Ingénieur retraité, Louis Cartier est un passionné des statistiques et de l'efficacité énergétique. Voici les leçons qu'il tire après avoir fait installer deux thermopompes murales dans sa maison des années 1960 aux murs peu isolés.
Au début de 2020, un voisin me demandait si j’avais entendu parler du programme québécois Chauffez Vert qui vise le remplacement des fournaises au mazout et au propane par un système à l’énergie renouvelable, comme l’électricité ou la géothermie. Comme j’ignorais tout à ce sujet, il m’a informé qu’à partir de 2024 les fournaises au mazout âgées de 20 ans et plus ne pourraient plus être remplacées ni même réparées. Comme la mienne (une biénergie mazout-électricité) avait déjà 19 ans, il me fallait trouver des solutions advenant le bris de cette source de chaleur.
Options
La première option consistait à ne plus brûler de mazout mais à continuer d’utiliser l’élément chauffant de la fournaise, mais je ne serais plus admissible au tarif biénergie très avantageux d’Hydro-Québec. La deuxième consistait à remplacer la vieille fournaise par une fournaise électrique plus moderne. Enfin une troisième option était d’installer une thermopompe tout en conservant la fournaise actuelle et son élément chauffant comme source d’énergie d’appoint en période de grand froid. À la fin de l’été 2020, la fournaise au mazout n’avait pas rendu l’âme, mais j’ai quand même décidé de passer à la troisième option. En fait, j’ai fait installer deux thermopompes aérothermiques (air-air) murales, à chaque extrémité du rez-de-chaussée de ma maison de plain-pied construite en 1965, dans les Laurentides. L’idéal aurait été une thermopompe centrale, mais il aurait fallu la raccorder à ma veille fournaise qui était trop bruyante.
Thermopompe à vitesse variable
J’ai d’ailleurs choisi ma première thermopompe à vitesse variable non pas en fonction de son efficacité énergétique, dont j’avais une vague idée, mais surtout pour son fonctionnement silencieux. Le bruit incessant de la soufflerie de ma fournaise, qui démarrait à pleine puissance, s’arrêtait puis repartait par cycles d’environ 20 minutes, m’agressait de plus en plus. C’était donc ma motivation principale, en plus de l’aide financière offerte par le programme Chauffez Vert. J’ai tellement aimé pouvoir climatiser ma chambre de façon silencieuse que trois semaines après, j’ai acheté la deuxième thermopompe qui est installée entre ma cuisine et ma salle à manger.
La thermopompe de ma chambre a une puissance de 9 000 unités thermiques britanniques (BTU/h) équivalant à 2,6 kilowatts (kW) et celle qui traite l’air au haut de l’escalier du sous-sol dans ma cuisine possède une puissance de 18 000 BTU /h (5,3 kW).
Après trois ans d’utilisation, voici les conclusions que j’en tire.
Avantages
- Efficacité énergétique
C’est en étudiant le fonctionnement de ma deuxième thermopompe que j’ai constaté son potentiel d’économie d’énergie.
Le principe d’opération de la thermopompe est basé sur le cycle thermodynamique de Carnot.1 Elle récupère la chaleur de condensation de son réfrigérant à l’intérieur et évacue le froid produit par l’évaporation de ce même réfrigérant à l’extérieur. Durant ce processus, elle génère plus d’énergie qu’elle n’en consomme en utilisant l’énergie contenue dans l’air extérieur, même par temps froid.
L'efficacité énergétique d'une thermopompe s'exprime en termes de coefficient de performance (COP). C'est le rapport entre la quantité d’énergie utile fournie par la thermopompe et la quantité d’énergie utilisée pour la faire fonctionner. Il dépend entre autres des caractéristiques techniques de l’appareil, de la température extérieure et du type de réfrigérant utilisé.
Selon la documentation du fabricant Trane, la thermopompe de la cuisine (modèle 4MXW2318A10N - on peut comparer les modèles ici) affiche un COP maximal de 2,4 par temps doux. Cela signifie qu’elle fournira jusqu’à 2,4 kilowattheures (kWh) de chaleur pour chaque kWh d’électricité qu’elle consomme. Plus il fait chaud, plus le COP est important : il varie par exemple entre 1,75 à -15 degrés Celsius (oC) et 2,37 de façon constante entre -8 et 8,3 oC.
