45°C contre 60/80°C avec des radiateurs classiques. En rénovation, si l’installation d’un PCBT ou la pose de radiateurs basse température n’est pas possible, il faut alors favoriser les travaux d’isolation qui permettront de diminuer la température de fonctionnement des radiateurs existants.
  • Correctement dimensionner la puissance de la pompe à chaleur : Le rendement d’une PAC est d’autant meilleur que les cycles de fonctionnement du compresseur sont longs et que les appoints (électriques, chaudière, …) en cas de températures extérieures extrêmes ne fonctionnent pas trop. Il faut donc choisir un compresseur adapté aux besoins de chauffage de la maison qui, suivant la configuration du bâtiment et du modèle de PAC, variera de manière optimal entre 60 à 100% du besoin maximal.
  • Utiliser un ballon tampon : il permettra d’allonger les temps de cycles et ainsi d’augmenter le COP tout en préservant le compresseur (voir l’article sur l'intérêt d'un ballon tampon pour une PAC).
  • Suivre et entretenir les éléments de votre installation : il faut régulièrement nettoyer régulièrement les ailettes de l’échangeur extérieur (1 à 2 fois par an en rinçant à l’eau) et faire réaliser un contrôle réglementaire d’étanchéité du circuit frigorigène suivant la contenance en fluide de l’installation (au-delà de 2 kg de charge : contrôle d’étanchéité annuel).


Comment déterminer correctement la puissance de la PAC ?

Sous-dimensionnée, une pompe à chaleur ne sera pas assez puissante pour répondre à la demande hivernale,  entraînant de l’inconfort ou une surconsommation avec les appoints : 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. Surdimensionnée, une pompe à chaleur en intersaison atteindra trop rapidement le besoin thermique du logement entrainant des temps de fonctionnement trop courts, des cycles marche-arrêts inférieurs à 10mn, et une usure prématurée voire une casse du compresseur.

Un bon dimensionnement suppose donc de connaître très précisément les déperditions du bâtiment pour la température de base de la zone climatique de référence. Pour ce faire, il faut faire réaliser au préalable un bilan thermique : il sert à dresser un état des lieux, à préconiser des solutions de maîtrise de l’énergie, à dimensionner la puissance chauffage nécessaire au logement pour en combattre ses déperditions, et voire les futures consommations. Il peut être réalisé par l’installateur ou un bureau d’études indépendant.

Il convient également de prendre en compte le comportement des occupants : un système déterminé pour 19°C intérieur ne conviendra pas pour un niveau de confort souhaité à 22°C.

Il faut aussi étudier avec soin l’intégration de la pompe à chaleur dans le système de chauffage du logement : quels sont les émetteurs en place (plancher chauffant, radiateurs, ventilo-convecteurs) ? Est-ce que le générateur actuel est conservé ou remplacé ? Quel mode de fonctionnement est retenu pour l’installation : monovalent, mono-énergétique, bivalent parallèle, bivalent alternatif, bivalent alternatif parallèle :

  • Monovalent : la PAC fonctionne seule et couvre 100% des besoins.
  • Mono-énergétique : la PAC fonctionne seule jusqu'à une certaine t° extérieure (point d’équilibre) ; en dessous de cette t°, la PAC fonctionne avec un appoint électrique en complément (la PAC est utilisée annuellement pour le chauffage pour 95 à 98%).
  • Bivalent parallèle : la PAC fonctionne seule jusqu'à une certaine t° extérieure (point de bivalence) ; en dessous de cette t°, la PAC fonctionne avec une chaudière en relève (la PAC est utilisée annuellement pour le chauffage pour 70 à 90%).
  • Bivalent alternatif : la PAC fonctionne jusqu'à une certaine t° extérieure ; en dessous de cette t°, la PAC est mise à l’arrêt et une chaudière prend le relais (la PAC est utilisée annuellement pour le chauffage pour 50 à 70%).
  • Bivalent alternatif parallèle : ce mode est la fusion entre le mode bivalent parallèle et le mode bivalent alternatif ; en dessous de la t° du point de bivalence, dans un premier temps, la chaudière et la PAC fonctionneront ensemble ; puis, progressivement, arrivé à une certaine t° extérieure la PAC s’arrête complètement et la chaudière prend à 100% le relais.


Enfin, il convient d’étudier les courbes de fonctionnement et de performances des pompes à chaleurs sur l’ensemble de la gamme de température opératoire. En effet, les réglementations imposent bien souvent aux constructeur à afficher un niveau de performance minimal en terme de « COP machine » pour des températures extérieures clémentes (ex. Air 7°C / Eau à 35°C) ! Or ce niveau de performance est insuffisant pour départager deux modèles de pompes à chaleur affichant des COP machines identiques sur la documentation commerciale. Elles peuvent avoir des efficacités très différentes pour des températures plus basses lorsque justement il y a besoin de plus chauffer le logement ! La liste de toutes les machines certifiées « NF PAC » est disponible sur www.certita.org et permet de se faire une idée plus précise pour des valeurs « plus » négatives !


En conclusion

Les systèmes de chauffage par pompe à chaleur ne supportent pas tout simplement la médiocrité de conception et de mise en œuvre !

Pour une installation de pompe à chaleur performante et robuste, rapprochez d’un installateur titulaire de la qualification QUALIPAC, et spécialiste de la pose de certaines marques connues pour leur savoir-faire et leur solide expérience dans domaine du chauffage (et non au départ de la climatisation !) dans des pays aux climats hivernaux particulièrement rudes (Allemagne : ViessmannStiebel Eltron, Suède : Nibe Energy Systems, …). Rappelez-vous qu’avant tout, votre pompe à chaleur servira à vous chauffer pendant plus de 200 jours par an avant de vous rafraîchir ! Pour information, plus de 50 % des maisons individuelles suédoises sont aujourd'hui équipées de pompes à chaleur, avec certaines régions où la température annuelle moyenne n'excède pas -3°C ! Ainsi à écouter certains détracteurs de la pompe à chaleur, nos voisins suédois seraient donc assez stupides pour acheter des appareils de chauffage qui ne fonctionnent pas quand il fait froid !

Enfin assurez-vous de la qualité du matériel que vous avez choisi, en vérifiant que la PAC est porteuse de la marque NF PAC qui permet de vérifier la conformité du matériel aux différentes normes en vigueur, françaises, européennes et internationales ainsi que le respect de performances minimales.



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