PEB – Chauffage par pompe à chaleur

Parution : février 2011

La réglementation en matière de performance énergétique et de climat intérieur des bâtiments (PEB) impose le calcul du niveau de consommation d'énergie primaire : le niveau E ou Ew (1). Le chauffage est évidemment un des facteurs essentiels influençant ce niveau E. Mais comment un système de chauffage par pompe à chaleur y est-il pris en compte ? Sur quels points l'installateur doit-il porter son attention pour répondre aux exigences de la PEB ? Ces questions sont abordées dans cette Infofiche.
Les pompes à chaleur intégrée dans des systèmes de refroidissement ou de production d'eau chaude sanitaire ne sont pas abordées (voir à ce sujet les Infofiches 48.6 et 48.8).


(1) Pour simplifier, nous parlerons simplement de niveau E dans la suite du texte.

Principe

Réglementation PEB
Rôle de l'installateur et de l'auteur de projet
Recommandations
Exigence spécifique à la Région de Bruxelles-Capitale : la pose de compteurs
Bibliographie
Avertissement

1. Principe

Une pompe à chaleur (PAC) puise de l'énergie d'une source de chaleur (l'eau souterraine, le sol ou l'air) et l'apporte au système de distribution de chauffage du bâtiment. La majorité des pompes à chaleur utilisent de l'électricité pour réaliser cette opération, ceci de manière assez efficace. Une pompe à chaleur peut ainsi, par exemple, puiser de la chaleur du sol et distribuer 4 kWh dans le bâtiment en n'utilisant qu'1 kWh d'électricité. Ce 'rendement' remarquable est dénommé 'Coefficient de performance' (COP) et vaut 4 dans notre exemple ci-dessous.

Fig. 1 Principe de fonctionnement de la pompe à chaleur.
Fig. 1 Principe de fonctionnement de la pompe à chaleur.

Vu les différentes sources de chaleur possibles et les différents systèmes d'émission de chaleur envisageables (voir tableau 1), un grand nombre de combinaisons est possible.

Tableau 1 Les différentes sources froides et système d'émission de chaleur envisageables
Source froide (source de chaleur)   Système d'émission de chaleur
Sol ou eau souterraine / circuit d'eau glycolée Eau : chauffage de surface
Sol ou eau souterraine / expansion directe Eau : radiateur ou convecteur
Air : uniquement air extérieur Air : séparément de l'air de ventilation
Air : air extérieur et air de ventilation Air : partiellement via l'air de ventilation
Air : uniquement l'air de ventilation Air : uniquement via l'air de ventilation

La première combinaison du tableau 1 est illustrée plus loin dans cette Infofiche (voir § 2.2.1.)

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2. Réglementation PEB

2.1. Coefficient de performance (COPtest)

Pour pouvoir effectuer les calculs du niveau E, la valeur du COPtest doit être connue. Il s'agit ici de la valeur du COP déterminée dans les conditions standardisées décrites dans la norme NBN EN 14511–2 [1].



2.2. Du COP au FPS (facteur de performance saisonnier)

Cette valeur d'essai est déterminée dans des conditions optimales et ne sera donc pas nécessairement utilisée telle quelle pour déterminer la consommation annuelle de la pompe à chaleur. En effet, une pompe à chaleur installée rencontrera in situ des conditions qui peuvent faire baisser (ou augmenter) son COP : par exemple, si la température du système d'émission de chaleur est plus élevée que celle des tests normalisés, le COP chutera.

Pour tenir compte des conditions réelles dans lesquelles la pompe à chaleur travaille, le COPtest est multiplié par des facteurs de correction de manière à obtenir un COP moyen annuel, appelé le facteur de performance saisonnier (FPS).



Des facteurs de correction par défaut, pouvant varier d'un système à l'autre, sont fixés dans la réglementation. Ces valeurs par défaut sont sécuritaires. Il est possible d'améliorer ces facteurs de correction et d'obtenir dès lors un FPS plus élevé. Pour ce faire, les étapes suivantes sont importantes :
  • connaître les paramètres intervenant dans le calcul (voir § 2.2.2.)
  • concevoir, installer et mettre en service l'installation de façon optimale
  • rapporter les valeurs précises de l'installation.

2.2.1. Pompe à chaleur de type glycol-eau

Dans cet exemple, une pompe à chaleur de type glycol-eau tire sa chaleur du sol (dans le jardin) et envoie celle-ci à un chauffage par le sol situé dans l'habitation. Le tableau suivant donne un exemple de l'effet de divers paramètres du système sur le FPS final.