- Subvention
Le programme LogisVert d’Hydro-Québec offre une aide financière intéressante aux consommateurs qui veulent se procurer une thermopompe murale ou centrale. Elle atteint jusqu'à 120 $ par tranche de 1 000 BTU/h à - 8 °C pour un modèle efficace de base, et 140 $ par 1 000 BTU/h à - 8 °C pour un modèle à très haute efficacité par grands froids s’il est combiné à des travaux de calfeutrage. Par exemple, à l’achat d’un système de 18 000 BTU/h à très haute efficacité, la remise est de 2 250 $.
Avec LogisVert, Hydro-Québec a récemment pris le relais des programmes gouvernementaux pour encourager l’achat des thermopompes. Les modèles pour climats froids permettent de réduire une partie de de la demande d’électricité en période de pointe qui survient par temps glacial. L’appareil doit figurer dans la liste des appareils admissibles au programme et être installé par une entreprise détenant les licences appropriées de la Régie du bâtiment.
- Fonctionnement silencieux
Le bruit d’une thermopompe est relativement faible parce que le compresseur est à l’extérieur et le ventilateur intérieur à vitesse variable s’ajuste automatiquement en fonction de la demande en chaleur.
Désavantages
- Puissance limitée
Une thermopompe n’a pas la puissance d’une fournaise électrique (5 à 10 kW vs 20 à 25 kW). Il lui faut donc plus de temps pour chauffer la maison. De plus, l’évaporateur extérieur a tendance à givrer parce qu’il condense l’humidité de l’air. Il s’en suit un arrêt temporaire du chauffage, quelques minutes par heure sous le point de congélation, le temps de dégivrer l’évaporateur.
Le givre formé sur l'évaporateur extérieur est simplement causé par l'humidité dans l'air ambient, qui est cristallisée parce que la température du réfrigérant dans le serpentin est sous 0 °C. Cette température dépend de la pression d'opération à l'entrée du compresseur et du type de réfrigérant utilisé.
Photo : https://energieplus-lesite.be/techniques/froid-alimentaire7/degivrage-d1/
- • Plage de température d’opération limitée
Ainsi l’efficacité et la capacité thermique diminuent en fonction de la température. La baisse de la température extérieure entraine deux effets :
1) la pompe à chaleur doit fonctionner à plus haut régime pour essayer de maintenir la température intérieure.
2) plus il fait froid, plus les pertes thermiques de la maison augmentent, et d’autant plus dans la mienne dont les murs sont peu isolés. Ainsi, peu importe la puissance d’une thermopompe, éventuellement elle ne peut plus compenser ces pertes thermiques, si bien que la température intérieure de la maison diminue tranquillement.
Je compare cette situation à une petite voiture qui doit monter une pente de plus en plus abrupte (capacité thermique) en affrontant un vent de front de plus en plus grand (pertes thermiques). À un moment donné le moteur ne sera plus capable de fournir.
Pourquoi pousser au maximum pour ne rien obtenir à la fin?
Les vendeurs vont souvent mentionner que la thermopompe qu’on veut vous vendre peut chauffer la maison jusqu’à ce que la température extérieure atteigne - 25 oC. Je considère qu’un tel argument n’est pas toujours vrai, sauf pour les modèles les plus efficaces et les plus dispendieux dont le COP peut atteindre 1.5 ou plus à cette température. Dans de telles conditions, toute thermopompe produit de l’air tiède, le ventilateur roule à pleine puissance et le compresseur opère à la vitesse maximale. De plus, en hiver, selon la température et l’humidité de l’air extérieur, une thermopompe arrête périodiquement de chauffer quelques minutes par heure et inverse la circulation de son réfrigérant capteur d’énergie afin de faire fondre le givre qui se forme sur les ailettes de l’unité extérieure.
Lorsque la température extérieure est inférieure à - 10 oC, j’allume l’appareil de ma chambre le matin pour chauffer plus rapidement la maison et éviter une trop grande différence de température entre la cuisine et le fond de la maison.
Dans ma maison peu isolée de 3 000 pieds carrés, sous-sol inclus, je considère que lorsque la température extérieure atteint - 10 oC, il est inutile d’insister et j’éteins la thermopompe de la cuisine. C’est alors que je démarre manuellement l’élément électrique de la nouvelle fournaise. Si la température est inférieure à - 5 °C, je pars un feu dans mon foyer au bois à haute efficacité qui est installé au centre du salon dans une cheminée de maçonnerie qui stocke et dégage une confortable chaleur radiante.
Évidemment, plus une maison est isolée et moins les pertes thermiques sont importantes. Une thermopompe efficace pourra donc être encore fonctionnelle sous le point de congélation, mais il ne faut pas oublier qu’on pousse quand même l’appareil à fonctionner dans des conditions extrêmes. Il faut donc vérifier la fiche technique de l’appareil pour connaître jusqu’à quelle température elle a été conçue pour fonctionner.
