Pompe à chaleur par grand froid : performances sous −15 °C

L’objection revient sans cesse : les pompes à chaleur « ne marchent pas quand il fait vraiment froid ». Les chiffres d’équipement disent le contraire. En Europe, les pays en tête sont la Norvège, la Suède et la Finlande, où la moyenne de janvier se situe nettement sous zéro. Le froid change pourtant la donne technique. La puissance chute au moment précis où les besoins de chauffage culminent, le rendement baisse, du givre se forme sur la batterie extérieure, et des choix de dimensionnement presque anodins sous un climat doux décident soudain du bon fonctionnement de l’installation. Ce guide explique ce qui se passe sous 0 °C et comment concevoir un système qui reste efficace pendant une vague de froid à −20 °C.

Pourquoi le froid fait baisser le rendement

Le rendement dépend de l’écart de température entre la source de chaleur et l’eau de chauffage. La limite théorique (de Carnot) s’écrit :

Le froid frappe deux fois. L’écart se creuse quand la température extérieure baisse. Au même moment, le bâtiment réclame plus de chaleur, et la loi d’eau relève donc la température de départ. Passer de +7 °C dehors avec un départ à 35 °C à −15 °C avec un départ à 50 °C double à peu près l’écart, et le COP peut être divisé par deux.

Ce que donnent les vraies PAC pour climats froids

Les fabricants publient des tableaux de performances aux points de mesure normalisés de l’EN 14511. Les valeurs ci-dessous sont représentatives des PAC air actuelles à compresseur inverter conçues pour le froid (R290, R32 ou compresseurs à injection de vapeur). D’un produit à l’autre, l’écart atteint ±15 %.

Gibb, Rosenow et leurs collègues ont compilé des données de terrain et de laboratoire dans une revue publiée en 2023 dans Joule. Les PAC air y conservent un COP proche de 2 entre −10 et −15 °C, et restent au-dessus de 1,5 dans la plupart des essais à −20 °C ou moins. Même aux pires heures, une PAC fait donc mieux qu’une résistance, et ces heures-là sont peu nombreuses.

Pourquoi le chiffre saisonnier tient bon

Le froid extrême reste rare. À Oslo, Helsinki ou Montréal, la plupart des heures de la saison de chauffe se situent entre −5 °C et +8 °C. Une PAC avec un COP de 1,8 à −20 °C ne passera peut-être que 50 à 150 heures par an à cette température. Le coefficient de performance saisonnier (SPF) est pondéré par la chaleur fournie à chaque température : un site froid finit en général 0,3 à 0,7 point sous un site doux. Il ne s’effondre pas.

Le dégivrage : la perte cachée entre −7 °C et +5 °C

Quand la batterie extérieure travaille sous 0 °C dans un air humide, du givre s’y forme et bloque le passage de l’air. L’appareil inverse alors son cycle pendant 2 à 10 minutes et le fait fondre avec de la chaleur prise dans la maison. Le givrage n’est pas le pire à −20 °C, quand l’air est sec, mais vers −3 °C à +3 °C avec une forte humidité, c’est-à-dire le temps ordinaire des hivers océaniques et continentaux. Dans cette plage, le dégivrage coûte en général 2 à 10 % de l’énergie fournie. Les bonnes pratiques :

• Posez l’unité extérieure sur un socle ou une console murale, 30 à 50 cm au-dessus du niveau de neige attendu.
• Prévoyez une évacuation des condensats hors gel. La glace qui s’accumule sous l’appareil est une panne fréquente.
• Tenez-la à l’écart des congères et des égouttures de toit ; un petit auvent aide.
• Choisissez un modèle à dégivrage sur demande (piloté par capteurs) plutôt qu’à cycles minutés.

Dimensionner pour la température de base

La température extérieure de base est la valeur de jour froid à laquelle l’installation doit faire face ; elle n’est en général dépassée que quelques jours par an. Elle avoisine −12 °C à Berlin, −14 °C à −16 °C à Bucarest, −20 °C à Oslo, −26 °C à Helsinki et environ −23 °C à −30 °C à Montréal ou Minneapolis. Les normes nationales et les données climatiques de l’ASHRAE donnent la valeur exacte.

Deux approches existent :

1. Dimensionnement monovalent : la PAC couvre seule 100 % des besoins à la température de base. C’est simple et efficace, mais l’appareil est surdimensionné la majeure partie de la saison.
2. Dimensionnement bivalent : la PAC couvre les besoins jusqu’à un point de bivalence (souvent −5 °C à −10 °C). En dessous, une résistance électrique ou la chaudière existante prend le relais en complément.

Les heures les plus froides sont rares : une PAC dimensionnée pour 80 à 90 % de la charge de pointe fournit encore 95 à 99 % de la chaleur annuelle dans la plupart des cas. Les derniers pourcents apportés par une résistance coûtent peu.

