Dimensionner une pompe à chaleur en rénovation : les règles à respecter

Dans le premier cas, la trop faible puissance aura principalement deux conséquences :

- soit un fonctionnement quasi continu du compresseur qui occasionnera son usure prématurée, ce sans couvrir les besoins lors des pics de froid ;

- soit une mise en marche régulière de l'appoint électrique, avec une augmentation de la facture d'énergie à l'avenant.

Dans le second cas, un surplus de puissance provoque un bénéfice tout aussi vain : le groupe devra supporter des « cycles courts », ces épisodes de marche arrêt qui réduiront la durée de vie du compresseur.

D'où l'intérêt de viser la bonne puissance pour tout à la fois obtenir les meilleures performances, assurer la durée de vie de son installation et en maîtriser les coûts d'investissement et d'exploitation. Cette fiche fournit quelques pistes pour bien cadrer la prescription.

1- Calculer le besoin de chauffage

2- Quel régime d'eau retenir ?

3- Quelle puissance retenir ?

4- Maîtriser le volume d'eau minimal du circuit

5- Et la PAC hybride ?

6- L'incontournable régulation

1- Calculer le besoin de chauffage

L'estimation de la puissance nécessaire pour chauffer une maison à équiper d'une pompe à chaleur repose sur le calcul des déperditions, c'est-à-dire le total des pertes de chaleur de la construction.

Avant de s'engager dans ce calcul, on commencera par vérifier les factures de consommations d'énergie du système de chauffage précédent. Les volumes d'énergie, exprimés en kilowattheures, donnent un premier aperçu du besoin ; il pourra être rapproché du calcul de déperditions pour le valider ou l'ajuster.

- Le calcul des déperditions commence par un diagnostic complet de la construction, du sous-sol aux combles, et sur toutes les façades. Le but de ce tour du propriétaire est de relever la composition des murs, planchers, menuiseries extérieures avec leurs stores ou volets pour estimer leurs conductivités (lambda, λ) et résistances (R) thermiques. Ce diagnostic sera affiné d'une description des pièces pour en connaître les surfaces, les hauteurs sous plafond, les consignes de température… Même chose pour la ventilation : il faut en connaître la nature - mécanique de type auto- ou hygroréglable, naturelle - et le débit.

Enfin, il est indispensable de connaître la nature des émetteurs de chaleur existants qui seront alimentés par la future pompe à chaleur : puissance, capacité d'échange thermique (Δt, pour adapter la loi d'eau), régulation (présence de thermostatiques…), type et matériau (planchers chauffants, radiateurs fonte ou acier).

- Avec ces données, les chauffagistes disposent de toutes les informations pour produire un calcul des déperditions totales ; à noter qu'elles sont calculées pour la température de base du lieu, c'est-à-dire les températures nocturnes extrêmes mesurées au moins durant cinq jours de l'année sur une période de trente ans… corrigé de l'altitude à laquelle est située la construction. Tout est précisé dans la norme NF EN 12831 et rappelé dans les documents de référence cités.

Traditionnellement, le calcul du besoin de chauffage est le résultat de l'addition de trois types de déperditions : surfaciques, linéiques et par renouvellement d'air.

1. Les déperditions surfaciques : ce sont les pertes de chaleur par toutes les parois de l'enveloppe : façades, dalles, toiture. Elles se calculent avec la formule :

Déperditions surfaciques Ds = somme des U × A × (T_int - T_ext)

où :

            - Ds est exprimée en Watt ;

            - U est le coefficient de transmission surfacique exprimé en W/m².K ;

            - A est la surface intérieure des parois exprimée en mètre carré ;

            - T_int - T_ext est l'écart entre la température intérieure et celle extérieure, dite « de base », et exprimé en K (Kelvin).

2. Les déperditions linéiques : ce sont essentiellement les pertes de chaleur aux liaisons façades-dalles. Elles se calculent selon la formule :

Déperditions linéiques Dl = ψ × I × (T_int - T_ext)

où :

            - Dl sont exprimées en Watt ;

            - ψ est le coefficient de transmission linéique exprimé en W/m.K ;

            - I est la longueur des liaisons en mètre ;

            - T_int - T_ext est l'écart entre la température intérieure et celle extérieure, dite « de base », et exprimé en K (Kelvin).

