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Toute la vérité concernant les thermopompes
Cet article a été rédigé par M. Camille Gagnon et reproduit avec sa permission.
M. Gagnon est ingénieur spécialiste en efficacité énergétique.
La thermopompe, appellée aussi pompe à chaleur ou PAC, serait, selon leurs vendeurs, l'équipement idéal apportant le confort parfait dans une résidence à des coûts d'utilisation défiant toute concurrence.
Comme ces appareils coûtent très cher à l'achat, il est bon, comme acheteur potentiel, de se poser la question: est-ce que ces appareils sont réellement aussi merveilleux que cela?
Nous nous proposons, au cours des prochaines chroniques, d'expliquer le fonctionnement de ces thermopompes, de démystifier les caractéristiques de ces machines, d'analyser les aspects économiques reliés à leur achat et à leur utilisation et de départager la réalité de la fabulation.
Pour comprendre le fonctionnement des thermopompes, il nous faut d'abord faire la distinction fondamentale entre la chaleur et la température. Pour cela, comparons la chaleur à de l'eau contenue dans des réservoirs, et la température aux niveaux de cette eau.
Si un réservoir, placé sur le toit d'un édifice, est relié par un tuyau à un deuxième réservoir placé plusieurs étages plus bas, l'eau s'écoulera naturellement du réservoir le plus élevé vers le réservoir le plus bas.
Si nous voulons renverser le sens normal de l'écoulement et emplir le réservoir sur le toit à partir de l'eau contenu dans le réservoir inférieur, il faudra faire appel à une pompe actionnée par un moteur qui poussera l'eau vers le haut. Cette pompe élèvera donc la hauteur de l'eau.
Si le réservoir inférieur est seulement un étage plus bas, la pompe travaillera beaucoup moins fort pour emplir le réservoir au toit et le fera par conséquent plus vite; il est plus facile à une pompe d'élever l'eau d'un étage que de plusieurs.
La chaleur, pour sa part, se déplace naturellement, à travers les parois, de la température la plus élevée vers la température la plus basse.
Par exemple, s'il fait 20 °C dans une résidence et - 30 °C à l'extérieur, la chaleur va s'écouler naturellement de l'intérieur de la résidence vers l'extérieur à travers le mur. La chaleur va passer d'un réservoir de chaleur à température élevée vers un réservoir de chaleur à température plus basse.
Comme dans le cas de l'eau, on peut à l'aide d'une pompe, dans ce cas-ci une "pompe à chaleur", inverser le mouvement naturel et transférer une partie de cette chaleur du réservoir à la température plus basse, vers le réservoir à une température plus élevée. Ce transfert de chaleur, à l'aide de la thermopompe, élève donc la température de la chaleur prise à l'extérieur pour la diriger à l'intérieur.
Cependant, plus la température extérieure est basse, plus la thermopompe doit travailler fort pour transférer de la chaleur et moins elle peut en transférer.
Dans la publicité sur les thermopompes on nous mentionne régulièrement entre autres choses que de l'air à - 25 °C contient encore plus de 80% de la chaleur qu'il avait à 30 °C. C'est vrai puisque la chaleur dans l'air devient nulle seulement à la température extrême de -273 °C. L'air contient encore beaucoup de chaleur aux basses et très basses températures.
Malheureusement, cette chaleur est très difficilement pompable. Elle ne peut donc être utilisée pour fin de chauffage. C'est l'une des limites de la pompe à chaleur. Plus il fait froid dehors, moins elle est capable de pomper de chaleur. Par contre, plus il fait froid dehors, plus les besoins de chauffage sont grands.
Comme conséquence, la thermopome sera très efficace par temps doux et en mesure de pomper beaucoup de chaleur, alors qu'à ce moment nos besoins en chauffage sont très réduits.
C'est donc une machine très performante lorsque l'on en a moins besoin et non performante lorsque nos besoins de chauffage sont à leur maximum.
