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Partie 1
Chapitre 5
janvier 2026
Wouter Peere

Données requises : Rendement de la pompe à chaleur

La dernière pièce du puzzle pour les simulations géothermiques est l'efficacité de votre pompe à chaleur et de votre échangeur de chaleur. Cette information est nécessaire pour convertir la charge du bâtiment (dont nous avons parlé dans la section notre chapitre précédent) à la charge finale d'extraction et d'injection dans le sol. Mais quelle est cette efficacité, et comment tenir compte des variations saisonnières et des pompes à chaleur modulantes ?

Qu'est-ce que l'efficacité ?

L'efficacité d'une pompe à chaleur peut être exprimée en termes de coefficient de performance (COP) ou de coefficient de performance saisonnier (SCOP). Les deux sont expliqués ci-dessous.

Coefficient de performance (COP)

Une pompe à chaleur utilise l'électricité pour transférer la chaleur d'une source à basse température (dans notre cas, le sol) vers notre bâtiment. Cette électricité est utilisée pour alimenter un compresseur à l'intérieur de la pompe à chaleur, ce qui détermine l'efficacité finale du système. Le rendement peut être défini comme suit : $$COP=\frac{\dot{Q}_h}{\dot{E}}$$ où $\dot{Q}_h$ est la chaleur émise vers le bâtiment en (kW) et $\dot{E}$ en (kW) est l'électricité nécessaire pour cela. La puissance extraite du champ de forage $\dot{Q}_c$ peut donc être définie comme suit : $$\dot{Q}_h=\dot{E}+\dot{Q}_c$$

Lorsque l'on parle de puissance et d'énergie, il est important de respecter certaines conventions. Lorsque des unités telles que $m$ (masse (kg)) ou $Q$ (énergie (kWh)) sont écrites avec un point au-dessus ($\dot{m}$ ou $\dot{Q}$), cela signifie que l'unité est exprimée par seconde (par exemple, $\dot{m}$ est le débit massique), cela signifie que l'unité est exprimée par seconde (ainsi, par exemple, $\dot{m}$ est le débit massique en (kg/s) et $\dot{Q}$ est la puissance en (kW)). En outre, dans le cas de l'énergie/puissance, lorsque l'unité est écrite avec une minuscule ($\dot{q}$) au lieu d'une majuscule ($\dot{Q}$), l'unité est exprimée par unité de longueur du trou de forage, de sorte que $\dot{q}$ est la puissance par mètre de trou de forage en (kW/m).

Cette valeur COP varie dans le temps et est fonction à la fois de la source (c'est-à-dire la température du fluide du champ de forage) et de la température d'émission (35°C, par exemple, dans le cas d'un chauffage par le sol, ou 55°C pour l'eau chaude sanitaire). Bien qu'une dérivation détaillée n'entre pas dans le cadre de ce cours, le COP théorique et maximal (appelé rendement de Carnot) est défini comme suit : $$COP=\frac{T_h}{T_h-T_c}$$ où $T_h$ est la température de l'émission en (°K), et $T_c$ la température de la source en (°K).

Il convient de se méfier de cette formule théorique, car les températures sont exprimées en degrés Kelvin, par rapport au zéro absolu. Étant donné que 0°C est égal à 273,15K, 10°C est, par exemple, égal à 283,15K.

Cette formule met en évidence un principe clé des pompes à chaleur : plus la différence entre la température d'émission requise $T_h$ et la température de la source $T_c$ est importante, plus l'efficacité de la pompe à chaleur est faible, ce qui se traduit par une consommation d'électricité plus élevée. C'est la raison pour laquelle, comme nous l'avons vu au chapitre 1 de cette partie, une pompe à chaleur géothermique a un meilleur rendement que son homologue à air pendant les périodes les plus froides de l'année. La $T_c$ de cette dernière est la température ambiante, qui peut être bien inférieure à 0°C, alors que pour la GSHP, il s'agit de la température du fluide dans le champ de forage.

Principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur. (Source : AIE, https://www.iea.org/reports/the-future-of-heat-pumps/how-a-heat-pump-works)

Pour être complet, les $T_h$ et $T_c$ dans les formules ci-dessus se réfèrent aux températures du côté de la pompe à chaleur de l'émission et de la source, et non à la température de l'émission et de la source elle-même. Imaginons, par exemple, que pour notre chauffage au sol, l'eau sorte de la pompe à chaleur à 35°C ($T_H$). Par conséquent, dans le cycle de réfrigération, la température ($T_h$) doit être supérieure à 35°C, afin de transférer la chaleur à l'eau. De même, si le fluide provenant du champ de forage est à 10°C ($T_C$), la température la plus froide dans la pompe à chaleur ($T_c$) doit être inférieure à 10°C pour que la chaleur puisse circuler dans l'évaporateur : $T_c \le T_C$. Étant donné que l'efficacité de la pompe à chaleur est déterminée par la différence de température entre $T_h$ et $T_c$, l'efficacité la plus élevée peut être obtenue lorsque celles-ci sont égales à $T_H$ et $T_C$. Bien entendu, cela n'est possible qu'en théorie.

