Dimensionnement de la pompe à chaleur : une inverter se dimensionne pour travailler à mi-puissance
Première pilule : l’espace entre les ailettes. Deuxième : quand la machine décide de dégivrer. La troisième chose à demander avant d’acheter, c’est la taille de la pompe à chaleur par rapport au bâtiment. Cela semble la question la plus simple, et c’est celle où l’on se trompe le plus, parce qu’une pompe à chaleur inverter ne se choisit pas comme une chaudière.
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La puissance maximale se décide sur le jour le plus froid de la zone
Chaque localité a une température extérieure de base : la plus basse que l’on prend en compte dans le calcul de l’installation. En Italie, une norme la fixe province par province : dans les zones alpines on arrive à -15 degrés, en plaine on est autour de -5, dans le sud et sur les côtes on va vers +2. Chaque zone a son chiffre, et le thermicien le connaît. La norme européenne des pompes à chaleur raisonne de la même façon sur trois climats : froid, référence Helsinki, -22 degrés ; moyen, Strasbourg, -10 ; chaud, Athènes, +2. À cette température, la machine doit couvrir tout le besoin du bâtiment en travaillant à pleine puissance. Pas avant : une machine qui est déjà au maximum à zéro degré est trop petite pour cette zone.
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Le reste de l'hiver, elle tourne à moitié
Le jour de base arrive quelques jours par an. La plupart des heures d’hiver, en plaine, se situent entre 2 et 10 degrés, souvent avec du soleil : le bâtiment demande la moitié de la chaleur, ou moins. Une pompe à chaleur inverter ne s’allume pas et ne s’éteint pas comme une chaudière : elle réduit la vitesse du compresseur et suit le besoin. Bien dimensionnée, elle passe la plus grande partie de l’hiver autour de la mi-puissance, et à la mi-saison elle descend au minimum sans s’arrêter. C’est ainsi que l’on évite les marches et arrêts continuels.
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L'inverter : pourquoi celui au carbure de silicium rend davantage
L'inverter est la pièce qui transforme le courant du réseau en courant à fréquence variable qui fait tourner le compresseur à la bonne vitesse. Il le fait en allumant et en éteignant des transistors de puissance des milliers de fois par seconde. Chaque fois qu'un transistor commute, et à chaque instant où il conduit, une partie du courant devient de la chaleur au lieu d'arriver au moteur. Cette chaleur est de l'énergie payée et perdue, et il faut aussi l'évacuer de l'électronique, sinon les composants chauffent et s'usent.
Pendant des années, les transistors des inverters ont été les IGBT, au silicium. Ils sont robustes et peu coûteux, mais ils ont deux limites. Quand ils conduisent, ils ont un seuil de tension fixe qui se paie même à faible courant : justement à mi-puissance, là où la pompe à chaleur passe presque tout l'hiver, ce seuil pèse proportionnellement plus. Et ils commutent lentement, donc ils chauffent à chaque passage et on ne peut pas les faire travailler vite.
Les transistors au carbure de silicium (SiC) n'ont pas de seuil fixe : ils se comportent comme une résistance très faible, et à faible courant ils perdent très peu. Et ils commutent en une fraction du temps, avec une fraction de la chaleur. Moins de dissipation thermique veut dire trois choses pratiques. Plus d'énergie au compresseur pour les mêmes kWh pris au compteur, donc un COP plus élevé, surtout à charge partielle. Une électronique qui travaille plus au frais, et un composant électronique qui travaille au frais dure plus longtemps. Et la possibilité de commuter plus vite, qui donne au moteur un courant plus propre, avec moins de pertes et moins de bruit dans le compresseur.
Le peu de chaleur qui reste, dans nos machines, n'a pas besoin d'un ventilateur à lui : le dissipateur de l'inverter se trouve dans le compartiment de la batterie, dans le flux d'air du ventilateur de la machine, qui le refroidit en faisant son travail normal. Pas de coffret fermé, pas de petit ventilateur qui consomme et tombe en panne. Sur nos machines résidentielles, l'inverter est au carbure de silicium.