3. Les déperditions par renouvellement d'air : ce sont les pertes de chaleur par la ventilation et les infiltrations (étanchéité des fenêtres et portes, ventilation naturelle en façade, prises et commandes électriques murales…). À noter que ce calcul ne tient pas compte des hottes de cuisine dites « tout air neuf », des cheminées à foyer ouvert…

Ces déperditions se calculent selon la formule :

                        Déperditions par renouvellement d'air Dra = 0,34 × q_v × (T_int - T_ext)

où :

            - Dra est la puissance des déperditions exprimées en Watt ;

            - 0,34 est la chaleur volumique de l'air exprimé en Wh/m³.K  ;

            - q_v est débit de renouvellement de l'air par ventilation et infiltration en mètre cube par heure ;

            - T_int - T_ext est l'écart entre la température intérieure et celle extérieure, dite « de base », et exprimé en K (Kelvin).

En cas de difficultés pour rassembler les données élémentaires pour effectuer ce travail, il existe deux autres formules plus simples. Moins fiables, elles proposent une estimation qui méritera d'être rapprochée des consommations d'énergie constatées sur factures.

La méthode par le coefficient Ubat

La formule de calcul est :

                        Déperditions (W) = ([Ubat × Sdp + R × Vh] × [T_int - T_ext])

où :

            - la valeur globale Ubat de toutes les parois (en W/m².K) est donnée empiriquement. Exemples : 0,3 pour un logement très bien isolé, 0,95 pour une maison construite selon la RT 1989, 1,8 pour une maison non isolée… ;

            - Sdp est la somme des surfaces des parois verticales en m² ;

            - R, un coefficient applicable à la ventilation mécanique contrôlée - VMC : 0,2 pour une autoréglable, 0,14 pour une hygroréglable ;

            - Vh est le volume de la construction en m³ ;

            - T_int - T_ext est l'écart entre la température intérieure et celle extérieure, dite « de base », exprimé en K (Kelvin).

La méthode par le coefficient G

Elle repose sur le choix du coefficient de déperditions volumiques G, exprimé en W/m³.°C, fixé selon deux critères : la zone climatique où est située la construction et/ou son année de construction. Ce qui fournit l'éventail de valeurs suivant pour une maison individuelle :

La formule de calcul est :

                        Déperditions (W) = G × V × (T_int - T_ext)

où

            - G est le coefficient volumique retenu, en W/m³ °C ;

            - V est le volume de la construction, en mètre cube ;

            - T_int - T_ext est l'écart entre la température intérieure et celle extérieure, dite « de base », exprimé en K (Kelvin).

Autre recours : les sites internet des fournisseurs de pompes à chaleur. La plupart d'entre eux proposent un outil de calcul, d'ailleurs basé sur l'une des méthodes décrites et prenant en compte les spécificités des matériels. Ils peuvent servir à confirmer les résultats obtenus.

2- Quel régime d'eau retenir ?

Pompe à chaleur basse, moyenne ou haute température ? Le besoin de chaleur maintenant déterminé, il est nécessaire de choisir le régime d'eau de l'installation. Les critères de décision tiennent compte des émetteurs existants et des nouveaux qui seront installés, radiateurs ou planchers chauffants.

- Avec des radiateurs en fonte, il faut préférer une PAC haute température, capable de produire un départ d'eau de 65 °C… ou s'orienter vers un système hybride (PAC et chaudière).

- Avec des radiateurs en acier, une température de départ moyenne de 45 à 65 °C conviendra.

- Si la construction est dotée de planchers chauffants, on préférera à une version basse température, d'une température de départ de 45 °C maximum.

Si le chantier prévoit un rez-de-chaussée avec plancher chauffant et un étage avec radiateur, il faut plutôt retenir une PAC disposant d'une régulation pour deux zones ; sinon, une PAC moyenne température et la régulation des planchers chauffants par vannes deux voies motorisées ou thermostatiques assureront le confort.

3- Quelle puissance retenir ?

La norme NF DTU 65.16 sur la conception et l'installation des pompes à chaleur précise clairement la modalité de choix de la puissance calorifique d'une pompe à chaleur.

- Une pompe à chaleur à fonctionnement « tout ou rien » affichera une puissance de 70 à 100 % des déperditions à la température extérieure de base.

- Une PAC à variation de puissance, dite Inverter, sera choisie selon l'inertie de l'enveloppe de la maison :

            - les maisons à inertie moyenne à lourde (pierre, béton, brique...) seront équipées de PAC d'une puissance de 70 à 100 % des déperditions ;

            - celles à inertie légère (à structure bois) adopteront une PAC d'une puissance de 80 à 100 % des déperditions.

- L'addition de la puissance de la PAC et de son appoint - généralement une résistance électrique de 3, 6, 9 ou 12 kW - ne doit pas dépasser 120 % des déperditions à la température extérieure de base.

Pour déterminer l'inertie de la construction, l'Afpac propose, en page 61-62 de son document « La pompe à chaleur air-eau - Réussir son installation en maison individuelle », une fiche d'analyse des matériaux sur la base de l'attribution de points d'inertie dont l'addition est résumée en cinq classes. À noter que, dans ce manuel rédigé au début des années 2010, ne figurent pas les matériaux de façade en ossature bois.