Coefficient de performance saisonnier (SCOP)

Le COP exprime l'efficacité de la pompe à chaleur à un moment donné, mais comme la température du sol et la température d'émission requise varient dans le temps, le COP change de manière significative (comme nous le verrons plus loin). C'est pourquoi la mesure du coefficient de performance saisonnier (SCOP) a été introduite. Il peut être défini comme suit $$SCOP=\frac{Q_h}{E}$$ où $Q_h$ est l'énergie émise dans le bâtiment et $E$ l'électricité nécessaire à cette fin. Cette formule est donc l'équivalent énergétique du COP, qui peut être considéré comme une valeur moyenne pour une saison entière. Par conséquent, un SCOP est généralement plus élevé qu'un COP.

Outre le SCOP, il existe également le terme Seasonal Performance Factor (facteur de performance saisonnier). Les deux sont essentiellement identiques, bien que le SCOP soit souvent utilisé lorsque l'on parle d'efficacité théorique, sur papier, alors que les valeurs SPF sont généralement mesurées.

Il existe également des pompes à chaleur qui ne nécessitent pas d'électricité pour fonctionner, comme les pompes à chaleur à absorption (à gaz). Dans ce cas, le compresseur de notre pompe à chaleur traditionnelle est remplacé par un cycle d'adsorption et de désorption alimenté par une source de chaleur à température plus élevée, comme l'illustre le rectangle en pointillés dans l'image ci-dessous. L'efficacité est ici définie comme l'énergie thermique fournie $Q_h$ divisée par l'énergie requise (à haute température) $Q_s$ entrant dans le désorbeur.

Cycle de la pompe à chaleur à absorption. (<a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Absorption_heat_pump_configuration_(refrigeration).jpg">Fuliyehuanshi</a>, <a href="https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0">CC BY-SA 4.0</a>, via Wikimedia Commons) — Cycle de la pompe à chaleur à absorption. (Fuliyehuanshi, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons)

Alors qu'une pompe à chaleur ordinaire n'a que deux connexions thermiques (une du côté chaud de la pompe à chaleur, le condenseur, et une du côté froid, l'évaporateur), dans le cas d'une pompe à chaleur à absorption, il y a une troisième connexion au niveau de l'absorbeur. Pour que le cycle d'absorption-désorption fonctionne, l'absorbeur doit être refroidi. Cette puissance, $\dot{Q}_a$, peut être fournie, avec l'énergie du condenseur, au bâtiment.

Ces pompes à chaleur sont généralement de grande taille, allant de 200 kW à 10 MW, et sont utilisées dans les réseaux de chauffage et de refroidissement urbains, ainsi que dans les bâtiments à forte demande énergétique, tels que les hôpitaux.

Taux d'efficacité énergétique (EER) et taux d'efficacité énergétique saisonnier (SEER)

Les paragraphes précédents traitaient de l'efficacité d'une pompe à chaleur en mode chauffage, mais un concept similaire peut être établi pour le mode refroidissement. Dans ce cas, la terminologie utilisée est le taux d'efficacité énergétique (EER), défini comme suit : $$EER=\frac{\dot{Q}_c}{\dot{E}}$$ où $\dot{Q}_c$ est maintenant l'énergie extraite du bâtiment. De même, le SEER est défini comme $$SEER=\frac{Q_c}{E}$$l'énergie injectée dans le champ de forage $Q_h$ est donc $$Q_h=E+Q_c$$.

Comme pour le mode chauffage, l'EER théorique peut être calculé comme suit : $$EER=\frac{T_c}{T_h-T_c}$$ où $T_c$ est la température du bâtiment et $T_h$ est la température du sol.

Les termes $Q_h$, $T_h$, $Q_c$ et $T_c$ se rapportent aux côtés chaud et froid de la pompe à chaleur. Par conséquent, lorsque la pompe à chaleur chauffe le bâtiment, la valeur $Q_c$ correspond à l'énergie extraite du champ de forage et la valeur $Q_h$ à l'énergie émise vers le bâtiment à une température plus élevée. Pendant le refroidissement, le bâtiment sert de côté froid, l'énergie $Q_c$ étant extraite du bâtiment et l'énergie $Q_h$ étant injectée dans le sol, à une température plus élevée.

Pompes à chaleur modulantes

Bien que les pompes à chaleur semblent similaires à l'extérieur, il peut y avoir des différences significatives à l'intérieur. L'une des principales différences est la différence entre les pompes à chaleur tout ou rien et les pompes à chaleur modulantes.

Avec une pompe à chaleur tout ou rien, votre système est toujours soit entièrement en marche, soit entièrement à l'arrêt, comme son nom l'indique. Cela signifie que lorsque votre bâtiment n'a qu'un faible besoin de chauffage, votre pompe à chaleur se met en marche à pleine puissance, fonctionne pendant un court laps de temps, puis s'arrête. Ce comportement cyclique met le compresseur à rude épreuve, c'est pourquoi de plus en plus de fabricants optent pour des pompes à chaleur modulantes.

