Comparaison des performances de différents types de pompes à chaleur

Analyse comparative des performances des pompes à chaleur

Dans le cadre du projet IWT-WP-DIRECT financé par l’Agence flamande pour l’innovation et l’entrepreneuriat (IWT) et réalisé par la KULeuven et l’Institut De Nayer, les performances réelles de 17 pompes à chaleur ont été mesurées et comparées. Les pompes à chaleur sont actuellement très populaires et les vendeurs peuvent parfois donner l’impression qu’elles offrent systématiquement de bonnes performances et sont donc un bon investissement. Mais est-ce vraiment le cas ? Les mesures effectuées dans le cadre de ce projet fournissent des informations précieuses sur les performances réelles de ces appareils.

On a analysé 17 pompes à chaleur en Belgique et 2 pompes à chaleur aux Pays-Bas. Les systèmes suivants ont été mesurés et suivis pendant une année complète :

• 1 Pompe à chaleur eau/eau
• 1 Pompe à chaleur horizontale sol/eau
• 4 Pompes à chaleur verticales sol/eau
• 2 Pompes à chaleur DX/eau (DX = expansion directe ; le réfrigérant s’évapore dans les conduites enterrées dans le sol)
• 11 Pompes à chaleur air/eau

Il convient de noter que nous avons collaboré avec différents fabricants qui ont sélectionné les systèmes à analyser. Nous pouvons donc supposer que les résultats obtenus correspondent aux “scénarios les plus favorables”.

Mesures effectuées

Le rendement d’une pompe à chaleur est souvent exprimé en termes de coefficient de performance (COP). Cependant, le COP est une mesure théorique qui ne tient pas compte de la consommation des pompes, des ventilateurs, du chauffage de l’accumulateur hydraulique, du post-chauffage, etc. En moyenne, le COP doit être réduit de 0,4 à 0,7 point, en fonction du type de pompe à chaleur, pour obtenir le rendement réel. Ce rendement réel est représenté par la valeur annuelle du facteur de performance saisonnier (FPS) et par la valeur mensuelle du facteur de performance (FP). Par exemple, un système avec un FPS de 3 convertit une unité d’électricité consommée en trois unités de chaleur. Dans ce projet, la consommation mensuelle liée au chauffage et à la production d’eau chaude sanitaire a été mesurée. Un FP a été obtenu pour chaque mois, ce qui a permis de calculer le FPS sur une période de 12 mois.

Pompe à chaleur eau/eau

Ce type de pompe à chaleur utilise l’eau souterraine comme source d’énergie et chauffe la maison à l’aide d’un circuit d’eau chaude. Le graphique suivant montre la répartition de la consommation d’énergie entre le chauffage des espaces et l’eau chaude sanitaire. Pendant les mois d’été, la consommation liée au chauffage est pratiquement nulle et la plupart de la chaleur produite est utilisée pour chauffer l’eau.

Pompe à chaleur horizontale sol/eau

Cette pompe à chaleur puise la chaleur dans 15 circuits d’eau horizontaux enterrés à une profondeur de 80 à 150 cm. Les graphiques ci-dessous montrent les résultats de l’analyse. En décembre, un problème de transmission des données s’est produit, ce qui explique l’absence de données pour ce mois.

Rapport entre la consommation d’énergie pour le chauffage des espaces et l’eau chaude sanitaire :

Résultat de la mesure sur 12 mois :

Pompe à chaleur verticale sol/eau

Plusieurs pompes à chaleur verticales sol/eau ont été analysées. Les illustrations ci-dessous concernent une pompe à chaleur qui puise sa chaleur dans 3 sondages profonds en forme de U jusqu’à une profondeur de 90 m.

Rapport entre la consommation d’énergie pour le chauffage des espaces et l’eau chaude sanitaire :

Résultat de la mesure sur 12 mois :

Pompe à chaleur DX/eau

Une pompe à chaleur DX est également reliée au sol, mais son fonctionnement diffère légèrement des pompes à chaleur examinées précédemment. Dans ce type de pompe à chaleur, le réfrigérant s’évapore directement dans les conduites enterrées, puis se condense dans les conduites du chauffage par le sol. Le système ne dispose donc pas d’un circuit distinct pour le réfrigérant et pour l’eau chaude, comme dans le cas des pompes à chaleur sol/eau mentionnées précédemment. Les avantages des pompes à chaleur DX résident dans l’absence de transfert de chaleur du réfrigérant vers l’eau dans le chauffage par le sol, ce qui réduit les pertes de transfert. Les illustrations ci-dessous concernent une pompe à chaleur DX qui puise sa chaleur dans 4 circuits de 70 m de long, enterrés à une profondeur de 120 m.