Pour estimer le rendement ou l'efficacité d'une pompe à chaleur, nous retrouvons dans la fiche technique des appareils ses COP (coefficients de performance). Les valeurs de ce coefficient sont évaluées selon une méthode normalisée, identique pour tous les appareils.
Si nous lisons, par exemple sur la fiche technique d'un appareil, que son COP est de 3,2 à une température extérieure de 47 °F (8,3 °C) pour une température intérieure de 70 °F (21,1 °C), que doit-on en comprendre?
Cela signifie qu'à cette température, pour chaque kWh d'électricité consommé par l'équipement, nous pompons de l'extérieur l'équivalent de la chaleur produite par la consommation de 2,2 kWh d'électricité. En d'autres mots, nous payons 1 kWh d'électricité tout en fournissant 3,2 kWh de chaleur, d'où 2,2 kWh de chaleur gratuite. Donc, à ses conditions, nous réduirions les coûts de chauffage de plus de 65%. A première vue, c'est merveilleux.
Pour le même appareil, à une température de 17 °F (-8,3 °C), le COP est cette fois de 2,3. Ceci permet en théorie, à cette température, de réduire les coûts de chauffage de 58%. Ca semble encore merveilleux.
Comme ces valeurs du COP sont pour des températures standardisées, elles permettent uniquement de comparer des thermopompes entre elles, aux mêmes conditions de fonctionnement. On ne peut pas utiliser la valeur des COP pour estimer les économies potentielles d'énergie comme nous venons de le faire.
Si l'on veut faire des comparaisons sur l'énergie économisée par rapport à d'autres moyens de chauffage, il faut utiliser les coefficients de performance saisonnier (SCOP ou HSPF). Pour l'appareil pris comme exemple, le HSPF donné dans la fiche technique correspond à 2,2 kWh /kWh. D'après cette valeur, nous devrions économiser annuellement plus de la moitié des coûts de chauffage. C'est toujours merveilleux.
Sauf que la réalité est très différente. Cette valeur fournie par les manufacturiers n'est pas pour nos régions. Elle est évaluée pour la zone IV des Etat-Unis qui inclus les villes de Boston, New-York, Chicago et St-Louis. Leurs besoins en chauffage sont environ la moitié des nôtres, avec des températures moyennes beaucoup plus douces. Ces conditions permettent aux pompes à chaleur de combler tous les besoins de chauffage.
Ici, au Québec, le HSPF est évidemment beaucoup plus bas que les valeurs américaines. D'après des calculs, faits à l'aide du logiciel HOT2000 à partir des relevés climatiques de Bagotville, et en comparant avec des données provenant d'Hydro-Québec, le HSPF serait aux environs de 1,35 kWh/kWh pour la région.
Cette valeur de 1,35 représente des économies du coût annuel de chauffage d'environ 25% si la seule source d'énergie est l'électricité payée au tarif domestique (Tarif D). C'est beaucoup moins merveilleux.
Pourquoi cet écart si considérable entre les valeurs américaines et celles de la région? C'est que les thermopompes sont absolument inefficaces par temps très froid. Il faut, dans ces périodes, chauffer la résidence par un autre moyen. Dans la région, plus de 30% des besoins de chauffage annuel sont pour des températures en bas de -15 °C.
Pour ce 30%, il faut absolument utiliser un chauffage conventionnel électrique, au mazout ou au gaz.
De plus, un autre 20% des besoins de chauffage se situent entre les températures de -8 et -15 °C. À ces températures le rendement des thermopompes est faible, d'où le peu d'économie.
Ces économies de 25% sur le coût annuel de chauffage représentent au plus 350$ par année pour une maison moyenne. Si la facture annuel en électricité se situe aux environs de 2 000$, elle diminuera à environ 1 650$. C'est loin d'être le Pérou.
ÊTRE GAGNANT OU PERDANT EN ACHETANT UNE THERMOPOMPE ?
