Pompes à chaleur modulantes

Les pompes à chaleur modulantes sont le type de pompes à chaleur le plus récent et le plus performant, mais tirons-nous déjà pleinement parti de leurs propriétés lorsque nous concevons des champs de forage ? Dans cet article, nous explorons l'une des hypothèses les plus importantes dans la conception des champs de forage : l'efficacité de la pompe à chaleur.

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Cet article est basé sur des recherches effectuées par Enead BV en collaboration avec Alpha Innotec et a été présenté au congrès géothermique de Francfort (18-20 novembre 2025).

Pompes à chaleur modulantes

Les pompes à chaleur sont des machines très intéressantes et sophistiquées qui peuvent convertir de la chaleur à basse température en chaleur à haute température à l'aide d'un compresseur. Bien qu'elles puissent sembler similaires à l'extérieur, elles peuvent présenter de nombreuses différences à l'intérieur. L'une de ces différences essentielles est la différence entre les pompes à chaleur tout ou rien et les pompes à chaleur modulantes.

Lorsque vous avez une pompe à chaleur tout ou rien, votre système est (comme son nom l'indique) toujours en marche ou à l'arrêt à 100 %. Cela signifie que lorsque votre bâtiment n'a qu'une faible demande de chauffage, votre pompe à chaleur se met en marche à la puissance maximale, fonctionne pendant une courte période, puis s'arrête. Ce comportement cyclique entraîne une usure importante du compresseur, raison pour laquelle de plus en plus de fabricants optent pour des pompes à chaleur modulantes.

Lorsque votre pompe à chaleur est modulante, cela signifie qu'elle peut fonctionner à 100 % de sa capacité, mais aussi à 70 % ou parfois même à 30 %. Cela signifie que si votre bâtiment n'a qu'une faible demande, elle peut se mettre en marche à une puissance beaucoup plus faible, en suivant la demande du bâtiment de manière plus précise. Par conséquent, les pompes à chaleur modulantes ont moins d'arrêts au démarrage, moins d'usure du compresseur et sont en général plus silencieuses.

Lorsqu'une pompe à chaleur modulante fonctionne en régime de charge partielle (c'est-à-dire à une capacité inférieure à la capacité maximale), elle présente un autre grand avantage. Étant donné que les composants internes de la pompe à chaleur sont maintenant surdimensionnés par rapport à la demande de chauffage, son efficacité est également plus élevée. Par conséquent, les pompes à chaleur modulantes ont tendance à avoir un rendement plus élevé que les pompes à chaleur tout ou rien.

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Pour être complet, les pompes à chaleur tout ou rien peuvent également avoir une forme de modulation. Par exemple, les pompes à chaleur d'une capacité plus élevée (par exemple 64 kW) ont généralement plusieurs compresseurs en parallèle. Si vous avez, par exemple, deux compresseurs qui, ensemble, peuvent fournir la totalité des 64 kW, un compresseur peut fournir 32 kW, ce qui peut être interprété comme étant 50% à charge partielle.

Efficacité de la pompe à chaleur

L'efficacité des pompes à chaleur n'est pas simple et dépend d'un grand nombre de facteurs. L'un des facteurs les plus importants en ce qui concerne l'efficacité des pompes à chaleur est ce que l'on appelle l'élévation, c'est-à-dire le delta T que la pompe à chaleur doit fournir entre la température de la source (c'est-à-dire le sol dans notre cas) et le bâtiment. Plus cette élévation est faible, plus l'efficacité de la pompe à chaleur est élevée. Avec les pompes à chaleur modulantes, il existe même un degré de liberté supplémentaire, à savoir le comportement en charge partielle, qui a une influence considérable sur l'efficacité.

Le rendement d'une pompe à chaleur peut être défini comme la quantité de chaleur pouvant être fournie pour une certaine quantité d'électricité et se situe généralement entre 2,5 et 7. Ce rendement est généralement indiqué de deux manières :

• Les COP ou coefficient de performance décrit l'efficacité de la pompe à chaleur à cet instant précis. Elle dépend de la température du condenseur et de l'évaporateur et, dans le cas des pompes à chaleur modulantes, de la puissance à charge partielle.
• Les SCOP ou coefficient de performance saisonnier est un paramètre général qui estime le rendement saisonnier moyen de la pompe à chaleur, en tenant compte des variations de température et des différents degrés de modulation. Il est calculé à l'aide d'une certaine norme (par exemple EN 14825) et constitue une base de référence pour comparer l'efficacité de différentes machines.