Rapport entre la consommation d’énergie pour le chauffage des espaces et l’eau chaude sanitaire :

Résultat de la mesure sur 12 mois :

Pompe à chaleur air/eau

Ce type de pompe à chaleur utilise l’air extérieur comme source d’énergie et chauffe la maison à l’aide d’un circuit d’eau chaude. Les pompes à chaleur air/eau ont généralement un rendement inférieur à celui des pompes à chaleur reliées au sol, car l’air extérieur contient moins d’énergie, surtout en hiver. Différentes pompes à chaleur air/eau ont été évaluées et les chiffres ci-dessous concernent une pompe à chaleur air/eau de 8 kW.

Rapport entre la consommation d’énergie pour le chauffage des espaces et l’eau chaude sanitaire :

Résultat de la mesure sur 12 mois :

Résumé des résultats

Les résultats pour les 19 pompes à chaleur évaluées sont résumés dans le tableau suivant :

Si nous calculons les moyennes par type de pompe à chaleur, nous obtenons le tableau suivant :

Il convient de souligner que la pompe à chaleur verticale sol/eau 4 était un modèle expérimental, dont les résultats ont été encore plus mauvais que prévu. Cette pompe à chaleur n’est donc pas représentative des autres pompes à chaleur verticales sol/eau et n’a pas été prise en compte dans la moyenne.

Conclusion

Les pompes à chaleur reliées au sol présentent clairement des performances supérieures à celles des pompes à chaleur air-eau. Cela s’explique facilement par le fait que, dans le cas des conduites horizontales, la température moyenne du sol est environ 3°C plus élevée que celle de l’air extérieur, et dans le cas des conduites verticales, cette différence atteint environ 8°C. Chaque degré supplémentaire entraîne une augmentation du rendement de la pompe à chaleur, ce qui explique pourquoi le rendement des pompes à chaleur reliées au sol est toujours nettement supérieur à celui des pompes à chaleur air-eau.

Si nous comparons les pompes à chaleur aux chaudières à condensation au gaz naturel, nous arrivons à une conclusion intéressante. La plupart des chaudières à condensation au gaz naturel ont un rendement d’environ 108 %. Historiquement, on considérait une perte inévitable de 11 %, et un rendement de 89 % était donc assimilé à un rendement de 100 %. Grâce aux chaudières à condensation, cette perte de 11 % a pu être réduite, ce qui signifie qu’une chaudière avec un rendement de 108 % a en réalité un rendement réel de 97 %. Nous pouvons donc affirmer que les chaudières à condensation convertissent quasiment toute l’énergie en chaleur.

Le gaz naturel coûte environ 0,07 €/kWh, tandis que l’électricité coûte environ 0,20 €/kWh. L’électricité est donc près de trois fois plus chère que le gaz naturel, et les pompes à chaleur consomment de l’électricité. Par exemple, pour une pompe à chaleur avec un FPS de 4, chaque unité d’électricité consommée produit 4 unités de chaleur. Une pompe à chaleur avec un FPS de 2,8 est donc plus coûteuse en termes de consommation qu’une chaudière à condensation au gaz naturel. En effet, pour chaque unité de chaleur produite, le coût est de 0,20/2,8 = 0,071 €/kWh, tandis que dans le cas d’une chaudière à condensation au gaz naturel, le coût est à peine de 0,07 €/kWh.

Par conséquent, nous ne pouvons pas affirmer que les pompes à chaleur sont un bon investissement dans tous les cas. Les pompes à chaleur reliées au sol offrent des rendements suffisamment élevés pour être rentables par rapport aux chaudières à condensation au gaz naturel, mais elles sont aussi très coûteuses, surtout si des forages en profondeur sont nécessaires. Si nous supposons que le logement dans lequel la pompe à chaleur est installée est bien isolé, la demande de chauffage sera faible et il faudra donc beaucoup de temps pour récupérer ce surcoût. Les pompes à chaleur air-eau avec un FPS inférieur à 3 sont plus coûteuses en termes de consommation que les chaudières à condensation au gaz naturel. Ce type de pompe à chaleur est donc utile uniquement si le logement est également équipé de panneaux solaires. Une pompe à chaleur air-eau avec un FPS de 3 consomme trois fois moins que le chauffage électrique classique, et si le logement peut produire sa propre électricité, une pompe à chaleur air-eau peut alors être un bon investissement. Cependant, cela suppose que l’électricité produite en été peut être utilisée en hiver pour le chauffage. Pour l’instant, cela est possible grâce au compteur qui avance en hiver et recule en été, mais à l’avenir, avec l’introduction des compteurs intelligents, la situation pourrait changer. Cependant, nous ne prévoyons pas l’introduction de compteurs intelligents dans un avenir proche, et de nombreuses recherches sont encore nécessaires dans ce domaine.

Vous pouvez télécharger ici le rapport final complet du projet IWT-WP-DIRECT avec tous les résultats : TÉLÉCHARGER