4- Maîtriser le volume d'eau minimal du circuit

Le DTU 65.16 attire l'attention sur deux problèmes : celui des courts cycles, et celui de l'impact du dégivrage de l'unité extérieure sur le fonctionnement de l'installation. À ces questions, une réponse est avancée : maîtriser le volume d'eau minimal du réseau de l'installation. Explications.

Selon le modèle de PAC et sa puissance, une installation nécessite un seuil de volume d'eau pour maintenir une inertie du flux en circulation et garantir une durée de fonctionnement minimale du compresseur. En l'absence de spécification du fabricant, ce volume d'eau nécessaire à la PAC peut être calculé.

Voici deux cas de figure :

- la PAC est installée sur un réseau de distribution existant de gros diamètre : dans ce cas, il y a peu de risque de souffrir d'un volume d'eau insuffisant ; même chose si le circuit comprend des planchers chauffants ;

- la PAC est installée sur un nouveau réseau de distribution aux diamètres de canalisation standard : le volume peut être insuffisant. La solution est d'installer en ballon tampon sur le retour de la PAC, en série sur le réseau de distribution.

La formule de calcul du volume du ballon tampon est :

Ballontampon = (PPAC × TpsFonctmini × 1000) / (P × Cp × DifReg) - CR                      

où :

                        - la contenance de Ballon tampon est exprimée en litre ;

                        - P PAC est la puissance calorifique du régime le plus faible de la pompe à chaleur, exprimé en kW ;

                        - Tpsfonct mini est le temps de fonctionnement minimal de la PAC, en seconde ; par défaut, on peut retenir 360 secondes (6 min.) ;

                        - P est la masse volumique du fluide caloporteur du circuit de chauffage, en kg/m³ ;

                        - Cp est la capacité massique du fluide caloporteur, en kJ/kg.K (4,185 pour l'eau non glycolée) ;

                        - le DifReg est le différentiel de régulation de la PAC, exprimé en Kelvin ; par défaut, il est de 5 K ;

                        - CR, la contenance du réseau non régulé, en litre.

À noter que les radiateurs équipés de robinets thermostatiques et les planchers chauffants dotés de vannes deux voies asservies à la température ambiante ne doivent pas être pris en compte dans le calcul du volume de l'installation, ces modes de régulation empêchant de disposer complètement de leurs volumes d'eau.

À noter aussi que le volume du ballon tampon diffère d'un rapport de pratiquement 1 à 2,5 selon que l'on retient, respectivement, une PAC à variation de puissance ou "tout ou rien".

Pour certains concepteurs, l'usage d'une bouteille de découplage serait plus approprié qu'un ballon tampon. Sa formule de calcul est :

D = √((4 × Q) / (π× V × 0,0036))

où :

                        - Q est le débit en m³/h ;

                        - V est la vitesse de l'eau dans la bouteille en m/s ; la recommandation est de 0,1 m/s.

Les distributeurs proposent des modèles de 25 à 50 l adaptés aux maisons individuelles.

La mise en œuvre d'une bouteille de découplage présente plusieurs avantages :

- elle isole strictement la PAC du réseau de distribution ;

- elle limite les pertes de charges à la boucle de distribution ;

- elle fait office de ballon tampon ;

- et elle permet de gérer plusieurs températures de départ.

Les installateurs examineront avec soin les fiches techniques des pompes à chaleur qu'ils préconiseront : certaines références sont livrées déjà équipées.

5- Et la PAC hybride ?

Il faut indiquer le dimensionnement de la PAC hybride (chaudière plus pompe à chaleur). Uniclima a récemment formulé les grandes lignes de ces règles ; elles sont cependant recommandées afin de s'assurer que la PAC assure un taux de couverture supérieur à 50 % :

- Ce dimensionnement est valable pour une PAC qui fonctionne à une température de départ ≥ 55 °C à une température extérieure ≥ 0 °C.

- La puissance de la PAC seule prend en compte le dégivrage.

6- L'incontournable régulation

Rares sont les pompes à chaleur qui ne sont pas proposées avec une régulation. L'optimum de l'équipement rassemble une centrale de pilotage qui exploite les informations d'une sonde extérieure et d'une sonde d'ambiance. La gestion du confort sera d'autant plus fine que la mesure de la température intérieure sera pilotée par autant de capteurs de température que nécessaire : pour les pièces de vie, pour les pièces de nuit… Les robinets thermostatiques, simples ou motorisés, conviennent aussi parfaitement pour affiner l'émission de chaleur.