Une PAC, comment ça marche ?
Le fonctionnement d’une PAC n’est pas identique à celui des chauffages traditionnels : l’énergie qu’elle est capable de transférer dans l’habitation est généralement très supérieure à l’énergie électrique consommée. Mais la puissance disponible varie avec la température extérieure et en fonction de la température de consigne de l’eau de chauffage.
Le principe de fonctionnement d’une PAC : un peu de théorie
Une pompe à chaleur est un équipement qui fonctionne, comme un réfrigérateur ou un congélateur, selon un cycle thermodynamique dérivé du cycle de Carnot.
On peut avoir une petite idée de ce qui se passe lorsqu’on gonfle un pneu de vélo : on sent la pompe qui chauffe lorsqu’on gonfle rapidement le pneu. C’est ce qui s’appelle une compression adiabatique : comme on le comprime rapidement, le gaz n’a pas le temps d’échanger de la chaleur avec l’extérieur, et on constate qu’il s’échauffe. C’est ce qui se passe dans le compresseur d’une PAC.
Le gaz comprimé par la pompe à vélo va se refroidir lentement dans le pneu, transférant de l’énergie de l’intérieur du pneu vers l’extérieur du pneu. Là, on comprend qu’on peut transférer de la chaleur en comprimant un gaz et en l’envoyant se refroidir ailleurs.
Le phénomène peut être beaucoup plus efficace – et l’équipement beaucoup plus compact- si on comprime le gaz suffisamment pour qu’il change de phase et devienne liquide : le changement de phase d’un fluide absorbe ou émet beaucoup d’énergie. Pour illustrer : comparez le temps qu’il faut pour porter à ébullition une casserole d’eau (de 20 à 100° environ) et le temps qu’il faut pour l’évaporer complètement (de 100° liquide à 100° vapeur , à peu de choses près).
Voici donc les principes utilisés : quand on comprime un gaz, il se réchauffe et peut donc émettre de l’énergie (à l’inverse quand on le détend, il refroidit et peut en absorber). Et quand on choisit une pression à la quelle il change de phase, il peut emmagasiner/émettre beaucoup plus d’énergie.
En choisissant un fluide adapté et en travaillant à la pression à laquelle il change de phase (gaz ou liquide), on obtient une installation efficace et compacte.
Merci donc Sadi Carnot ! Grâce à lui et à tous ceux qui ont travaillé le sujet après lui, on peut aujourd’hui manger un sorbet à la fraise, boire une bière fraîche, chauffer sa maison ou la rafraîchir.
Après cette introduction, entrons dans le vif du sujet.
On a tous entendu parler d’une personne qui a une pompe à chaleur ‘qui ne marche pas quand il fait froid’. Quel est le problème ? En fait, la plupart du temps, il ne s’agit pas d’une panne de la pompe à chaleur, mais d’un problème de dimensionnement. Vous allez comprendre pourquoi.
La puissance nominale d’une pompe à chaleur
La puissance nominale qui est annoncée pour une pompe à chaleur air-eau est généralement celle obtenue avec une température extérieure de 7° et une température de départ de 35°.
Le COP représente le ratio entre l’énergie consommée et l’énergie transférée de l’extérieur vers l’intérieur du logement. Plus le COP est élevé, moins on consomme d’énergie pour chauffer la maison.
Néanmoins, si la température diminue et qu’on a besoin d’une température de départ pus élevée, le COP n’est plus le même : il diminue.
Puissance réelle d’une pompe à chaleur : la puissance restituée
Une pompe à chaleur lorsque ses éléments électriques fonctionnent à plein régime, consommera toujours la même quantité d’énergie.xxxxxxxxxx vérifier les ratios des cops.
En fonction des conditions extérieures d’une part et de la température nécessaire pour l’eau de chauffage d’autre part, son efficacité diminue.
Le COP varie aussi en fonction des moyens de chauffage : il sera plus élevé avec un plancher ou des murs chauffants qu’avec des radiateurs basse température et encore plus élevé qu’avec des radiateurs haute température (il reste néanmoins dans ce dernier cas supérieur à 2).
Ci-dessous un exemple avec l’Optipac MR32-10.
Vous pouvez télécharger le tableau de synthèse des puissances de nos PAC en fonction des conditions d’utilisation .
On voit sur ce tableau que le COP passe de 4.95 pour la situation favorable à 2 pour la situation défavorable. Cela signifie que quand on a un plancher chauffant, on injectera dans la maison environ 3.2 à 4.95 fois plus d’énergie qu’on a consommé d’électricité, selon la température extérieure. Par contre, en radiateur moyenne température, on restera entre 2.06 et 2.96 fois plus d’énergie injectée que consommée selon la température extérieure.
Il est a noter que pour un plancher chauffant, il n’est aujourd’hui pas nécessaire de prévoir un départ à 35°. A la maison, 25° suffisent au plus froid de l’hiver. j’attends donc un COP légèrement supérieur, pour la partie chauffage plancher. Le rendement maximal étant donné à 5.01, il ne faut quand même pas rêver. Pour la partie eau sanitaire, 2.96 est un bon estimé.
On voit aussi que si l’on est en climat tempéré, on bénéficie d’une meilleure efficacité de la PAC que par temps froid. Le top en bord de mer, mais plus délicat en montagne.
Puissance disponible d’une PAC
La puissance qu’une PAC peut injecter dans une habitation varie proportionnellement à son COP.
Le tableau ci-dessous se traduit aussi en puissance de chauffage disponible :
Dans des conditions ‘faciles’, la PAC que nous avons prise comme exemple fournira 9.57 kW, mais dans les conditions les plus sévères, elle n’en fournira que 6.71.
