Dimensionnement d'une pompe à chaleur air-eau

Avec la fin des chaudières gaz dans le neuf, l'interdiction progressive du fioul et les aides à la rénovation (MaPrimeRénov', certificats d'économies d'énergie), la pompe à chaleur air-eau est devenue le générateur de référence en maison individuelle, en France comme en Belgique. Mais une PAC ne se choisit pas comme une chaudière : sa puissance diminue quand il fait froid, précisément au moment où les besoins du bâtiment augmentent. Le dimensionnement consiste à croiser ces deux courbes.

La courbe de la machine face à la droite de déperditions

Les déperditions d'un bâtiment croissent linéairement quand la température extérieure baisse, jusqu'à leur maximum à la température extérieure de base du département (de −2 °C en Corse à −15 °C en Alsace et en Lorraine). À l'inverse, la puissance calorifique d'une pompe à chaleur air-eau chute avec la température d'air. Les constructeurs la déclarent aux points normalisés de la NF EN 14825 : −7 °C, +2 °C, +7 °C et +12 °C, pour chaque température d'eau (35, 45, 55 °C). L'intersection des deux courbes est le point de bivalence : en dessous, l'appoint électrique complète la machine.

La règle des 70 à 100 %

Le bon dimensionnement mono-énergétique vise une machine couvrant 70 à 100 % des déperditions à la température de base, la règle courante des 80 % en étant le cas central. L'appoint ne fournit alors que quelques pourcents de l'énergie annuelle — les pointes de froid sont rares — tandis que la machine module confortablement le reste de la saison. Surdimensionner « pour être tranquille » est contre-productif : cycles courts, usure du compresseur, COP dégradé et surcoût à l'achat.

Comment s'en servir. La valeur lue est la puissance que l'installation doit couvrir à −7 °C. La pompe à chaleur se choisit ensuite à 70 à 100 % de cette valeur, l'appoint électrique intégré assurant le complément lors des pointes de froid. Si votre département est plus froid, la puissance monte proportionnellement à l'écart de température : à −15 °C au lieu de −7 °C, l'écart passe de 27 à 35 K, soit +30 % de puissance pour le même bâtiment. C'est exactement ce que fait le calculateur en haut de page, département par département.

Le coefficient G se lit sur la période de construction ou, mieux, se déduit d'un diagnostic de performance énergétique. C'est la donnée d'entrée la plus sensible de toute la chaîne : 10 % d'erreur sur G, c'est 10 % d'erreur sur la puissance finale. Pour un dimensionnement contractuel, les déperditions s'établissent pièce par pièce selon la NF EN 12831-1, avec notre outil de déperditions thermiques.

Attention : la zone ne dit pas tout. À l'intérieur d'une même zone, la température de base varie fortement — le référentiel donne −5 °C à Paris, −9 °C dans le Nord et −15 °C dans le Bas-Rhin, trois départements pourtant tous en H1 — et l'altitude la dégrade encore : la grille NF P52-612/CN retire plusieurs degrés par tranche d'altitude. Une machine dimensionnée pour Lyon (−10 °C) sera sous-dimensionnée dans les monts du Lyonnais à 800 m. C'est pourquoi l'outil travaille au niveau du département et de l'altitude, pas de la seule zone.

La zone climatique reste néanmoins déterminante pour l'économie du projet : en H3, les besoins annuels sont faibles et le SCOP réel élevé, donc le risque principal est le surdimensionnement et le cyclage. En H1, chaque kilowatt compte, le point de bivalence doit être choisi soigneusement et le ballon tampon devient quasi systématique. En H2, climat océanique oblige, la machine fonctionne l'essentiel de la saison entre +2 et +12 °C, précisément là où elle est la plus performante : c'est la zone où la pompe à chaleur air-eau est la plus rentable.

Ce que cela change au dimensionnement. En monovalent, la machine doit à elle seule couvrir 100 % des déperditions à la température de base — c'est la vérification que l'outil applique quand vous choisissez ce mode. En mono-énergétique, elle peut être bien plus petite : l'outil calcule alors la puissance d'appoint électrique à prévoir, arrondie au kilowatt supérieur. En bivalent, la logique est la même que le mono-énergétique, mais le complément vient d'une autre énergie : renseignez le mode mono-énergétique et lisez la puissance de complément comme celle à demander au second générateur.

Beaucoup de calculateurs ajoutent d'office 1 à 3 kW « pour l'eau chaude sanitaire ». En maison individuelle équipée d'un ballon de stockage, cette majoration n'a pas lieu d'être, et c'est le choix retenu ici : la production d'eau chaude est décalée dans le temps. La régulation bascule en priorité eau chaude, interrompt le chauffage pendant la charge du ballon — vingt à quarante minutes — puis reprend. L'inertie du bâtiment absorbe sans difficulté cette interruption, et les deux besoins ne se cumulent donc jamais à la pointe.

La majoration se justifie en revanche dans trois cas : une production sans stockage suffisant (instantanée ou semi-instantanée), des besoins simultanés élevés (logement collectif, hôtellerie, grande famille avec puisages concentrés), ou un ballon très volumineux qu'il faut recharger dans un créneau tarifaire contraint. Dans ces situations, le poste eau chaude relève d'un calcul propre — nombre d'occupants, volume de puisage, temps de remontée en température — qui sort du cadre de cet outil.