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La mi-puissance est là où elle rend le plus
À mi-puissance, le compresseur tourne lentement et les échangeurs sont grands par rapport à la chaleur qu’ils doivent déplacer : l’échangeur extérieur se refroidit peu, l’intérieur se réchauffe peu, le compresseur travaille avec le plus petit écart de température possible. C’est le point de rendement maximal. À plein régime le rendement baisse, au minimum aussi. Ici revient la première pilule : ce qui, dans nos machines, est deux fois plus grand que dans une machine d’importation, c’est l’échangeur, pas le compresseur. Le compresseur est celui qu’il faut pour la charge ; le grand échangeur lui permet de travailler avec de petits écarts de température. Dans ces conditions, nos machines travaillent avec des COP typiques des modèles géothermiques, tout en prenant la chaleur dans l’air.
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Trop petite, trop grande
Une machine sous-dimensionnée travaille toujours au maximum : elle consomme plus parce qu’elle reste toujours au point de rendement le plus mauvais, elle refroidit davantage la batterie extérieure, donc fait plus de givre et plus de dégivrages, et les jours froids elle n’atteint pas la température. Une machine surdimensionnée fait le contraire : elle travaille toujours au minimum et, quand même le minimum est de trop, elle s’arrête et redémarre sans cesse. Chaque démarrage coûte au compresseur plus que des heures de marche régulière : la durée de vie d’un compresseur se compte en cycles de marche et d’arrêt, comme pour une voiture comptent les kilomètres mais aussi les départs à froid. La bonne taille est unique : celle qui, le jour de base de la zone, travaille au maximum et, le reste de l’hiver, à moitié.
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C'est un travail de thermicien
Le dimensionnement part de la charge thermique du bâtiment : déperditions des murs, du toit et des fenêtres, renouvellements d’air, température de base de la localité. Pour un bâtiment industriel, l’ordre de grandeur de la pointe se raisonne en watts par mètre cube, pas par mètre carré, parce qu’un bâtiment de sept mètres de haut contient trois fois l’air d’une maison de même emprise : de 10-15 W/m³ pour un bâtiment neuf ou rénové avec des panneaux épais, à 18-25 pour un bâtiment construit entre 2000 et 2015, à 30-45 pour un préfabriqué des années 80 et 90 sans isolation ; un peu plus si les portails s’ouvrent souvent ou s’il manque le déstratificateur qui renvoie l’air chaud vers le bas. Ce n’est que la première estimation : la machine se choisit ensuite sur ses tableaux de puissance à la température de base. Cela ne se fait pas à l’œil, pas « une taille de plus par sécurité », et la puissance de la chaudière qu’il y avait avant n’est pas une référence. Un thermicien y passe quelques heures et prend la responsabilité du calcul : c’est la partie de l’installation qui coûte le moins et qui décide des consommations des vingt prochaines années.
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Comment vérifier, avant d'acheter
- demander le calcul de la charge thermique, avec la température de base de la localité écrite dessus ;
- demander à quel pourcentage de la puissance maximale la machine travaillera à 7 degrés extérieurs, la condition la plus fréquente de l’hiver : la bonne réponse se situe autour de la moitié ;
- demander la puissance minimale à laquelle la machine arrive à moduler sans s’arrêter.
Les fiches techniques de nos pompes à chaleur air-eau et des Kita Air pour les bâtiments industriels indiquent la puissance aux différentes températures extérieures.
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Questions fréquentes
Comment dimensionner une pompe à chaleur inverter ?
Sur la température extérieure de base de la région : à cette température, elle doit couvrir tout le besoin à pleine puissance, et le reste de l’hiver travailler autour de la mi-puissance.
Pourquoi une pompe à chaleur trop grande consomme-t-elle plus ?
Elle tourne toujours au minimum et, quand même le minimum est trop, elle s’arrête et redémarre sans cesse. Chaque démarrage coûte au compresseur plus que des heures de marche régulière.
À quelle puissance une pompe à chaleur tourne-t-elle la plupart de l’hiver ?
Bien dimensionnée, autour de la mi-puissance : en plaine, la plupart des heures d’hiver sont entre 2 et 10 °C. À mi-puissance, les échangeurs sont grands par rapport à la chaleur à déplacer, et c’est là que la machine rend le plus.
Qu’apporte un inverter au carbure de silicium ?
Il perd moins d’énergie en chaleur, surtout à charge partielle : plus d’énergie arrive au compresseur pour les mêmes kWh, le COP monte et l’électronique travaille plus fraîche et dure plus. Nos machines résidentielles ont un inverter au carbure de silicium.
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Prochaine pilule : pourquoi une pompe à chaleur n’est pas une chaudière et doit travailler sans s’arrêter, et ce qu’est HCC : à lire ici.