La thermopompe est un appareil qui, à première vue, semble particulièrement intéressant. Elle permet de réduire, dans une certaine mesure, les coûts de chauffage durant la période froide de l'année et de refroidir la maison durant la saison chaude.
Essentiellement, une thermopompe est un équipement fonctionnant sur le même principe que les systèmes de réfrigération: un compresseur fait circuler du fluide réfrigérant qui prend de la chaleur dans un milieu froid, élève sa température, pour rejeter ensuite cette chaleur dans un milieu chaud.
Dans le secteur résidentiel, les thermopompes les plus courantes sont des appareils centraux du type air-air. C'est-à-dire que de la chaleur est prise dans de l'air en le refroidissant, pour être rejeté dans de l'air à une température plus élevée.
Durant la saison chaude, au besoin, la pompe à chaleur refroidira l'habitation en agissant comme un climatiseur. Elle prendra de la chaleur dans l'air intérieur, en refroidissant cet air, pour la rejeter dans l'air extérieur, où il fait plus chaud à ces moments.
Durant la saison froide, la thermopompe fonctionne en sens inverse, elle prend de la chaleur dans l'air extérieur pour la rejeter à une température plus élevée dans l'air intérieur. Cet appareil pompe de la chaleur et élève la température de celle-ci
Cet air intérieur, chauffé ou refroidi selon les saisons, est distribué, dans l'ensemble de la résidence, au moyen d'un réseau de conduits.
Bien que les thermopompes air-air soient les thermopompes les moins coûteuses, elles demandent, tout de même, des investissements très importants dans la plupart des applications.
En effet, l'achat de l'appareil, son installation et les modifications à effectuer aux équipements déjà en place coûtent de cher à très cher dépendant des travaux à effectuer. Comme ordre de grandeur, on parle de coûts entre 8 000 à 14 000 $.
Le coût élevé de ces installations vient en grande partie du fait qu'il est nécessaire de doubler le système de chauffage. Nous devons avoir un équipement de chauffage qui, dans les mois les plus froids de l'année, prendra la relève de la thermopompe. Nous aurons donc un appareil de chauffage électrique ou à combustible qui sera en mesure d'assumer seul le chauffage de la résidence couplé à une thermopompe qui, trois saisons par année, sera en opération.
Dans cette même chronique, la semaine dernière, nous avons démontré que les économies sur la facture de chauffage, par l'utilisation d'une thermopompe, n'étaient pas faramineuses. Ces économies sont au mieux de l'ordre de 300 $ à 350 $ annuellement si la seule source d'énergie est l'électricité.
Des vendeurs vont peut-être vous parler d'économies potentielles de beaucoup supérieures à ces chiffres. Il faut être très critique face aux affirmations de ces derniers et vérifier par des questions serrées s'ils comparent des " pommes avec des pommes ". Dans ce domaine, il est très facile de tronquer et de déformer la vérité.
Comparer, par exemple, les coûts de chauffage d'une vieille fournaise au mazout, à faible rendement, à un système biénergie composé d'une thermopompe couplée à un calorifère au mazout à haut rendement, n'est pas correct.
Il n'est pas correct, non plus, de mettre en parallèle les économies réalisables sur les coûts de l'énergie en comparant un chauffage à plinthes électriques contrôlées par des thermostats bilames à un système biénergie composé d'une pompe à chaleur reliée à un calorifère au mazout à haut rendement.
Dans ces deux cas, on entremêle les tarifs électriques D et DT, le tarif biénergie DT étant plus économique annuellement que la tarif domestique D. La comparaison, pour être juste, doit se faire entre des équipements de même génération, profitant des mêmes tarifs d'électricité.
Par exemple, les coûts annuels de fonctionnement d'une PAC, couplée à un équipement électrique de chauffage auxiliaire, pourraient être comparés aux coûts de fonctionnement d'un système de chauffage à plinthes électriques reliées à des thermostats électroniques. Dans ces cas, nous comparons deux équipements de chauffage consommant la même source d'énergie, au même tarif. Les économies réalisées seront dues uniquement à la présence de la thermopompe et non à la tarification différente.
