Personne n’aime avoir froid dans son logement lors d’une journée d’hiver glaciale. Et lorsqu’il faut se rendre au bureau par une chaleur écrasante en été, une climatisation performante est particulièrement appréciable. Pour répondre à nos besoins de confort, les pompes à chaleur (fourniture de chaleur et parfois de froid) et les machines frigorifiques (fourniture de froid) sont conçues avec des réserves de puissance pour être en mesure de faire face également aux situations climatiques extrêmes.

Pour diverses raisons, d’autres réserves s’ajoutent dans la pratique (par ex. appareil de plus grande taille, prise en compte des horaires de coupure). Si cela entraîne un surdimensionnement, cela présente toutefois des inconvénients: en effet, premièrement, les grandes installations sont plus chères à l’achat et, deuxièmement, elles consomment parfois plus d’énergie car elles ne fonctionnent plus sur la plage de puissance optimale. Le dimensionnement d’une pompe à chaleur ou d’une machine frigorifique est ainsi extrêmement délicat.

Surconsommation de chauffage de 44% en moyenne
Le parc immobilier suisse représente 40% de la consommation d’énergie du pays. Dans ce contexte, la recherche examine dans quelle mesure un dimensionnement optimal des pompes à chaleur et des machines frigorifiques pourrait réduire la consommation d’énergie. Le fait qu’il existe un potentiel d’économies dans ce domaine est connu depuis longtemps. Une étude de la Haute école spécialisée de la Suisse orientale (OST) a déjà fourni des chiffres saisissants il y a des années: les trois quarts des immeubles collectifs étudiés étaient équipé de pompes à chaleur surdimensionnées de 10% à 60%, et les bâtiments avaient une surconsommation de chauffage de 44% en moyenne.

Plusieurs fois la puissance nécessaire
C’est dans ce contexte que des scientifiques de l’OST et le groupe systèmes énergétique de l’Université de Genève ont approfondi le sujet dans le cadre d’une nouvelle étude. Ils ont examiné dix immeubles de bureaux et plus de 500 logements collectifs chauffés ou climatisés par des pompes à chaleur (les immeubles de bureaux disposaient généralement d’un chauffage complémentaire au gaz pour couvrir les pics de demande). Le surdimensionnement a été déterminé en comparant la puissance de chauffage réellement utilisée, déterminée à partir des données de mesure, avec la puissance de chauffage installée ou prévue. L’étude se base sur des données du fournisseur d’électricité zurichois EKZ, qui fournit l’énergie aux bâtiments en tant que contractant, et du fournisseur d’énergie genevois SIG. Des simulations ont également permis d’estimer l’impact d’un surdimensionnement sur les besoins électriques des pompes à chaleur ou des machines frigorifiques, ainsi que sur la durée de vie (cycles marche/arrêt) et la rentabilité. L’OFEN, la ville et le canton de Zurich ainsi que le canton de Bâle-Ville ont soutenu financièrement ce projet de recherche baptisé Optipower.

Immeubles : surdimensionnement supérieur à 40%
Concernant les immeubles d’habitation, l’analyse des données a confirmé les conclusions des études précédentes. Dans ce cas la valeur médiane de surdimensionnement est de 40%, c’est-à-dire que le surdimensionnement est supérieur à 40% pour la moitié des bâtiments et inférieur pour l’autre moitié (voir graphique 01). Les pompes à chaleur et les machines frigorifiques des immeubles de bureaux étaient nettement plus surdimensionnées, de 100 à 300% (cf. graphique 02). «Pour les bâtiments administratifs en particulier, le surdimensionnement va bien au-delà de ce qui est nécessaire pour un approvisionnement énergétique fiable», explique le responsable de projet Igor Bosshard de l’Institut de technologie solaire de l’OST.

Un fonctionnement on-off inefficace
Les pompes à chaleur et les machines frigorifiques modernes ajustent leur output aux besoins grâce à un onduleur (convertisseur). Grâce à la régulation continue de l’onduleur, elles peuvent typiquement fournir de 30 à 100% de leur puissance nominale. Si toutefois, la puissance demandée est inférieure à 30%, comme cela peut rapidement être le cas avec une installation fortement surdimensionnée, celle-ci tombe en mode on-off. Du point de vue énergétique, ce mode de fonctionnement est inefficace (coefficient de performance annuel plus faible) et entraîne une réduction de la durée de vie de l’appareil en raison d’une sollicitation élevée: des estimations relatives à une pompe à chaleur air-eau régulée par convertisseur ont montré que les surdimensionnements pratiqués dans la réalité réduisent parfois la durée de vie de 20 à 40% et peuvent augmentent la consommation d'énergie de 30%. Bilan d’Igor Bosshard: «Si toutes les installations fonctionnaient plus efficacement, ne serait-ce que de quelques pour cent, cela aurait tout de même un effet considérable pour la Suisse».

Les pompes à chaleur air-eau tombent particulièrement souvent en mode «on-off», lequel est inefficace. Les causes sont d’ordre constructif (forte augmentation de la puissance lorsque la température de l’air extérieur est plus élevée). Le rapport final d’Optipower conclut comme suit: «Dans ces cas en particulier, il convient de dimensionner la pompe à chaleur avec soin et de manière plutôt succincte ou de créer une plage de régulation aussi large que possible grâce à des cascades (plusieurs pompes à chaleur)».