L’efficacité à basse température étant moindre, le gain énergétique par rapport à des plinthes électriques diminuera.
- Mauvaise répartition de la chaleur avec une unité murale
Avec la source de chaleur concentrée dans une pièce maitresse (cuisine, salon…), la chaleur est mal distribuée dans le reste de la maison. Les pièces les plus éloignées sont plus froides même si l’air chaud est pulsé au-delà de la pièce maitresse. Une thermopompe intégrée à un système de traitement de l’air central assure une meilleure uniformité de chaleur dans toute la maison.
Économies réalisées
Sachant que ma thermopompe est 2,4 fois plus efficace qu’un élément chauffant lorsque la température est entre - 8 et +8 oC, j’ai voulu en avoir une meilleure idée en évaluant la quantité de kWh économisés pour les convertir en dollars.
La consommation électrique de ma maison se répartit en trois volets, soit la portion des appareils de base, celle de la fournaise électrique et celle des thermopompes. La portion de base relativement constante à l’année inclut l’utilisation des appareils ménagers, du chauffe-eau, de l’éclairage, des charges fantômes des appareils qui consomment de l’électricité même lorsqu’ils sont éteints et autres charges. Cette valeur peut être obtenue en été lorsque la maison n’est pas chauffée. Dans mon cas, elle se situe à environ 18 kWh par jour. Le tarif domestique de base (D) d’Hydro-Québec est généreux : outre le frais d’accès au réseau de 44,81¢ par jour, la première tranche quotidienne de 40 kWh consommés n’est facturée qu’à 6,704¢/kWh. Le reste de l’électricité consommée chaque jour (le tarif de 2e tranche) est de 10,342¢/kWh (tous ces prix sont avant taxes).
La deuxième thermopompe a été installée à la fin août 2020. De 2020 à 2022, je n’ai pu séparer la consommation des thermopompes de celle de la fournaise. Mais depuis 2023, l’installation d’un compteur de kWh de marque Emporia directement sur la fournaise m’a permis de connaître exactement ce qu’elle consomme. Ce moniteur me permet de calculer la consommation de mes thermopompes sur une base quotidienne en déduisant la consommation de base et celle de la fournaise de ma consommation quotidienne totale affichée dans mon Espace client sur le site d’Hydro-Québec, grâce à son outil de performance énergétique.
Connaissant le nombre de kWh d’appoint d’énergie fournie par la thermopompe et le COP de l’appareil, j’ai calculé la quantité d’énergie supplémentaire qu’aurait fournie la fournaise pour obtenir le même résultat. Dans mon cas, en 2023 j’ai consommé 22 278 KWh, dont 6 552 de base et 6 026 de la fournaise, ce qui laisse 9 700 kWh pour la thermopompe. Avec un COP de 2,4, il aurait fallu fournir 13 580 kWh supplémentaires en utilisant la fournaise. À 0,10 $ du kWh ceci représente une économie de 1 358 $ pour l’année 2023.
Les deux thermopompes m’ont coûté au total près de 10 000 $ (dont 5 460 $ pour celle de 18 000 BTU/h) incluant l’installation et les taxes. J’ai reçu des subventions de 1 275 $ du programme Chauffez Vert pour le remplacement de ma vieille fournaise au mazout et de 1 650 $ pour l’achat de la deuxième thermopompe. L’hiver dernier, j’ai également reçu un crédit de 290 $ d’Hydro-Québec pour avoir réduit ma consommation en période de pointe dans le cadre de l’option de tarification dynamique.
L’économie de 1 358 $ réalisée en 2023 confirme que j’ai fait un bon investissement même si mes thermopompes murales sont moins rentables qu’une centrale. Je suis aussi heureux de prolonger leur durée de vie en les éteignant quand les grands froids diminuent leur efficacité.
Conclusion
Il vaut donc la peine de faire l’achat d’une thermopompe et les choix sont nombreux.
La thermopompe peut être murale si la maison n’est pas déjà dotée de conduits d’air. Pour un système central, elle sera un peu plus puissante et dispendieuse, mais elle offrira l’avantage d’être reliée à un thermostat central et ainsi de mieux régulariser la température intérieure de l’ensemble de la maison.
Choisissez bien votre fournisseur, vous devez être en confiance et vous assurer de sa compétence. Méfiez-vous des marques inconnues : le prix peut être alléchant, mais la fiabilité n’est pas assurée, de même que l’accessibilité rapide à des pièces et au service.