L'utilisation d'une PAC oblige l'installation d'un réseau de conduits d'air, ce réseau servira également, dans les maisons étanches, à la ventilation des différentes pièces de la résidence. Pour être juste dans la comparaison des coûts, il faut tenir compte, dans certains cas, de la double fonction des conduits. Ils serviront à transporter de la chaleur mais aussi à amener de l'air frais dans les différentes pièces. Dans ce cas, nous n'aurons pas à installer d'autres conduits pour la ventilation.
Pour être honnête, il faut aussi considérer le désir de climatiser la maison durant l'été. Si la climatisation de la résidence est jugée essentielle par ses propriétaires, pour fin de comparaison des coûts, il faut considérer aussi les coûts d'un système de climatisation indépendant.
Méfiez-vous au plus haut point des projections faites par les vendeurs sur les coûts futurs de l'énergie. Il n'y a personne qui peut les prédire. Particulièrement dans le cas du mazout où il y a trop d'impondérables.
Le mazout est un combustible dont les prix futurs sont hautement imprévisibles et hypothétiques. Le pétrole a déjà coûté plus de 40 $ du baril. Il en coûtait au printemps 94, environ 15 $. Il est donc très hasardeux de faire des projections dans le futur afin de justifier les investissements actuels.
Dans le cas du gaz naturel et de l'électricité, on peut s'attendre à une majoration annuelle des prix correspondant à la progression des dernières années. Le tarif biénergie offert par Hydro-Québec est pour l'instant une avenue très intéressante.
Les taux d'inflation et d'intérêt ? Il faudrait avoir une boule de cristal pour prévoir les tendances à moyens termes. Bien malin qui pourrait dire ce qui nous attend dans les prochaines années. Il est donc également très hasardeux de faire des projections dans le futur pour justifier la rentabilité des investissements actuels.
Donc, les calculs de rentabilité doivent se faire à partir des données que nous connaissons. Aujourd'hui, si j'investis 8000 $ pour en sauver environ 350 $ durant l'année, le retour simple sur l'investissement sera de plus de 20 ans.
Si j'emprunte aujourd'hui le montant investi, les économies de la première année ne paient pas les intérêts de l'emprunt. Du point de vue strictement économique, il devient très difficile de justifier un tel investissement.
On peut, bien sûr, supposer de bas taux d'intérêt pour les prochaines années et une augmentation importante des coûts de l'énergie ce qui améliorera la rentabilité de l'investissement. Ce sont des hypothèses invérifiables pour l'instant.
DANS L'ACHAT D'UNE THERMOPOMPE QUE RECHERCHEZ-VOUS? L'ÉCONOMIE OU LE CONFORT?
Dernièrement, nous avons publié deux chroniques consécutives traitant des thermopompes. Nous revenons à nouveau sur le sujet car nous avons reçu de nombreux commentaires.
En effet, parler de thermopompes, ça soulève, chez plusieurs, de vives passions : Il y a les carrément « pour » et les définitivement « contre ».
Les « pour » vous diront sans doute que la thermopompe, comparée aux plinthes électriques, améliore grandement le confort en hiver par une bonne circulation d'air et une température plus uniforme. Ces personnes souligneront également, qu'en été la thermopompe contribue grandement au confort en climatisant l'ensemble des pièces de la résidence. Tout cela en réduisant, dans une certaine mesure, les coûts annuels de la facture électrique. Et ils ont raison.
Les « contre » vous diront probablement que la thermopompe n'est pas particulièrement efficace dans nos régions, que les économies sur les factures de chauffage ne justifient pas l'investissement nécessaire. Et ils ont également raison.
En fait, la thermopompe doit être considérée comme un équipement de luxe. C'est là où le consommateur doit être très vigilant et vérifier si son besoin est relié au confort ou à la rentabilité.
Si l'on parle de confort, il faut faire une distinction très claire entre ce qui relève de la thermopompe proprement dite et ce qui dépend du reste du système.