Le surdimensionnement est coûteux
Toutefois, il serait incorrect d’affirmer qu’un surdimensionnement altère nécessairement l’efficacité d’une pompe à chaleur. Pour les pompes à chaleur saumure-eau couplées à des sondes géothermiques, l’efficacité peut même augmenter en cas de surdimensionnement. La raison: les pompes à chaleur saumure-eau surdimensionnées ont un champ de sondes géothermiques plus important et fournissent par conséquent une température de source plus élevée.

Ce gain d’efficacité a toutefois son revers, à savoir des coûts plus élevés. En effet, pour obtenir une plus grande puissance, le champ de sondes doit être agrandi de manière disproportionnée pour des raisons physiques, avec les conséquences financières que cela implique (cf. graphique 04).

Ce qui est particulièrement vrai pour les pompes à chaleur eau saumure-eau l’est aussi pour les pompes à chaleur en général: en cas de surdimensionnement, les coûts d’investissement augmentent dans la mesure où les installations plus puissantes sont plus chères. Compte tenu des coûts d’investissement, éviter un surdimensionnement s’avère essentiel.

Diverses raisons pour le surdimensionnement
Dans le cadre du projet, l’équipe Optipower a voulu savoir quelles facteurs induisent ce surdimensionnement parfois massif des pompes à chaleur et des machines frigorifiques. Pour le savoir, les chercheurs ont soumis les données de trois immeubles de bureaux à une analyse détaillée. Dans le cas des immeubles de bureaux, en l’occurrence, deux facteurs principaux ont conduit à une surestimation des besoins énergétiques lors de la planification: d’une part les besoins pour réchauffer l’air neuf froid dans le système de ventilation, d’autre part le besoin pour le refroidissement des salles de serveurs. Ce dernier est parfois surestimé d’un facteur 10.

Les chercheurs ont eu un peu plus de mal à trouver les facteurs dans le domaine des bâtiments d’habitation. Le fait est que des bâtiments avec les mêmes besoins en chauffage sont parfois équipés de pompes à chaleur de puissances très différentes par différents planificateurs. Le projet OptiPower n’a pas permis d’en déterminer la cause.

Recommandations pour les planificateurs de chauffage
Dans son rapport final, l’équipe Optipower formule une série de recommandations visant à limiter le surdimensionnement des pompes à chaleur et des installations frigorifiques à un niveau raisonnable et à éviter les inefficacités et les surcoûts. La proposition pour les immeubles de bureaux est relativement simple. La nouvelle norme SIA380/2:2022 et la simulation dynamique des bâtiments qu’elle prévoit offrent un bon levier, comme l’écrivent les chercheurs dans leur rapport final. Si cette norme est appliquée et que la puissance de chauffage n’est pas augmentée par des suppléments imprévus, le surdimensionnement peut être «évité ou du moins massivement réduit». Une simulation dynamique du bâtiment entraîne certes des coûts supplémentaires, mais ces coûts sont nettement inférieurs aux coûts consécutifs à un surdimensionnement, soulignent les scientifiques.

«Méthode de plausibilité simple»
Pour éviter un surdimensionnement important dans les immeubles, ils conseillent d’utiliser une «méthode de plausibilité simple», qui a été développée dans le cadre du projet. Cette méthode consiste pour le planificateur à garder à l’esprit qu’il existe une relation linéaire entre la consommation annuelle de chauffage et la puissance réellement nécessaire pour le chauffage (cf. graphique 05). Si un planificateur a prévu un chauffage pour un bâtiment donné, il peut facilement vérifier avec ce graphique si le chauffage est correctement dimensionné: Pour cela, il lui suffit d’obtenir la valeur du besoin annuel en chaleur pour le chauffage disponible dans les données du bâtiment; cette valeur lui permet de vérifier avec le graphique en question si la puissance du chauffage est appropriée.

Restriction du confort
Selon l’étude OptiPower, il y a de bonnes raisons de réduire le surdimensionnement des installations de chauffage et de refroidissement à un niveau acceptable, tant pour les nouvelles constructions que pour le remplacement du chauffage dans les bâtiments existants. Le responsable du projet Igor Bosshard est conscient que le confort des habitants pourrait s’en trouver affecté dans des situations météorologiques extrêmes. Pour lui toutefois, il ne s’agit pas d’un argument valable: «Avec un dimensionnement juste et sans marge de sécurité, il se peut que les résidents se voient obligés d’accepter de chauffer seulement jusqu’à 20°C pendant trois jours en période de grand froid. Dans la mesure où une telle situation se produit peut-être une fois tous les dix ans, nous considérons cette restriction comme acceptable».

• Rapport final du projet ‹Optipower – Étude du dimensionnement optimal de la puissance des systèmes de chauffage et de refroidissement pour les bâtiments résidentiels et administratifs› (disponible en allemand) >>
• Nadège Vetterli (nadege.vetterli[at]anex.ch), directrice externe du programme de recherche de l’OFEN Bâtiments et villes, communique des informations sur le projet
• Vous trouverez plus d’articles spécialisés concernant les projets pilotes, de démonstration et les projets phares dans le domaine Bâtiments et villes sur www.bfe.admin.ch/ec-bâtiment >>

Texte : Benedikt Vogel, sur mandat de l’Office fédéral de l’énergie (OFEN)