Auteur : Manouane, finition et relecture Laurent.

Notes :

Mise en page – Sylvie (08.2010)

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Distinguer les différents coefficients de performance

Il existe 4 ratios pour évaluer la performance d’une pompe à chaleur, résumée ci-dessous. Globalement, elles partent toutes du même principe : établir le rapport entre ce qui a été fourni comme chaleur au bâtiment et ce qu’il a fallu injecter dans l’appareil.

1. La performance instantanée

L’indice de performance, « ε », est le rapport entre l’énergie thermique utile délivrée au condenseur et l’énergie (souvent électrique) fournie au compresseur.

ε = chaleur au condenseur/travail du compresseur = Q2 / W.

Par exemple, si, à un moment de mesure donné, les températures des sources chaudes et froides d’une certaine PAC sont telles qu’elle transmet via son condenseur une puissance de 3 kW alors qu’au même moment son compresseur requiert une puissance de 1 kW, on pourra dire que son indice de performance vaut 3 kW / 1 kW = 3 pour ces conditions de température.

2. La performance instantanée, auxiliaires compris

Le « COP », ou coefficient de performance, est le rapport entre l’énergie thermique utile délivrée au condenseur et l’énergie fournie au compresseur additionnées des auxiliaires (dispositif antigel, commande/régulation et installations mécaniques (pompe, ventilateur)).

Reprenons l’exemple de PAC ci-dessus. Dans les conditions imposées par la norme EN 255, la puissance mise à disposition au condenseur ne sera peut-être pas de 3 kW mais de 3,2 kW pour une température de sortie du condenseur identique. De plus, la puissance absorbée par l’ensemble des équipements à prendre en compte ne sera peut-être pas de 1 kW mais de 1,1 kW. Le coefficient de performance vaudra alors 3,2 / 1,1 = 2,9.

3. La performance annuelle, auxiliaires compris

Le « COPA », ou coefficient de performance annuel est le rapport, mesuré sur site, entre la quantité totale d’énergie consommée et d’énergie utile fournie. C’est le coefficient de performance annuel qui donne vraiment idée du « rendement » et de l’efficacité de l’installation.

Imaginons que notre PAC exemple fasse maintenant partie de toute une installation de chauffage. Les variations de température des sources froides et chaudes, les pertes par émission du réseau de distribution, la consommation d’un chauffage d’appoint, etc… font que 13 000 kWh* de chaleur sont produits sur une année, tandis que les consommations globales s’élèvent à 6 200 kWh* d’énergie électrique. On dira alors que le COPA de cette installation vaut 13 000 kWh / 6 000 kWh =  2,17.

*Ces valeurs ne servent qu’à illustrer la définition du COPA. Il ne s’agit pas d’une quelconque moyenne d’installations existantes ou du résultat d’une étude de cas.

4. La performance annuelle théorique

Le Facteur de Performance Saisonnier (« SPF ») est le rapport de la quantité d’énergie fournie au bâtiment et apportée à la machine, en un an, calculée de façon théorique sur base du COP instantané à différentes températures.
Il s’agit donc bien d’une valeur théorique, mais prenant en compte les variations de température de la source froide et non pas d’une valeur mesurée en situation réelle comme le COPA. De plus, le SPF décrit une PAC tandis que le COPA décrit une installation complète.

Il est donc fondamental de bien analyser le type de performance indiqué par le fabricant ou l’installateur !!

Techniques

Pour plus de précisions sur les coefficients de performance d’une PAC, cliquez ici !

Évaluer l’indice de performance à partir du catalogue

L’indice de performance peut être déduit du catalogue du fournisseur, à partir de mesures qu’il aura effectuées dans des conditions standards.

Exemple.

Voici les spécifications techniques d’un climatiseur réversible présent sur le marché. En hiver, ce climatiseur peut fournir de la chaleur au local : il fonctionne alors en mode « pompe à chaleur ».

Unité intérieure FHYB35FJ
Unité extérieure RY35D7
Puissance frigorifique kcal/h 3 100
Btu/h 12 300

kW

3,60
Puissance calorifique kcal/h 3 500
Btu/h 14 000
kW 4,10
Puissance absorbée rafraîchissement kW 1,51
chauffage kW 1,33

On y repère :

  • L’efficacité frigorifique, E.F. :

puissance frigorifique / puissance absorbée =
3,6 kW / 1,5 kW = 2,4
 

  • L’indice de performance au condenseur, e :

puissance calorifique (au condenseur) / puissance absorbée =
4,1 kW / 1,3 kW 
= 3,2

Attention ! Ce coefficient est obtenu dans des conditions très favorables ! En petits caractères, le fabricant précise qu’il s’agit de valeurs obtenues pour 7 °C à l’extérieur … Cette performance va s’écrouler en période plus froide.

En réalité, c’est le rendement moyen saisonnier qui nous intéresse… mais celui-ci n’est jamais donné puisqu’il dépend des conditions d’exploitation.

EUROVENT ?

Comment comparer les rendements de 2 machines frigorifiques si les valeurs annoncées ont été mesurées dans des conditions différentes (température intérieure et extérieure, niveau acoustique, …) ?

Certains gros fabricants du secteur ventilation et climatisation, irrités de la concurrence exercée par des producteurs peu scrupuleux de la qualité du matériel, ont décidé de définir des références communes de comparaison.