En général, la valeur du SCOP pour une certaine température de la source est plus élevée que la valeur du COP pour les mêmes températures, étant donné que le SCOP fournit une vue plus moyenne de l'efficacité que le COP.

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Le SCOP est généralement défini à B0/W35, où 0°C est la température du mélange antigel dans le sol et 35°C la température de l'eau qu'il délivre au bâtiment. Pour les autres systèmes d'émission qui nécessitent une température plus élevée (par exemple les radiateurs), les valeurs B0/W45 ou B0/W55 sont également disponibles.

Efficacité dans la conception des champs de forage

Lorsque l'on conçoit des champs de forage, on dispose généralement d'un charge du bâtiment qu'il faut convertir d'une manière ou d'une autre en charge au sol (c'est-à-dire extraction et injection de chaleur). Pour ce faire, on utilise traditionnellement une valeur de SCOP que l'on trouve dans les fiches techniques. Cette hypothèse pose toutefois quelques problèmes.

1. En utilisant le SCOP pour convertir la puissance de pointe de chauffage en puissance de pointe d'extraction, vous surestimez la puissance de pointe, étant donné que le COP pendant les conditions de pointe est généralement inférieur au SCOP. Cela peut conduire à un champ de forage surdimensionné.

2. En utilisant un SCOP à B0/W35 pour convertir la demande de chauffage et d'eau chaude sanitaire en une charge au sol, vous supposez que la température du sol est de 0°C. Cependant, dans la plupart des conceptions, cette température ne se produit, le cas échéant, qu'après quelques années, ce qui signifie que la température moyenne est plus élevée. Cela donne un SCOP plus élevé, de sorte que l'utilisation d'une valeur B0/W35 est une sous-estimation de l'efficacité et donc du déséquilibre, ce qui peut entraîner un sous-dimensionnement (voir par exemple notre article sur les comment faire face à un déséquilibre).

3. L'efficacité d'une pompe à chaleur dépend de la température du sol et changera donc en fonction de votre conception. Cependant, étant donné que le SCOP est généralement une entrée et non une sortie de la conception d'un champ de forage, le SCOP ne varie pas lorsque la conception change. Ceci est plutôt contre-intuitif.

Il devrait être clair que l'utilisation d'un SCOP pour la conception d'un champ de forage présente un certain nombre de défis et d'incertitudes. C'est pourquoi, dans la section suivante, nous présentons nos derniers résultats de recherche sur la manière de concevoir avec des pompes à chaleur modulantes et tout ou rien.

Trois hypothèses d'efficacité différentes

Pour trois bâtiments différents (un immeuble résidentiel, un immeuble de bureaux et un immeuble multi-services), trois hypothèses différentes ont été étudiées pour convertir la charge du bâtiment en charge au sol :

1. Le traditionnel et constant SCOP (qui dans notre cas est 4,86)
2. Un COP dépendant de la température
3. Un COP dépendant de la température et de la charge partielle

Bien que certains logiciels (comme EWS et GLD) prend déjà en compte le COP en fonction de la température, il n'existe actuellement aucun outil permettant de travailler sur le comportement à charge partielle d'une pompe à chaleur modulante.

L'effet des différentes hypothèses sur la longueur de forage nécessaire et sur l'efficacité finale calculée est discuté ci-dessous.

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Pour l'efficacité de la pompe à chaleur, les données d'une pompe à chaleur SV62 Alpha Innotec ont été utilisées.

Effet sur la longueur de forage nécessaire

Lorsque nous examinons l'effet de notre hypothèse d'efficacité sur la profondeur de forage requise, nous constatons qu'il n'y a pratiquement pas de variation entre les trois différentes hypothèses. Dans le cas du bâtiment multi-services, il y a une légère augmentation de la profondeur requise pour une conception avec une température moyenne minimale du fluide de 3°C lorsque l'on inclut la dépendance de la charge partielle dans le COP. L'augmentation n'est toutefois que de 3 %, ce qui est négligeable.

En résumé, sur la base des cas ci-dessus, on peut conclure que la surestimation de la puissance de crête et la sous-estimation du déséquilibre, comme mentionné précédemment, semblent s'annuler mutuellement, ce qui fait que la conception reste assez similaire à la conception SCOP B0/W35. Cependant, l'efficacité est très différente.