Deux points de vigilance restent valables quel que soit le montage. D'abord, la machine doit pouvoir atteindre la température du ballon : produire de l'eau à 55 ou 60 °C par temps froid dégrade fortement le COP, et certaines machines basse température n'y parviennent qu'avec leur appoint électrique. Ensuite, l'eau chaude sanitaire pèse sur la consommation annuelle — souvent 15 à 25 % de la facture de chauffage en logement récent — sans peser sur la puissance : le SCOP estimé par cet outil est un SCOP de chauffage, pas un rendement global de l'installation.

L'outil enchaîne cinq calculs, chacun documenté dans la note de calcul PDF exportable. Comprendre cette chaîne vous permet de défendre le résultat face à un client, un bureau de contrôle ou un installateur :

1. Les déperditions à la température de base. Soit vous les connaissez (calcul NF EN 12831-1, audit énergétique, étude thermique), soit l'outil les estime par la méthode volumique P = G × V × ΔT, où G est un coefficient de déperditions global (ventilation incluse) calé sur la période constructive : 1,8 W/(m³·K) pour une maison d'avant 1974 non isolée, 0,4 pour une RE 2020.
2. La courbe de la machine. À partir des trois points NF EN 14825 saisis (−7, +2, +7 °C), l'outil reconstruit par interpolation la puissance calorifique et le COP à n'importe quelle température extérieure, au régime d'eau choisi, en s'appuyant sur un point de contrôle calculé à +12 °C pour la plage douce. Le point +2 °C intègre déjà la pénalité de givrage et de dégivrage, la plage la plus critique des pompes à chaleur air-eau.
3. Le point de bivalence. La droite de besoin du bâtiment (maximale à θbase, nulle à 16 °C selon la NF EN 14825) croise la courbe de la machine : en dessous de cette température, l'appoint complète. L'outil en déduit la puissance d'appoint électrique à prévoir, arrondie au kilowatt supérieur.
4. Le SCOP saisonnier localisé. La saison de chauffe est découpée en classes de 1 °C (méthode des bins, celle-là même de la NF EN 14825), pondérées par une monotone climatique calibrée sur les degrés-jours unifiés de votre département. Dans chaque classe : COP interpolé, dégradation de cyclage sous le taux de modulation minimal (Cdh = 0,9), appoint à COP 1. Le rapport besoin annuel sur électricité consommée donne le SCOP de votre installation, dans votre climat, souvent différent du SCOP catalogue mesuré sur le climat moyen européen.
5. Le ballon tampon. Deux exigences dimensionnantes : garantir le temps de marche minimal du compresseur (V = P × t / (cp × ΔT)) et constituer la réserve d'énergie des dégivrages (10 à 20 L/kW). L'outil retient le maximum des deux, déduit le volume du réseau toujours irrigué, et arrondit à la taille commerciale supérieure.

Le piège classique : la « puissance commerciale » du modèle. Une « PAC 11 kW » délivre 11 kW… à +7 °C extérieur. Par −7 °C, il en reste souvent 7 à 8 ; à la température de base d'un département H1, parfois moins de 65 %. Voici comment décoder les données constructeur :

• A−7/W35, A+2/W55… : « A » est la température d'air extérieur, « W » celle de l'eau produite. Les performances chutent quand A baisse et quand W monte (environ −2,5 % de COP par degré d'eau supplémentaire). Saisissez toujours les points au régime d'eau réel de vos émetteurs.
• COP (NF EN 14511) : rendement instantané en un point d'essai. Utile pour tracer la courbe, mais ne dit rien de la saison entière.
• SCOP et ηs (NF EN 14825) : rendement saisonnier, intégrant charge partielle, cyclage et appoint, sur un climat conventionnel (« moyen » = Strasbourg). C'est lui que regardent l'étiquette énergie et les aides : ηs ≈ SCOP / 2,5.
• Pdesign et Tbiv déclarés : la puissance de conception et le point de bivalence retenus par le fabricant pour l'essai NF EN 14825, à comparer à ceux de votre projet, calculés par l'outil.
• Plage de modulation : une machine inverter qui module de 30 à 100 % cycle beaucoup moins qu'une machine à deux étages. Le taux de modulation minimal alimente directement le calcul de dégradation par cyclage.

Le SCOP (coefficient de performance saisonnier, NF EN 14825) rapporte l'énergie de chauffage fournie sur la saison à l'électricité consommée. L'étiquette énergie affiche son équivalent ηs (efficacité énergétique saisonnière, ηs ≈ SCOP / 2,5). Pour l'éligibilité aux aides en rénovation, la fiche d'opération standardisée BAR-TH-171 exige ηs ≥ 126 % en application basse température et ηs ≥ 111 % en moyenne ou haute température — seuils définis par le règlement européen d'écoconception 813/2013. L'installation doit en outre être réalisée par un professionnel qualifié RGE.

Attention : le SCOP déclaré est mesuré pour le « climat moyen » européen (Strasbourg). Votre SCOP réel dépend de votre climat local, du régime d'eau et du taux de couverture retenu : c'est précisément ce que l'outil estime par la méthode des bins, calibrée sur les degrés-jours de votre département. Un SCOP local estimé en zone H3 sera nettement supérieur au SCOP catalogue ; en altitude, il sera inférieur.