Tableau 2 Exemple de calcul des facteurs correctifs totaux à appliquer au COP en utilisant les valeurs par défaut de la réglementation ou des valeurs détaillées pour une installation correctement dimensionnée.
Paramètres de calcul Valeur par défaut Facteur de correction par défaut Exemple de valeur précise Exemple de facteur de correction (précis)
Température de départ de conception θsupply,design 55°C 0,88 40°C 1,03
Différence de température de conception entre le départ et le retour Δθdesign - 0,93 7°C 1,02
Augmentation de la température de l'eau du condenseur lors de la mesure Δθtest 5°C
Rapport des puissances électriques de la pompe de circulation et de la pompe à chaleur Ppumps/PHP 1kW/5kW 0,83 0,5kW/5kW 0,91
Facteur de correction total 0,88 x 0,93 x 0,83 = 0,68 1,03 x 1,02 x 0,91 = 0,96

Par exemple, pour une pompe à chaleur présentant un COP de 4, le FPS s'élèvera à :
  • 0,68 x 4 = 2,72 en utilisant les valeurs par défaut
  • 0,96 x 4 = 3,84 en utilisant des valeurs précises et correctement rapportées (pour une installation mieux conçue).
Les différents paramètres de calcul sont les suivants :
  • θsupply,design : il s'agit de la température de départ de conception vers le système d'émission de chaleur (ou un ballon de stockage interposé). La valeur par défaut pour un chauffage de surface est de 55 °C et de 90 °C pour des radiateurs/convecteurs. Si le système de chauffage par le sol est conçu de manière à ce que la température de départ de 40 °C soit suffisante, le facteur de correction passe de 0,88 à 1,03. Si on préférait opter pour des radiateurs avec une température de départ de 90 °C, le facteur diminue alors jusqu'à 0,53, ce qui est très néfaste pour la performance de l'installation

  • Δθdesign : il s'agit de la différence entre la température de départ, θsupply,design et la température de retour lors de la conception du système d'émission (ou du ballon de stockage interposé). Plus cette différence est importante, par exemple en diminuant le débit dans le système de d'émission, meilleur sera le facteur

  • Δθtest : augmentation de température (de l'eau) sur le condenseur lors de la mesure du COPtest (à fournir par le fabricant)

  • Ppumps/PHP : il s'agit du rapport entre la puissance électrique de la pompe de circulation sur le circuit vers l'évaporateur (du circuit d'eau glycolée) et la puissance électrique de la pompe à chaleur suivant la NBN EN 14511 pour les conditions d'essai prescrites (à fournir par le fabricant). En ne prenant pas une pompe plus puissante que nécessaire, le facteur peut être amélioré.
Il est clair que la conception optimale de l'installation peut améliorer divers facteurs. Si des valeurs précises sont rapportées dans la déclaration PEB, on constate que le FPS peut passer dans notre exemple de 2,72 à 3,84, ce qui correspond à une augmentation de 41 %.

2.2.2. Données d'entrée nécessaires au calcul du facteur de performance saisonnier (FPS) des différents types de pompes à chaleur

Les tableaux suivants présentent un aperçu des données d'entrée nécessaires au calcul du facteur de performance saisonnier (pour chaque pompe à chaleur, le COP doit également être connu), leurs descriptions et l'unité utilisée.

Tableau 3 Systèmes pour lesquels les paramètres de calcul sont d'application.
  Système d'émission
Eau Air
Séparément de l'air de ventilation Partiellement air de ventilation Uniquement air de ventilation
S
o
u
r
c
e

f
r
o
i
d
e
Sol Circuit d'eau glycolée Δθtest
PHP
θsupply,design
Δθdesign
Ppumps
PHP
Ppumps
Expansion directe Δθtest
θsupply,design
Δθdesign
Aucune donnée d'entrée complémentaire, pas de correction à apporter au COP
Eau souterraine Δθtest
PHP
θsupply,design
Δθdesign
Ppumps
PHP
Ppumps
Air Uniquement air extérieur Δθtest
θsupply,design
Δθdesign
Aucune donnée d'entrée complémentaire, pas de correction à apporter au COP
Air extérieur et de ventilation Δθtest
θsupply,design
Δθdesign
Aucune donnée d'entrée complémentaire, pas de correction à apporter au COP Vtest
Vmax
Vsupply
Uniquement air de ventilation Δθtest
θsupply,design
Δθdesign
Aucune donnée d'entrée complémentaire, pas de correction à apporter au COP Vtest
Vmax
Vextr
Vtest
Vmax
Vsupply
Vextr