Un exemple parmi plusieurs : certains vendeurs mentionnent que la thermopompe améliore la qualité de l'air dans la maison en ventilant cette dernière. Cet argument n'a rien à voir avec une thermopompe. Ils parlent de ventilation alors que la thermopompe est un équipement de chauffage. Plusieurs autres équipements peuvent remplacer l'air d'une maison en récupérant ou non la chaleur avec un investissement beaucoup moins élevé.
S'ils vous parlent d'économie sur vos factures électriques, il faut voir ce qu'ils veulent dire. Si vous avez un chauffage biénergie, il faut tenir compte des coûts totaux de l'énergie et ne pas oublier le coût du mazout. Il faut tenir compte également des économies dues au changement de tarification électrique en passant du tarif D au tarif DT.
Des vendeurs compétents et consciencieux sont en mesure de décortiquer tout cela, de vous informer honnêtement sur les coûts et les économies réelles. Au prix que coûte un tel équipement, vous avez le droit d'avoir des réponses satisfaisantes et vérifiables à vos questions.
Par ailleurs, il y a de plus en plus de manufacturiers qui offrent des équipements de grande qualité. Ces appareils peuvent rendre votre habitation plus confortable. Il y a cependant un coût important relié à cela.
Le magazine Protégez-vous a fait une enquête auprès des propriétaires de thermopompes : ceux-ci les ont achetées pensant faire des économies, ils justifient ensuite leur achat par le confort que la climatisation leur apporte.
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Cet article a été rédigé par M. Camille Gagnon et reproduit avec sa permission. Voici quelques informations concernant l'auteur.
Monsieur Camille Gagnon, un saguenéen d'adoption, a grandi dans la Beauce et fait des études en Génie chimique et en pédagogie, à l'Université Laval de Québec ainsi qu'en environnement à l'Université du Québec à Chicoutimi. Après avoir enseigné quelques années en Techniques de génie chimique au Cégep de Jonquière, tout en demeurant dans l'enseignement il a bifurqué vers la Technologie de la mécanique du bâtiment. Au début des années 80, il a aussi travaillé comme chargé de cours en Génie unifié à l'UQAC.
Au fil des ans, le confort thermique, la salubrité de l'air et l'efficacité énergétique dans les bâtiments sont devenus ses spécialités. Au cours des quinze dernières années plus particulièrement, son intérêt personnel et ses diverses activités professionnelles, comme formateur, rédacteur et conseiller technique, lui ont permis de développer une solide expertise dans le domaine résidentiel.
Il a rédigé entre autres, entre 1993 et 1997, dans le Progrès-Dimanche du Saguenay (édition dominicale du Quotidien), tout près de 130 chroniques touchant différents aspects de son domaine d'expertise. Une centaine de ces chroniques sont offertes sur ce site.
À l'automne 1997, ce travail de vulgarisation technique lui a valu deux prix : le Prix Alphonse-Huard, du Mérite scientifique régional Saguenay-Lac-St-Jean, en vulgarisation scientifique et le Prix du Jury de l'Association québécoise pour la maîtrise de l'énergie (AQME).
Monsieur Gagnon qui a quitté l'enseignement depuis déjà quelques années, poursuit ses activités comme formateur sur mesure et conseiller en confort thermique, efficacité énergétique et ventilation résidentielle. En plus de ces chroniques, il a collaboré avec l'Agence de l'efficacité énergétique (AEÉ) et Forum efficacité énergétique Saguenay-Lac-St-Jean à la promotion du programme Novoclimat pour les maisons neuves. Il a également participé à la formation de spécialistes en ventilation pour ce même programme, pour la Corporation des maîtres mécaniciens en tuyauterie du Québec (CMMTQ) et continue de collaborer avec cet organisme en travaillant à la rédaction de «Guides techniques».
Monsieur Gagnon est membre de l'Ordre des ingénieurs du Québec ainsi que de l'American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE).
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