Certaines marques américaines (American Standard, Trane, Bryant et Carrier) sont même mieux cotées que la meilleure marque japonaise (Daikin), selon les enquêtes de satisfaction réalisées en 2021 et en 2023 par le magazine Consumer Reports auprès de 10 158 propriétaires de thermopompes installées depuis 2007.
Choisissez une thermopompe dont le COP est élevé et priorisez les détaillants fiables recommandés par les distributeurs Descair (pour les marques Canair et Panasonic) et Le Groupe Master (pour les autres).
Ne choisissez pas une thermopompe en fonction de vos besoins en climatisation car elle sera déficiente pour combler vos besoins de chauffage qui exigent une plus grande puissance. On ne climatise que durant quelques semaines par année alors qu’au Québec on chauffe pendant au moins sept mois. De plus, la climatisation doit combattre un écart de température important, de 15 oC s’il fait 35 oC et que vous voulez rafraîchir l’air à 20 oC, et le chauffage un écart de 30 oC, par exemple s’il fait - 10 oC et que vous réglez le thermostat à 20 oC. Pour ma part, comme je vis dans les Laurentides et ma maison est mal isolée, je démarre le chauffage dès que la température quotidienne chute sous 18 oC.
Autres réflexions
- Ma maison
Ma maison est un plain-pied de 1 500 pieds carrés (sans compter le sous-sol de 1 500 pieds carrés dont le garage peu chauffé occupe la moitié de la superficie) construit au début des années 1960 quand le coût de l’énergie était très bas. Dans les murs du rez-de-chaussée, il n’y pratiquement aucune isolation. Ce ne sont que des planches verticales protégées par du papier goudronné du côté du revêtement extérieur constitué de pierre en grès d’environ 3 pouces d’épaisseur. La toiture est isolée avec 10 pouces de fibre cellulosique d’une résistance thermique moyenne de R-36 après affaissement, selon ce tableau de Ressources naturelles Canada.
Les fenêtres ont été remplacées en 2013 par des fenêtres avec des cadres en vinyle et du vitrage double à faible émissivité rempli d’argon.
- L'option tarifaire biénergie
À l’achat de la propriété en décembre 2011, la maison était chauffée par une fournaise centrale au mazout, mais les factures d’Hydro-Québec pour les années précédentes affichaient des coûts annuels d’au moins 3 000 $. Pour moi, il était hors de question que j’assume de tels montants. J’ai donc opté pour le tarif biénergie qui est plus bas que le tarif D à condition de ne chauffer au mazout que par grands froids (lorsque la température extérieure est inférieure à -15 oC, pour ma région des Laurentides). Mon fournisseur de mazout a installé dans le plenum de la fournaise un élément chauffant non modulable de 20 kW. J’en ai profité pour remplacer le vieux thermostat au mercure par un modèle électronique semi-programmable jour-nuit.
Cette situation qui a duré 10 ans m’a permis d’économiser environ 550 $ annuellement en frais de chauffage basé principalement sur le bas tarif du KWh lorsque la température est supérieure à -15 oC, ce qui compensait largement le coût du mazout et le tarif élevé en période de grands froids. Durant cette décennie, les coûts de chauffage et d’électricité ont été de 17 150 $. Si je n’avais pas profité du tarif biénergie, il m’en aurait couté approximativement 22 700 $. J’ai calculé ces montants en convertissant en kWh d’électricité au tarif de chauffage (grosso modo 10¢/kWh) les BTU/h du mazout à une efficacité de combustion de 80 %, ce qui est généreux pour une fournaise des années 90.
- Nouvelle fournaise
À la suite de l’installation de la deuxième thermopompe, j’ai constaté à quel point son fonctionnement était silencieux – elle ne générait presque pas de bruit dans la maison, surtout lorsque la température extérieure était supérieure à - 10 oC, car à cette température j’éteins ma thermopompe et la fournaise démarre. J’ai donc pris la décision de me défaire de la vieille fournaise au mazout et de la remplacer par une fournaise électrique. Cette décision ne fut pas facile à prendre parce qu’elle signifiait que je perdais le système biénergie avec tous ses avantages financiers. Quitte à payer environ 30 % de plus du kWh pour ma consommation électrique, le confort sonore l’a emporté sur les gains financiers.
J’ai acheté une fournaise (modèle SFECM2321, de Stelpro) de 22,5 kW avec ventilateur à vitesse variable et j’en ai profité pour remplacer le thermostat semi-programmable par un thermostat intelligent (Sensi, d'Emerson, filiale de Copeland).
