Vergelijking rendement verschillende types warmtepompen

Comparaison du rendement de différents types de pompes à chaleur

Dans le cadre du projet IWT-WP-DIRECT financé par l’IWT (Agence flamande pour l’innovation et l’entrepreneuriat) et réalisé, entre autre, par la KULeuven et l’Institut De Nayer, le rendement réel de 17 pompes à chaleur a été mesuré et comparé. Actuellement, les pompes à chaleur sont en vogue et les vendeurs donnent parfois l’impression qu’elles ont toujours un bon rendement et constituent donc un bon investissement. Mais est-ce bien le cas ? Les mesures effectuées dans le cadre de ce projet fournissent des informations sur les rendements réels et sont dès lors particulièrement intéressantes.

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 entière :

  • 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

À cet égard, nous devons faire une remarque importante : nous avons collaboré avec différents fabricants qui ont pu choisir les systèmes que nous allions analyser. Nous pouvons donc supposer que les résultats obtenus correspondent aux « scénarios les plus favorables ».

Qu’est-ce qui a été mesuré ?

Le rendement d’une pompe à chaleur est souvent indiqué par le COP (coefficient de performance). Toutefois, le COP est un rendement théorique qui ne tient pas compte de la consommation des pompes, des ventilateurs, du chauffage de l’accumulateur hydraulique, du post-chauffage ... et on peut dire, en moyenne, que 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 FPS (Facteur de performance saisonnier) et par la valeur mensuelle du FP (Facteur de performance). Si un système a un FPS de 3, cela signifie qu’une unité d’électricité absorbée par la pompe à chaleur se convertit en trois unités de chaleur. Dans ce projet, on a mesuré notamment la consommation mensuelle consacrée au chauffage et à la production d’eau chaude sanitaire. On a obtenu un FP pour chaque mois et on a pu ainsi calculer le FPS pour une période de 12 mois.

Pompe à chaleur eau/eau

Ce type de pompe à chaleur tire son énergie de l’eau phréatique et chauffe la maison avec un circuit d’eau chaude. Dans la première illustration, on peut voir le rapport entre la consommation d’énergie pour le chauffage des espaces et l’eau chaude sanitaire. Durant les mois d’été, il n’y a pratiquement aucune consommation pour le chauffage et la quasi-totalité de la chaleur générée est utilisée pour produire de l’eau chaude.

Le graphique ci-dessous nous présente les résultats de l’analyse. En violet, nous voyons la consommation d’énergie pour l’eau chaude sanitaire et en bleu la consommation pour le chauffage. La ligne noire représente le FPS et la ligne rouge le PF. Nous constations que le PF est nettement plus bas durant les mois d’été. Cela est principalement dû au fait que pendant cette période, le système ne produit pratiquement que de l’eau chaude sanitaire, mais aussi à la perte d’électricité de la pompe à chaleur en fonctionnement de veille. Étant donné qu’une quantité moindre de chaleur est produite, la part de consommation électrique du système (qui est constamment allumé) augmente considérablement par rapport à la consommation électrique totale.

Pompe à chaleur horizontale sol/eau

Cette pompe à chaleur puise la chaleur dans 15 circuits d’eau horizontaux qui sont enterrés à une profondeur de 80-150 cm. On a préparé pour ces pompes à chaleur les mêmes graphiques que ci-dessus. En décembre, un problème s’est produit au niveau de la transmission des données et nous ne disposons pas 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 tire sa chaleur de 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 aussi une pompe à chaleur reliée au sol, mais elle fonctionne un peu différemment des pompes examinées ci-dessus. Dans une pompe à chaleur DX, le réfrigérant s’évapore directement dans les conduites qui sont enterrées et le condense dans les conduites du chauffage par le sol. Le système ne comporte donc pas un circuit distinct pour le réfrigérant et pour l’eau chaude, comme dans le cas des pompes à chaleur au sol examinées plus haut. L’avantage des pompes à chaleur DX est qu’il n’existe pas de transfert de chaleur du réfrigérant au circuit d’eau dans le chauffage par le sol, ce qui réduit par conséquent les pertes de transfert des pompes à chaleur DX. Les illustrations ci-dessous concernent une pompe à chaleur DX qui tire sa chaleur de 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 tire son énergie de l’air extérieur et chauffe la maison avec un circuit d’eau chaude. Les pompes à chaleur air/eau ont toujours un rendement inférieur à celui des pompes à chaleur reliées au sol étant donné que, surtout en hiver, il y a moins d’énergie dans l’air extérieur. 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 ci-dessous :