Effet sur l'efficacité

Ci-dessous, le SCOP moyen calculé est indiqué pour les trois cas différents. On constate que, bien qu'il y ait parfois une légère différence, le rendement officiel B0/W35 est assez proche du COP en fonction de la température. Cela signifie, sur la base des exemples ci-dessous, qu'il n'y a pas de véritable raison de travailler uniquement avec un COP dépendant de la température, étant donné que cela ne modifie ni la conception ni le SCOP.

En revanche, lorsque nous incluons la dépendance à l'égard de la charge partielle, il existe une différence significative de 10 à 50 % en SCOP entre le B0/W35 officiel et l'efficacité attendue. Cela est dû à un double effet :

• La pompe à chaleur fonctionne la plupart du temps en régime de charge partielle, plus efficace.
• En charge partielle, en raison de la moindre extraction de chaleur, les températures du fluide sont plus élevées, ce qui permet un fonctionnement plus efficace.

Pour mieux expliquer l'importance de la dépendance à la charge partielle, nous faisons un zoom sur le bâtiment multi-services. Le profil de température est indiqué ci-dessous.

Dans le profil de température ci-dessus, il est clair que la température moyenne du fluide fluctue beaucoup. Si l'on se concentre sur les cinq premiers mois et que l'on examine de plus près le COP en fonction de la température et le COP en fonction de la température et de la charge partielle, on constate que les variations de ce dernier sont beaucoup plus prononcées que lorsque la charge partielle n'est pas prise en compte. Deuxièmement, on constate que pendant les périodes de pointe, lorsque les deux pompes à chaleur fonctionnent à pleine charge, leurs rendements coïncident.

Dans le graphique ci-dessous, les valeurs SCOP sont indiquées pour chaque année de la période de simulation de 20 ans. Il est clair que lorsque nous prenons en compte la dépendance à la température, l'efficacité commence plus haut qu'elle ne finit, en raison du champ de forage dominé par l'extraction. Plus particulièrement, le COP purement dépendant de la température aboutit à une efficacité inférieure à la valeur SCOP B0/W35 après 20 ans. Cela s'explique par le fait que cette hypothèse ne tient pas compte d'un comportement standard à charge partielle, ce qui sous-estime l'efficacité lorsque la température est proche de 0°C.

En revanche, le COP dépendant de la température et de la charge partielle montre clairement l'avantage d'utiliser une pompe à chaleur modulante, dont l'efficacité est nettement supérieure à la valeur officielle de 4,86 B0/W35.

Design avec COP à charge partielle

Il devrait être clair que le fait d'inclure le rendement à charge partielle dans votre conception peut présenter de nombreux avantages.

Tout d'abord, votre conception aura un effet sur l'efficacité, de sorte que vous pouvez enfin voir les effets d'une température moyenne minimale du fluide plus élevée ou plus basse ou de l'utilisation de champs de forage plus profonds ou moins profonds.

Deuxièmement, vous serez en mesure d'évaluer la différence d'efficacité entre les pompes à chaleur modulantes et les pompes à chaleur tout ou rien. En outre, vous serez en mesure d'évaluer les avantages et les risques liés à l'utilisation d'une pompe à chaleur surdimensionnée qui peut passer plus de temps en charge partielle.

Mais surtout, vous serez enfin en mesure de montrer l'efficacité réelle d'une pompe à chaleur, qui est généralement bien plus élevée que la valeur officielle B0/W35. Une amélioration de l'efficacité pouvant aller jusqu'à 50%, comme dans le cas du bureau ci-dessus, pourrait modifier considérablement les évaluations économiques en faveur de la solution géothermique.

Conclusion

Aujourd'hui, la valeur officielle SCOP est utilisée pour convertir les charges des bâtiments en charges au sol, sans tenir compte de la température et, surtout, du comportement à charge partielle d'une pompe à chaleur modulante.

Sur la base de trois études de cas, il a été démontré que l'inclusion de cette nuance dans la conception géothermique ne modifie pas beaucoup la conception finale, mais qu'elle modifie de manière significative la valeur SCOP calculée qui en résulte.

Le dimensionnement en fonction de la pompe à chaleur sera la prochaine étape importante dans la conception des champs de forage géothermiques, alors restez à l'écoute !

Restez à l'écoute
Le modèle avec efficacité à charge partielle sera présenté à GHEtool Cloud au premier trimestre 2026 !

Références

• Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.
• Peere, W. (2025). Intégration de la température et du COP dépendant de la charge partielle dans le champ de forage géothermique peu profond Design. In Actes du congrès allemand sur la géothermie DGK 2025. Francfort (Allemagne), 18-20 novembre 2025.