POMPES À CHALEUR
Install Magazine 946 – décembre 2017

Efficacité énergétique des pompes à chaleur à entraînement électrique

Résultats pratiques issus du monitoring

Le programme ‘Modellprojekte im Effizienzhaus Plus-Standard’ pour les habitations à énergie positive du ministère allemand de l’environnement a soutenu dans une première phase des projets de construction qui produisaient plus d’énergie –sur base de sources renouvelables- qu’ils n’en consommaient. À travers toute l’Allemagne, on dénombre 37 projets pilotes (figure 1) dont les performances ont été mesurées et évaluées dans le cadre d’un programme de recherche scientifique du Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP.

Un bâtiment à énergie positive doit, sur base annuelle, produire plus d’énergie qu’il n’en consomme, à partir des sources d’énergie renouvelable qui sont disponibles sur le terrain, et ce tant en termes d’énergie finale que d’énergie primaire. Le portail internet Effizienzhaus Plus du centre de recherche Zukunft Bau fournit des informations sur chaque projet pilote, sous la forme d’une fiche avec les données du bâtiment et des mesures actuelles.

Générateurs de chaleur

Les besoins thermiques des projets pilotes furent dans la plupart des cas couverts par des PAC à entraînement électrique (32 habitations). Réparties selon la source de chaleur, cela donne cela : sol (13), air (12) et eau (7). La puissance de l’installation se situait entre 1,5 et 20 kW dans une maison unifamiliale, et de 7 à 120 kW dans les appartements.

Résultats du monitoring

Nous disposons pour les 16 projets, après une période de mesure de deux ans, de suffisamment de données pour déterminer un rendement annuel moyen de la PAC. Cela reflète le rapport de la chaleur restituée par rapport à l’énergie électrique absorbée. Le rendement qui est dans la pratique atteint, ne peut pas être comparé tel quel au paramètre de conception COP. Ce dernier est déterminé en laboratoire, et se limite au seul appareil. Les profils d’utilisation et conditions météo concrets ne sont pas ici pris en compte.

La figure 2 montre les limites du système pour déterminer le rendement dans la pratique. Dans cette étude, nous tenons compte des limites des systèmes 2 et 3. La limite du système 2 comprend l’émission de chaleur de la PAC, y compris une éventuelle résistance électrique. La limite du système 3 tient compte de l’énergie délivrée par le ballon tampon en question, par rapport à la consommation électrique de l’installation de PAC, y compris tous les circulateurs. De cette manière, le rendement annuel tient compte des pertes à l’arrêt du ballon tampon. Étant donné qu’il manque des points de mesure dans certaines installations, on a, dans ces cas-là, uniquement pu déterminer le rendement au sein de la limite du système 3.

Les résultats ont été évalués à l’aide de critères de la législation allemande sur les énergies renouvelables. Pour pouvoir, dans ce contexte, bénéficier de primes, il faut atteindre l’objectif suivant : rendement annuel de 3,3 pour les PAC air-eau, en tenant compte de la production d’ECS ; et 3,8 pour tous les autres types de PAC.

Résultats de la limite du système 2

Pour 15 installations, on a pu déterminer le rendement annuel au sein de la limite du système2, après deux ans de monitoring (figure 3). Pour sept installations, il s’agissait des données d’une année ; et pour huit autres, de données portant sur deux ans. Les PAC air-eau étudiées atteignent un rendement moyen de 2,6. Comme on pouvait s’y attendre, le rendement annuel des PAC géothermiques est supérieur, avec 3,2. Dans le cas des deux PAC eau-eau, le rendement varie entre 2,7 et 4,4, pour une moyenne de 3,2. Lors du monitoring, peu de PAC atteignent donc la limite inférieure pour les primes selon la législation environnementale.

Résultats de la limite du système 3

Pour la limite du système 3, les rendements se révèlent inférieurs à ceux de la limite du système 2. Dans ce cas, on tient en effet compte de l’installation totale (chauffage + ECS). Les moyennes sont ici de 1,5 pour les PAC eau-eau, de 2,2 pour les PAC air-eau et de 2,5 pour les PAC sol-eau.

Évaluation

Comme pour quasiment toutes les installations, il y a une marge d’amélioration, tant durant la première année de la campagne de mesures qu’après la fin du monitoring. Quelques systèmes ont même été complètement remplacés au cours de la première année de mesures. Suivirent alors des optimalisations des paramètres de fonctionnement, par exemple le réglage des températures de départ. Dans certaines installations, on disposait de suffisamment de valeurs mesurées pour analyser en détail la cause des erreurs. On a ainsi pu déterminer une série d’erreurs typiques, parmi lesquelles :

Des parties de l’installation de chauffage étaient souvent en fonctionnement toute l’année, et causèrent donc de considérables pertes en régime de veille.
Par rapport aux valeurs définies par la norme, on a constaté des températures intérieures supérieures de 3 K, ainsi qu’une consommation d’ECS bien plus élevée.
Une optimalisation imparfaite de la stratégie de régulation avait un effet négatif sur le rendement annuel.
La nécessité d’avoir des températures plus élevées dans le circuit sanitaire, en raison de la lutte contre la légionnelle dans les appartements, a entraîné des rendements inférieurs.

Mieux l’enveloppe du bâtiment est isolée, plus la part de la consommation d’énergie pour l’ECS augmente. Cela a également un effet négatif sur le rendement annuel. Dans les habitations mieux isolées, les rendements sont en moyenne inférieurs à ceux des habitations moins bien isolées.

Un planning d’installation détaillé et la documentation relative à l’équilibrage hydraulique n’étaient en général pas disponibles, ce qui fait que ces aspects purent difficilement être évalués. Un surdimensionnement et un équilibrage hydraulique insuffisant peuvent toutefois avoir une influence négative sur le rendement annuel.

Recommandations

On doit s’assurer que la conception et l’exécution de l’installation soient réalisées avec soin, avec une attention particulière accordée à l’interaction entre les différents composants du système de chauffage, au comportement de l’utilisateur et aux performances énergétiques du bâtiment. Une formation accrue pour les concepteurs et praticiens se révèle donc nécessaire.

Pour évaluer les performances des systèmes dans la pratique et ainsi aboutir à de meilleures performances, le monitoring se révèle sensé et même nécessaire. Dans ce cas, le projet de monitoring doit déjà être défini dans la phase de conception. Les valeurs mesurées doivent, au cours des premières années, être évaluées en continu, tout en gardant un œil sur l’optimalisation.

Jusqu’à présent, les fabricants ne sont pas partisans des garanties de performance. Ces dernières constituent tout de même un objectif dans le cadre de la protection des consommateurs. La conception de systèmes simples et robustes, en combinaison avec la formation permanente des concepteurs et des praticiens, et une information intelligible des utilisateurs, doit contribuer à l’obtention de rendements d’installation nettement plus élevés dans la pratique.

Par Antje Bergmann, Hans Erhorn

Figures: Fraunhofer IBP