Si votre pompe à chaleur est modulante, elle peut fonctionner à 100 % de sa capacité, mais aussi à 70 % ou parfois même à 30 %. Cela signifie que si votre bâtiment a une faible demande, la pompe à chaleur peut se mettre en marche à une puissance beaucoup plus faible et suivre la demande du bâtiment avec plus de précision. Par conséquent, les pompes à chaleur modulantes ont moins de démarrages et d'arrêts, moins d'usure du compresseur et sont généralement 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. À proprement parler, les composants internes de la pompe à chaleur sont maintenant surdimensionnés par rapport à la demande de chauffage, de sorte que son efficacité est plus élevée. Par conséquent, les pompes à chaleur modulantes ont tendance à être plus efficaces et à avoir une SCOP plus élevée que les pompes à chaleur tout ou rien, puisque les deux types dépendent des températures de la source et de l'émission (comme indiqué ci-dessus), mais la pompe à chaleur modulante a l'avantage supplémentaire de fonctionner en charge partielle.

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) sont généralement équipées de plusieurs compresseurs en parallèle. Si vous avez, par exemple, 2 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.

Gains d'efficacité dans la conception des champs de forage

Lorsque vous concevez des champs de forage avec une charge de bâtiment, vous devez la convertir d'une manière ou d'une autre en une charge au sol (c'est-à-dire l'extraction et l'injection de chaleur). Cela se fait traditionnellement en utilisant les valeurs SCOP et SEER que l'on trouve dans les fiches techniques, pour un certain régime de température. Par exemple, dans le cas d'un chauffage par le sol, la valeur SCOP donnée à B0/W35 (c'est-à-dire 0°C à l'entrée du champ de forage et 35°C à la sortie du bâtiment) peut être utilisée. Pour l'eau chaude sanitaire ou les radiateurs, des valeurs B0/W55 sont disponibles.

Dans le cas du refroidissement passif, ou free cooling, lorsqu'il n'y a pas de compression de la pompe à chaleur, la consommation d'électricité de la pompe de circulation est utilisée pour calculer le SEER. Comme cette consommation est généralement faible par rapport à l'énergie de compression nécessaire pendant le chauffage (ou le refroidissement actif), l'efficacité du refroidissement passif se situe entre 15 et 30.

L'utilisation des valeurs SCOP et SEER est assez simple, mais elle s'accompagne de quelques difficultés qui sont expliquées ci-dessous.

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.
L'utilisation d'un SCOP à B0/W35 pour convertir la demande de chauffage et d'eau chaude sanitaire en charge au sol suppose que la température entrant dans notre pompe à chaleur est de 0°C. Cependant, dans la plupart des conceptions, cela ne se produit qu'après quelques années au plus tôt, 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 réelle et donc du déséquilibre, ce qui peut se traduire par un champ de forage sous-dimensionné.
L'efficacité d'une pompe à chaleur dépend de la température du fluide sortant du champ de forage, et varie donc en fonction de la conception. Cependant, étant donné que le SCOP est généralement un intrant plutôt qu'un extrant 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 qu'il existe un certain nombre de défis et d'incertitudes lorsque l'on utilise uniquement un SCOP pour la conception d'un champ de forage. C'est la raison pour laquelle, lorsque nous aborderons la conception avancée des champs de forage, nous nous concentrerons sur le module d'efficacité à charge partielle du GHEtool afin d'obtenir des simulations plus précises.

Conclusion

Dans ce dernier chapitre, nous avons abordé les différents concepts d'efficacité (COP, SCOP, EER, SEER, etc.) pour les pompes à chaleur et comment ils sont liés les uns aux autres. ) pour les pompes à chaleur et comment ils sont liés les uns aux autres. Ainsi, la dernière partie des données d'entrée requises est connue et nous disposons de toutes les connaissances de base nécessaires pour commencer à parler de la physique des champs de forage géothermiques dans la partie 2.

Questions

Mon bâtiment a une demande annuelle de chauffage de 4 MWh et une demande annuelle d'eau chaude sanitaire de 1 MWh. Si ma pompe à chaleur a un SCOP de 5 pour le chauffage (B0/W35) et de 3,5 pour l'eau chaude sanitaire (B0/W55), quelle est l'énergie annuelle extraite du champ de forage ?

Le COP de ma pompe à chaleur est de 4,6 à B0/W35. En vous basant sur le rendement de Carnot, vous attendriez-vous à ce que le COP soit plus élevé ou plus bas à B5/W40 ?

Je veux utiliser ma pompe à chaleur pour le refroidissement actif, mais je ne connais que la valeur COP à B15/W35. Comment puis-je trouver ou calculer la valeur EER à B30/W10 compte tenu d'une différence de température entre l'évaporateur et le condenseur de 5°C ?

Références

https://en.wikipedia.org/wiki/Absorption_heat_pump [dernière visite : 23/01/2026]
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.

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