Etude et Dimensionnement d'une pompe à chaleur

Une pompe à chaleur demande une étude de dimensionnement sérieuse. Trop souvent, les pompes à chaleurs sont sur-dimensionnées comme s'il s'agissait de chaudières traditionnelles. Cette erreur a deux conséquences : une baisse du rendement et une usure prématurée du compresseur en raison des courts cycles.
Afin d'illustrer cela, nous proposons différentes courbes qui comparent, pour plusieurs puissances de pompes à chaleur et pour plusieurs cas de figure les consommations ou les rendements énergétiques.

Ci-dessous, nous définissons le point de bivalence qui correspond à la température à partir de laquelle, un appoint électrique (ou autre) est nécessaire pour combler les besoins énergétiques.

Ci-dessous, une courbe donnant la part de la pompe à chaleur dans le travail annuel selon le pourcentage de couverture des déperditions. Ainsi, en parallèle, une PAC dimensionnée à 70% couvrira près de 98% des besoins annuels.

Dès lors, on peut représenter la part de la puissance fournie au système par la terre, le compresseur ou l'appoint électrique selon la température extérieure. Les courbes ci-dessous ont été obtenues pour une maison en Auvergne de 100m² avec des déperditions de 7.4kW.

Il est alors possible d'estimer la consommation annuelle de pompes à chaleurs de puissance variables pour une maison donnée. Ci-dessous pour une maison de 150m² avec des déperditions de 11.2kW.

On reporte alors les rendements annuels en énergies selon la couverture de la pompe à chaleur. On en déduit trois zones: la Zone I ou le sous dimensionnement est trop important et ou l'appoint électrique est trop sollicité, la Zone II d'optimum énergétique, et la Zone III de sur-dimensionnement qui fait augmenter la consommation énergétique annelle.

L'optimum énergétique est donc obtenu pour un dimensionnement compris entre 60 et 100% des déperditions. En effet, pour un même débit plus la pompe à chaleur est puissante, plus la température de départ d'eau de chauffage est élevée. Or si l'on se réfère au principe de Carnot plus le ΔT=(T_condenseur-T_évaporateur) est grand (cas du sur-dimensionnement), plus le rendement est mauvais.
Bien sûr un sous-dimensionnement inférieur à 60% nuit à la performance globale puisque l'appoint électrique est trop sollicité.
Cette augmentation de température au condenseur induit des démarrages plus nombreux (courts cycles) et crée une usure plus importante du compresseur.
Le démarrage d'un moteur électrique crée un pic de consommation. L'augmentation de la fréquence des démarrages génère donc un surcoût.