En clair : plus on a besoin de chauffage, et moins la PAC est en mesure de fournir de l’énergie. Le schéma ci-dessous (source Perge) illustre bien la situation.
On rejoint là une des bases du dimensionnement des installations de chauffage : elles doivent être en mesure de fournir l’énergie requise durant la semaine la plus froide de l’année, quitte à être sous-utilisée la plupart du temps.
On comprend donc qu’il ne suffit pas d’avoir une PAC d’une puissance nominale de 10 kW pour chauffer une maison qui a besoin de 10 kw de puissance quand il fait très froid : la PAC ne peut plus les fournir.
Un appoint pour la PAC
On voit là clairement qu’il arrive un moment où, selon la puissance de la PAC qu’on a choisie et les besoins que l’on a, le système aura dans la majorité des cas besoin d’un appoint.
La solution la plus simple est déjà prévue dans la PAC : une résistance de 3 kw est prévue dans les PAC monophasées par exemple.
Mais bien d’autres solutions sont possibles, selon l’installation dont on dispose :
- si l’on a par exemple une chaudière bois, un poêle bouilleur ou un poêle à granulés bouilleurs, on dispose d’un appoint qui réduira la demande à la PAC
- Un ballon tampon peut permettre de stocker de l’énergie dans la journée quand le COP est plus élevé pour la prélever la nuit quand il est plus faible.
- Prendre une PAC plus dimensionnée peut être aussi la solution très facile à mettre en œuvre
Voici abordés les éléments qui vous permettent de comprendre la problématique. Si on passait au dimensionnement ?
Dimensionnement d’une PAC : encore un peu plus précis
Si vous naviguez un peu sur internet, vous ne manquerez pas de tomber sur la fameuse formule : P=VxCxT.
Dans cette formule : P est la puissance de la PAC (qu’on majore de 10% sur certains sites) , V le volume de l’habitation, C est le coefficient de déperdition énergétique du bâtiment (fourni par le Diagnostique de Performance Énergétique du bâtiment), et T l’écart de température entre extérieur et intérieur.
Pour le volume de l’habitation, je vous laisse faire (surface multipliée par la hauteur sous plafond).
Pour l’écart de température intérieur extérieur, on trouve des données précises sur le site d’INEX qui donne des indications différentes et plus précises que celles que l’on trouve habituellement sur les sites qui parlent de dimensionnement de pompe à chaleur. En effet, pour le dimensionnement d’un chauffage, la segmentation en zones géographiques de la RT 2012 n’est pas retenue, c’est la norme NF EN 12831 qui fait référence en matière de dimensionnement des systèmes de chauffage.
De nombreux sites expliquant le dimensionnement des PAC mentionnent les zones climatiques telle que définies dans la RT 2012, moins précises, qui conviennent pour la conception des habitations, mais surtout ne sont pas conformes aux normes pour le chauffage. Et de petites approximations qui peuvent parfois causer de gros problèmes.
Pour dimensionner une PAC, il est pratique de disposer du coefficient de déperditions, si vous disposez d’un DPE (diagnostique de performance énergétique), c’est parfait. Sinon il faudra faire une description de l’habitation assez simple et qui permet de cerner assez précisément son coefficient de déperditions.
Il faudra aussi l’altitude de l’habitation, ceux qui habitent dans des départements en partie montagneux comprennent que ce paramètre est important à prendre en compte.
Le site de Cedeo, un grossiste d’expérience, décrit les différentes méthodes de calcul des pertes thermiques d’un bâtiment. En commençant par la plus exhaustive, que l’on est généralement en mesure de faire pour un bâtiment neuf ou lorsqu’on connait les caractéristiques des éléments de construction (par exemple grosse rénovation avec réfection ou première mise en place d’une isolation, remplacement des fenêtres, …).
Il mentionne pour ce faire des outils spécifiques, tableurs ou logiciels.
Cela se fait aussi au crayon et à la calculette, mais il faut connaître les formules… Je l’avais fait lorsque j’avais rénové un bâtiment dans les années 90. La théorie n’a pas changé depuis, mais les exigences ayant évolué, les matériaux ont suivi et les calculs deviennent plus fastidieux.
Pour en savoir plus, vous pouvez lire la description détaillée de la méthode de calcul des pertes en énergie d’une habitation par la méthode 3CL-DPE version 1.3. Bonne lecture !!!
Il existe aussi des méthodes simplifiées qui ont fait leurs preuves et s’utilisent donc sans risque. En particulier, lorsque le bâtiment existe et qu’on n’a pas à disposition les données techniques détaillées utilisées ci-dessus, on sait caractériser les bâtiments d’habitation à partir de données plus générique sur le bâti. Pour les conditions environnementales, elles sont aussi précises que dans le calcul théorique, basées sur le département et l’altitude. C’est ce que nous propose le simulateur de notre fournisseur.
Simulateur Perge
Perge donne accès à son simulateur en ligne à ses partenaires pour dimensionner votre installation. Ce simulateur a été conçu en utilisant les règles prévues dans les normes de dimensionnement chauffage.
Pour obtenir votre simulation, vous pouvez télécharger le questionnaire, le renseigner et nous le transmettre, nous le traiterons et vous transmettrons par retour le dimensionnement de la PAC, et les modèles qui conviennent. Mais pour connaître l’ensemble des éléments nécessaires à votre installation, il faudra un peu plus d’informations. L’idéal est de nous appeler.
Dans l’article suivant, nous discutions des différents critères qui doivent intervenir dans votre choix de PAC.
CHOISIR SA PAC
Faire le point de ses critères de choix permettra de s’assurer que l’on n’en oublie pas en cours de route. Ce serait dommage.