Le logo « EUROVENT » n’est pas un label de qualité en soi. Il certifie que le matériel a été testé dans des conditions standards admises par les différents membres de l’association.

Mesurer le COP in situ

Pour calculer les différents coefficients de performance, et particulièrement le COPA, les valeurs suivantes doivent être prises en compte :

  • La quantité de chaleur délivrée (énergie utile), au moyen, par exemple, d’un compteur de chaleur installée sur la boucle d’eau chaude.
  • La quantité d’énergie de haute valeur introduite dans le système, généralement au moyen d’un compteur spécifique sur le matériel électrique.

Si la PAC est réversible, on souhaitera peut-être connaître également le bilan frigorifique de l’équipement.
Pour mesurer des débits, on peut prévoir des by-pass équipés d’appareils de mesure simples, en évitant les coûteuses unités permanentes de mesures, de conversion et d’affichage. Pour les mesures de température, il faudra prévoir des doigts de gants (il s’agit d’une matière conductrice de la chaleur permettant de séparer l’appareil de mesure du fluide à mesurer).

Exemple de doigts de gants.

Un enregistrement manuel des valeurs est en général suffisant pour les installations de pompes à chaleur standards dans les maisons familiales (monovalent et bivalent) et les immeubles locatifs (monovalent, peu de groupes et circuits de raccordements courts). Un enregistrement automatique supplémentaire s’avère en général utile pour des installations non standards, spécialement lorsqu’elles sont bivalentes ou multivalentes et qu’elles possèdent plusieurs groupes et de longs circuits de raccordement.
La mise en valeur et l’interprétation des données doit être confiée au responsable du projet. Les informations ainsi acquises lui permettront d’éliminer certains défauts par des corrections ciblées.

Quels COP rencontrés en pratique ?

Nous manquons cruellement de résultats de mesure annuelle sur des installations tertiaires existantes. Une étude est en cours par la Faculté Polytechnique de Mons.

Concevoir

On peut accéder à leurs résultats provisoires de 5 mois de mesure en cliquant ici !

Le facilitateur pompe à chaleur de la Région Wallonne, EF4, donne les ordres de grandeurs suivantes concernant les coefficients de performances annuels (COPA) des différentes catégories de PAC. Les valeurs de COP typiquement obtenues en laboratoire sont aussi indiquées si bien qu’on se rend bien compte que COP et COPA sont deux concepts distincts :

Type de PAC COP (EN 14511) Essais (°C) COPA (EF4)
Air/Eau 3-4 A2/W35 2.5-3.5
Eau/Eau 5-6 W10/W35 3-4.5
Sol (eau glycolée)/Eau 4-5 B0/W35 3-4
Sol (fluide)/Eau F5/W35 3-4
Sol (fluide)/Sol (fluide) F5/F35 3-4
Production de l’ECS 2.5-3

Repérer un problème ?

Un contrôle régulier du fonctionnement de la pompe à chaleur est conseillé.
Des campagnes de mesures temporaires, effectuées pendant de brèves périodes, par exemple pour l’équilibrage hydraulique ou pour des mesures auxiliaires assurant l’optimalisation du fonctionnement peuvent être prévues.

Que peut-on mesurer ?

  • Le nombre d’ heures de fonctionnement et fréquence d’enclenchement pour chaque partie de l’installation, comme : compresseurs, pompes, ventilateurs et brûleurs.
  • Le signalement de pannes, par exemple : les pannes « Haute Pression » (se produisant dans la partie de la PAC où circule le fluide frigorigène sous forme de vapeur à haute pression et, par extension, les pannes survenant au niveau de la source chaude), les pannes « Basse Pression » (se produisant dans la partie de la PAC où circule le fluide frigorigène sous forme de liquide ou de vapeur à basse pression et par extension les pannes survenant au niveau de la source froide), les pannes de brûleur si installation bivalente.
  • La température extérieure.
  • Les températures importantes du système : départ, retour, pour l’évaporateur, le condenseur et l’accumulateur éventuel.
  • Les débits dans les points importants du système.

Pour les pompes à chaleur faites sur mesure pour des installations importantes, des défauts de construction peuvent apparaître. Dans ce cas, il faut être particulièrement attentif aux vibrations qui, à la longue, peuvent provoquer des ruptures de conduites.

Quel type de panne ?

Une détection précoce des pannes mineures permet souvent d’éviter des problèmes plus importants. Voici la liste des pannes les plus fréquentes rencontrées avec les pompes à chaleur :

Dérangements et causes

Identifiable rapidement ?

Panne basse pression

 manque de fluide frigorigène Oui
– puissance de la source de chaleur trop faible Oui
– manque de fluide caloporteur (eau glycolée) Partiellement
– dégivrage défectueux Non
– traitement incorrect de l’eau Non
Panne haute pression

 encrassement du condenseur Non
– traitement incorrect de l’eau Non
– dégivrage incorrect Non
– manque d’eau dans le système de chauffage Oui
Surcharge du compresseur

 approvisionnement électrique insuffisant Non
– raccordements électriques défectueux Non
– défaut dans le circuit du fluide frigorigène Non
Ventilateur

 raccordements électriques défectueux Non
– dégivrage incorrect Non
Pompes

 raccordements électriques défectueux Non
– blocage mécanique Oui

Source : Ravel.