Tableau 4 Données d'entrée nécessaires au calcul du facteur de performance saisonnier (FPS) des différents types de pompes à chaleur.
Symbole Description Unité
Données produits (à fournir par le fabricant)
Δθtest L'augmentation de température (de l'eau) au condenseur durant la mesure du COPtest °C
PHP La puissance électrique de la pompe à chaleur selon la norme NBN EN 14511 dans les conditions d'essai prescrites kW
Vmax Le débit d'air maximal dans l'installation m³/h
Vtest Le débit d'air dans l'installation lors de l'essai selon la norme NBN EN 14511 m³/h
Données liées à la conception de l'installation
θsupply,design La température de départ de conception vers le système d'émission de chaleur (ou le ballon de stockage interposé) °C
Δθdesign La différence entre la température de départ θsupply,design et de retour lors de la conception du système d'émission (ou du ballon de stockage interposé) °C
Ppumps La puissance électrique de la (des) pompe(s) de circulation sur le circuit de l'évaporateur (source de chaleur) kW
Vsupply Le débit d'alimentation de conception dans l'installation m³/h
Vextr Le débit d'évacuation de conception dans l'installation m³/h

D'autres paramètres peuvent jouer un rôle sur la performance du système de chauffage. Voir à ce sujet l'Infofiche 48.2. Il s'agit entre autres de l'ajout d'un ballon de stockage entre la pompe à chaleur et le système d'émission de chaleur. Si ce ballon de stockage se trouve en dehors du volume protégé, cela aura un effet légèrement négatif. De plus, l'installation d'un ballon de stockage demandera également une pompe supplémentaire, qui devra également être renseignée et qui conduira à une consommation auxiliaire supplémentaire.

2.3. Du FPS au niveau E

Le niveau E est un niveau de consommation d'énergie primaire. Un facteur de conversion en énergie primaire est pris en compte pour chaque vecteur énergétique. Dans la PEB, l'électricité correspond à un facteur de conversion de 2,5 soit une consommation de 2,5 kWh d'énergie primaire dans le parc de centrales électriques pour une consommation de 1 kWh d'électricité dans le bâtiment. Cela signifie qu'une pompe à chaleur qui consomme 1 kWh d'électricité pèse 2,5 fois plus lourd sur le niveau E qu'une simple chaudière à mazout qui consomme la même quantité de combustible. Malgré cela, les pompes à chaleur ayant un bon FPS peuvent conduire à un résultat positif.


Fig. 4 Moyenne des gains sur le niveau E, dans l'exemple considéré.
Fig. 4 Moyenne des gains sur le niveau E, dans l'exemple considéré.
Prenons l'exemple d'un projet habitation, d'abord supposé être équipé d'une chaudière au mazout à condensation et atteignant ainsi un niveau E 75. Plusieurs calculs du niveau E ont été effectués dans la perspective du remplacement de la chaudière par différents systèmes de pompe à chaleur. La Fig. 4 illustre la moyenne des gains sur le niveau E en utilisant soit des valeurs par défaut, soit des valeurs précises de l'installation découlant d'une conception performante.

Ce graphique fournit des moyennes. Les valeurs exactes pour un projet particulier doivent être déterminées au cas par cas :
  • l'utilisation des valeurs par défaut pour une pompe à chaleur de type glycol-eau conduit à une installation réalisant une performance en moyenne 7,5 % supérieure à celle d'une chaudière mazout à condensation

  • si l'entrepreneur opte pour un dimensionnement performant de la pompe à chaleur et utilise des valeurs précises, il est possible de fortement améliorer le niveau E considéré (en comparaison avec le système classique à mazout). Dans notre exemple (voir figure 2), le niveau E baisse ainsi de jusqu'à E 58. L'intérêt de correctement dimensionner l'installation d'une part et de correctement rapporter ces valeurs d'autre part n'est plus à démontrer

  • il faut noter que dans certains cas, il n'y a en fait pas de gain. C'est le cas si l'on installe une pompe à chaleur de type glycol-eau avec un système d'émission par radiateurs et que le calcul du niveau E est réalisé avec les valeurs par défaut, le niveau E augmente de 23 points et atteint E 98.
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3. Rôle de l'installateur et de l'auteur de projet

Dans l'Infofiche 48.1 vous trouverez un aperçu général des tâches de chaque partenaire de l'acte de bâtir, pour autant qu'elles soient liées à la réglementation PEB. L'entrepreneur est généralement chargé de la conception technique de l'installation HVAC. Il ne peut prendre de décisions qui soient en contradiction avec les exigences de conception PEB, mais il peut, en concertation avec l'équipe de construction, proposer des alternatives qui répondent au moins aux mêmes exigences ou qui ont un meilleur rendement de production.

Vous trouverez ci-dessous des tâches plus spécifiques en lien avec cette Infofiche.