L’avantage de cette fournaise que je démarre seulement quand la température extérieure est inférieure à - 10 oC, est que même la nuit, elle chauffe à la moitié de sa capacité durant les 30 premières minutes et à encore plus faible débit d’air par la suite, générant donc très peu de bruit de soufflerie. La chaleur dégagée est suffisante pour maintenir la température de consigne (64 oF ou près de 18 oC la nuit) sans fonctionner à pleine puissance. De cette façon, je ne suis plus dérangé par le bruit la nuit à toutes les 20 minutes.
- La tarification dynamique
Depuis avril 2023, je suis inscrit à l’option tarifaire de crédit hivernal d’Hydro-Québec, moins risqué que l’autre option de tarification dynamique appelée FlexD. Ces options s’ajoutent au tarif D et récompensent la réduction de la consommation durant les événements de pointe hivernale, alors que la société d’État doit importer à gros prix de l’électricité pour satisfaire à la demande maximale qui excède sa capacité d’énergie.
Le principe de cette option est relativement simple. La veille d’un événement de pointe, HQ envoie aux participants un avis par courriel leur demandant de réduire leur consommation d’énergie le lendemain entre 6 h et 9 h, et au besoin, de 16 h à 20 h lorsque la température extérieure prévue sera très froide. « Pendant l’événement, chaque kilowattheure (kWh) non consommé (c’est-à-dire « l’énergie effacée » par rapport à votre consommation habituelle) vous donne droit à un crédit de 55,132 ¢ », peut-on lire sur le site de la société d’État. Celle-ci songe toutefois à modifier les conditions de ce crédit car des gens abusaient de son algorithme en chauffant davantage aux heures de pointe, sauf par grands froids. Un professeur d’informatique a ainsi économisé 1 025 $ à l’hiver 2021-2022 qui fut plus froid que la moyenne.
Pour réduire ma consommation lors des événements de pointe, je programme le thermostat pour augmenter la température de consigne à 70 oF (21 oC) vers 3 heures du matin afin qu’à 6 heures cette température confortable soit atteinte. Et je programme le point de consigne pour qu’il tombe à 64 oF/18 oC à 6 h. Au lever, je fais un feu dans le foyer à combustion lente afin de maintenir une température tout à fait acceptable. En fait, la maison est souvent assez confortable pour me permettre de chauffer principalement au bois et de minimiser l’utilisation de la fournaise, surtout quand le soleil chauffe la maçonnerie extérieure de la maison. Notez que je chauffe en tout temps le garage à 16,5 oC et le sous-sol à 18 oC avec des convecteurs.
Le crédit hivernal de 290 $ que j’ai reçu représente environ le quart de ma consommation électrique totale du début décembre 2023 à la fin mars 2024. Comme les périodes de pointe ont alors duré 54 heures, j’ai donc économisé 5,38 $/h!
- Instruments
Le thermostat intelligent me permet de profiter de différents programmes de chauffage. J’en ai un pour les jours normaux et un autre pour les périodes de pointe. Autre avantage, ce thermostat intelligent m’indique même combien d’heures la fournaise chauffe quotidiennement, une information intéressante pour l’amant de statistiques que je suis!
En 2023, j’ai fait l’acquisition du moniteur Emporia directement relié à la fournaise pour mesurer exactement la quantité de kWh qu’elle consomme sur une base horaire, quotidienne et mensuelle.
- Évaluation kWh vs température extérieure
Durant les trois dernières années, j’ai enregistré la température extérieure quotidienne ainsi que ma consommation d’énergie.
Par curiosité, j’ai créé ce graphique de la consommation en fonction de la température et j’ai été surpris de constater une tendance linéaire descendante.
À l’aide d’un outil statistique qui traite l’ensemble des données (régression linéaire), j’ai obtenu la droite idéale qui illustre clairement mon profil de consommation. Avec plus ou moins 20 % de marge d’erreur dépendant de la consommation de mes autres appareils, chaque degré au-dessous de 18 oC me coûte $ 0,35. Par exemple, si la température moyenne d’une journée est de 8 oC, le chauffage me coûtera 3,50 $.
- Ce théorème fut élaboré en 1824 par le physicien et ingénieur français Nicolas Léonard Sadi Carnot. Rédigé alors qu’il avait 27 ans, son unique ouvrage intitulé Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance, posa les bases d’une discipline entièrement nouvelle, la thermodynamique, rappelle Wikipédia.