Exemple chiffré : une maison de 160 m² près d’Oslo

• Déperditions de base : 9 kW à −20 °C (maison des années 1990 rénovée) ; besoins de chauffage annuels de 21 000 kWh.
• Option A : PAC air/eau de 9 kW pour climat froid. À −20 °C, elle fournit environ 70 %, soit 6,3 kW, et la résistance d’appoint de 6 kW vient en renfort sous −12 °C environ. Une simulation météo heure par heure donne un appoint d’environ 3 % de la chaleur et un SPF d’environ 2,8. Électricité : 21 000 / 2,8 ≈ 7 500 kWh.
• Option B : géothermie avec 120 m de forage (deux puits de 60 m dans le socle rocheux norvégien typique), SPF d’environ 3,8. Électricité : environ 5 530 kWh.
• À 1,5 NOK/kWh (environ 0,13 €), l’option B économise environ 2 000 kWh, soit à peu près 260 € par an, mais coûte 10 000 à 15 000 € supplémentaires. Le retour sur investissement est long, ce qui explique que l’aérothermie domine les nouvelles installations en Norvège malgré le froid.
• Comparées au chauffage électrique direct, qui consommerait 5 000 à 20 000 kWh supplémentaires, les deux options représentent un grand progrès.

Testez votre propre climat avec le calculateur de pompe à chaleur et dimensionnez vos forages avec le calculateur de PAC géothermique.

L’air/air, bête de somme des climats froids

En Scandinavie et au Japon, la PAC typique n’est pas un système hydraulique. C’est un simple split air/air accroché au mur du séjour. Les modèles conçus pour les marchés nordiques affichent un SCOP de 4,5 à 5,5 dans le climat de référence européen « plus froid » et fonctionnent jusqu’à −25 °C ou −30 °C. Dans une maison chauffée par des radiateurs électriques, un seul appareil à 2 000–3 500 € qui dessert un séjour ouvert peut réduire de 30 à 50 % l’électricité consacrée au chauffage. Ses limites : pas d’eau chaude, et les chambres fermées reçoivent peu de chaleur.

La géothermie et les autres solutions

Au-delà d’environ 2 m de profondeur, le sol reste proche de la température moyenne annuelle de l’air : à peu près +5 à +8 °C en Scandinavie et +9 à +12 °C en Europe centrale. Un capteur vertical renvoie de l’eau glycolée à environ 0–5 °C, même en février. La PAC travaille donc avec un écart de température presque constant et ne dégivre jamais. Les inconvénients tiennent au coût et au dimensionnement à long terme : le forage coûte 40 à 80 € par mètre en Europe, et les sondes doivent être assez longues pour ne pas épuiser le sol au fil des décennies.

Autres options :

• Les PAC hybrides associent une PAC air à une chaudière gaz ou fioul existante qui assure les heures les plus froides. Elles ont du sens là où le réseau est saturé ou là où les radiateurs ne peuvent pas être remplacés.
• Les PAC au CO₂ (R744) produisent efficacement de l’eau à 65–90 °C, ce qui convient à l’eau chaude sanitaire en climat froid.
• Les PAC sur air extrait récupèrent la chaleur de l’air de ventilation dans les maisons nordiques très étanches.

L’effet des vagues de froid sur le réseau

Quand des millions de logements se chauffent avec des PAC, les heures les plus froides fixent la pointe de consommation électrique. Une PAC de COP 2 appelle moitié moins de puissance qu’une résistance pour la même chaleur. Remplacer le chauffage électrique direct (répandu en Norvège, en Suède, en France et au Québec) par des PAC réduit donc les pointes d’hiver, alors que remplacer le gaz les augmente. Les logements bien isolés et dotés d’inertie thermique peuvent passer une heure de pointe chauffage coupé, et les offres tarifaires dynamiques sont toujours plus nombreuses à rémunérer cet effacement. Comparez les mix électriques nationaux sur la carte mondiale de l’énergie.

Liste de contrôle pour une installation en climat froid

• Faites un vrai calcul de déperditions à la température de base locale. Ne reprenez pas la puissance de l’ancienne chaudière.
• Choisissez un modèle dont la puissance et le COP sont publiés à −15 °C et −20 °C. En Amérique du Nord, la liste « cold climate » de NEEP fait un bon filtre.
• Visez la température de départ la plus basse possible : 35 à 45 °C aux conditions de base, si les radiateurs le permettent.
• Isolez avant d’acheter. En climat froid, chaque kW de déperditions évité réduit à la fois le coût du matériel et la consommation d’électricité (voir le calculateur d’économies d’isolation).
• Installez l’unité extérieure au-dessus de la neige, à l’abri du vent dominant, avec une évacuation chauffée ou protégée du gel.
• Réglez l’appoint pour qu’il ne s’enclenche que sous le point de bivalence, et suivez sa consommation.
• Comparez les coûts totaux avec le comparateur de coûts de chauffage, en comptant l’abonnement gaz que vous pourrez résilier.

Ce qu’il faut retenir

Une pompe à chaleur perd de la puissance et du rendement quand la température baisse. Les modèles récents pour climats froids fournissent pourtant encore environ deux unités de chaleur par unité d’électricité à −15 °C, et les installations bien faites sous climat nordique atteignent des performances saisonnières nettement supérieures à 2,5. La conception fait la différence : un dimensionnement à la vraie température de base, des températures de départ basses, une unité extérieure bien placée et un appoint qui reste vraiment un appoint. Pour les bases du COP et des coûts d’usage, lisez Les pompes à chaleur expliquées.

Les chiffres de ce guide sont des fourchettes habituelles tirées des sources ci-dessus ; les vôtres dépendent du lieu, des prix et du matériel. Utilisez les calculateurs proposés pour une estimation propre à votre site.