Type de pompe à chaleur FPS
pompe à chaleur eau/eau 3.9
pompe à chaleur horizontale sol/eau 4.0
pompe à chaleur verticale sol/eau 1 4.6
pompe à chaleur verticale sol/eau 2 4.8
pompe à chaleur verticale sol/eau 3 4.6
pompe à chaleur verticale sol/eau 4 2.9
pompe à chaleur DX/eau 1 3.2
pompe à chaleur DX/eau 2 3.2
pompe à chaleur air/eau 1 2.7
pompe à chaleur air/eau 2 2.5
pompe à chaleur air/eau 3 2.8
pompe à chaleur air/eau 4 3.3
pompe à chaleur air/eau 5 2.7
pompe à chaleur air/eau 6 2.6
pompe à chaleur air/eau 7 3.4
pompe à chaleur air/eau 8 2.7
pompe à chaleur air/eau 9 3.5
pompe à chaleur air/eau 10 2.8
pompe à chaleur air/eau 11 2.2

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


Type de pompe à chaleur FPS moyenne
pompe à chaleur eau/eau 3.9
pompe à chaleur horizontale sol/eau 4.0
pompe à chaleur verticale sol/eau 4.7
pompe à chaleur DX/eau 3.2
pompe à chaleur air/eau 2.8

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

Conclusion

Les pompes à chaleur qui tirent leur énergie du sol ont manifestement un rendement supérieur à celui des pompes air-eau. Cela s’explique facilement si l’on sait que, dans le cas des conduites horizontales, la température moyenne du sol est supérieure d’environ 3° C à la température de l’air extérieur et que, dans les conduites verticales, cette température est supérieure d’environ 8° C. Pour chaque degré supplémentaire, le rendement de la pompe à chaleur augmente et, en fonction du type de collecteur de sol, le rendement d’une pompe à chaleur reliée au sol est donc toujours nettement supérieur à celui d’une pompe à chaleur à air.

Si nous effectuons la comparaison avec une chaudière 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 %. Cette valeur s’explique historiquement par le fait que précédemment, on partait du principe d’une perte inévitable de 11 % et on assimilait donc un rendement de 89 % à un rendement de 100 %. Cette perte de 11 % a toutefois pu être réduite grâce aux chaudières à condensation et une chaudière avec un rendement de 108 % a donc un rendement réel de 97 %, Nous pouvons donc affirmer que les chaudières à condensation convertissent pratiquement toute l’énergie en chaleur.

Le gaz naturel a un coût approximatif de 0,07 €/kWh et l’électricité un coût approximatif de 0,20 €/kWh. L’électricité est donc près de trois fois plus chère que le gaz naturel et, en fin de compte, les pompes à chaleur consomment de l’électricité. Si une pompe à chaleur a un FPS de 4, cela signifie que, pour chaque unité d’électricité consommée, 4 unités de chaleur sont produites. 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, on paie 0,20/2,8 = 0,071 €/kWh, tandis que, dans le cas d’une chaudière à condensation au gaz naturel, on payera à peine 0,07 €/kWh.

Par conséquent, nous ne pouvons pas affirmer que les pompes à chaleur constituent un bon investissement dans tous les cas. Les pompes à chaleur reliées au sol ont un rendement qui est suffisamment élevé pour être rentables par rapport aux chaudières à condensation au gaz naturel, mais elles sont aussi très coûteuses, surtout si des forages sont effectués en profondeur. Si nous supposons que l’habitation dans laquelle la pompe à chaleur est installée est bien isolée, la demande de chauffage sera peu importante et il faudra donc aussi beaucoup de temps pour récupérer ce surcoût. Les pompes à chaleur air/eau avec un FPS inférieur à 3 s’avèrent plus onéreuses en termes de consommation que les chaudières à condensation au gaz naturel. Ce type de pompe à chaleur n’est donc utile que si l’habitation est également équipée 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 l’habitation peut générer sa propre électricité, une pompe à chaleur air/eau devient alors un bon investissement. Nous supposons toutefois ici que l’électricité produite en été peut être utilisée en hiver pour le chauffage. Pour l’instant, cela est encore possible étant donné que le compteur avance en hiver et recule en été et que l’on ne relève le compteur qu’une fois par an. À l’avenir, on pourra mesurer la consommation chaque jour à l’aide de compteurs intelligents et on payera aussi une somme modique aux personnes qui envoient du courant dans le réseau. Si nous tenons compte de ce coût, la situation change à nouveau, mais il nous est impossible d’effectuer ici une estimation qui intègre cette circonstance. Par ailleurs, l’introduction de compteurs intelligents n’est pas prévue dans un avenir proche. De nombreuses recherches sont effectuées actuellement dans ce domaine, mais nous ne devons pas nous attendre à ce que les compteurs intelligents fassent leur apparition dans les 5 prochaines années.

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



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