L'auteur de projet est normalement amené à :
  • déterminer le type de pompe à chaleur à prévoir : tant le type de source froide que le système d'émission de chaleur sont importants

  • préciser où la pompe à chaleur ainsi que le réservoir tampon éventuel doivent être installés (à l'intérieur ou hors du volume protégé).
L'installateur en charge des travaux est normalement amené à :
  • répondre aux prescriptions du cahier spécial des charges et des plans, ainsi qu'aux éventuelles autres exigences fixées par l'auteur de projet

  • soumettre pour approbation au maître d'ouvrage, à l'auteur de projet ainsi qu'au responsable du calcul PEB, une éventuelle solution alternative proposée par lui-même, qui permettrait de répondre à la performance énergétique minimale fixée par l'auteur de projet (voir recommandations dans le § 4)

  • fournir les données concernant les choix effectués lors de l'installation, les composants mis en œuvre ou les installations réalisées au responsable du calcul PEB (voir tableaux 2 et 3).
L'installateur doit toujours mesurer l'impact de ses choix. C'est particulièrement crucial si le système à installer va :
  • diminuer le FPS
  • augmenter la température de l'eau de départ du système d'émission
  • augmenter la puissance de la pompe vers l'évaporateur
  • modifier les débits d'une pompe à chaleur couplée au système de ventilation
L'installateur doit aussi être prudent s'il modifie le type de pompe à chaleur, par exemple en proposant une pompe à chaleur de type glycol-eau au lieu d'une pompe à chaleur sol/eau, dont les facteurs de correction ne sont pas les mêmes. De même, si on ajoute un convecteur à un système de chauffage de surface (chauffage par le sol ou par les murs), cela peut fortement modifier le niveau E.

En résumé, en cas de modification ou de définition de concept du système ou d'un des paramètres du tableau 3, l'installateur doit informer l'auteur de projet de ses choix de manière à ce que l'impact sur le niveau E soit évalué.

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4. Recommandations

La pompe à chaleur n'est pas le système avec lequel les auteurs de projet sont les plus familiers. L'installateur pourrait dès lors être contacté très tôt par un architecte qui cherchera à se renseigner sur les systèmes disponibles et obtenir la valeur de COPtest du matériel envisagé afin de calculer le niveau E. Il est alors utile que l'installateur indique à l'auteur de projet de ne pas se contenter des valeurs par défaut car d'autres paramètres peuvent être décisifs pour évaluer favorablement la pompe à chaleur. Cela doit être aussi fait dans l'intérêt de l'installateur, sous peine de voir rejeté lors de l'avant-projet le système qu'il préconise. Il convient d'être attentif aux recommandations suivantes :
  • choisir une pompe à chaleur présentant un COPtest suffisamment haut
  • concevoir l'installation avec des valeurs suffisamment favorables (voir exemple au tableau 2)
  • installer le ballon de stockage éventuel à l'intérieur du volume protégé du bâtiment
  • dimensionner la pompe à chaleur correctement selon les besoins réels dans le bâtiment
  • de prendre en compte les aspects acoustiques liés au fonctionnement de la pompe à chaleur.
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5. Exigence spécifique à la Région de Bruxelles-Capitale : la pose de compteurs

Le texte de loi de la PEB en Région de Bruxelles-Capitale comporte une annexe supplémentaire (l'Annexe VIII) concernant les exigences relatives aux installations techniques [2], qui n'existe pas dans les deux autres Régions.

Il y est imposé que les pompes à chaleurs nouvellement installées, tant dans un bâtiment neuf qu'existant (rénovation lourde), doivent être pourvues d'un ou de plusieurs compteurs permettant de comptabiliser l'énergie électrique consommée par l'ensemble des machines si la puissance électrique totale est supérieure ou égale à 10 kW.

Si la somme des puissances électriques des pompes à chaleur raccordées au même réseau hydraulique est supérieure ou égale à 100 kW, deux compteurs sont placés. L'un comptabilisera l'électricité consommée par l'ensemble des machines et l'autre comptabilisera la quantité d'énergie calorifique transmise au réseau de distribution de l'installation. Les compteurs sont équipés d'un dispositif permettant le relevé automatique de la quantité mesurée, localement ou à distance.

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Bibliographie

1. Bureau de Normalisation
NBN EN 14511–2 Climatiseurs, groupes refroidisseurs de liquide et pompes à chaleur avec compresseur entraîné par moteur électrique pour le chauffage et la réfrigération des locaux. Partie 2 : conditions d'essai. Bruxelles, NBN, 2008.

2. Ministère de la Région de Bruxelles-Capitale
Arrêté du 21 décembre 2007 du Gouvernement de la Région de Bruxelles-Capitale déterminant des exigences en matière de performance énergétique et de climat intérieur des bâtiments. Bruxelles, Moniteur belge du 5 février 2008.

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Avertissement

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Département 'Acoustique, Energie et Climat', CSTC