Fonctionnement des pompes à chaleur : Thermodynamique, indicateurs d'efficacité et systèmes avancés

Introduction

Les pompes à chaleur sont des systèmes électriques basés sur la réfrigération, capables à la fois de chauffer et de refroidir en transférant la chaleur entre une source et un puits. Contrairement aux chaudières à combustion qui génèrent de la chaleur, les pompes à chaleur déplacent l'énergie thermique existante d'un endroit plus froid vers un endroit plus chaud en effectuant un travail, atteignant ainsi des rendements supérieurs à 100 % en termes de production de chaleur utile par rapport à l'énergie consommée. Cette technologie a suscité une attention considérable dans l'ingénierie CVC moderne en raison de son potentiel de haute efficacité et de son alignement avec les objectifs de décarbonation des bâtiments. Ce rapport propose un examen approfondi du fonctionnement des pompes à chaleur, y compris la thermodynamique fondamentale du cycle de compression de vapeur, les principaux indicateurs de performance (COP, SEER, HSPF, SCOP) et le comportement des fluides frigorigènes. Nous comparons également les principaux types de pompes à chaleur – à source d'air, géothermiques (à source souterraine), à source d'eau – y compris les configurations hybrides, et analysons les systèmes actuels les plus efficaces avec des données techniques. Les facteurs régionaux tels que le climat, les prix de l'énergie, les objectifs de décarbonation et les programmes d'incitation sont discutés pour leur impact sur la performance et l'adoption des pompes à chaleur. Des figures, des tableaux et de nombreuses références à la littérature scientifique, aux normes (ASHRAE, ISO) et aux données de l'industrie sont inclus pour étayer cet aperçu complet.

Principes thermodynamiques du fonctionnement des pompes à chaleur

Transfert de chaleur et deuxième loi : Une pompe à chaleur est essentiellement un moteur thermique fonctionnant en sens inverse. Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur ne circule pas spontanément d'un espace froid vers un espace chaud ; un travail externe doit être fourni pour entraîner ce processus (Source: en.wikipedia.org). Dans une application de chauffage, la pompe à chaleur extrait la chaleur $Q_c$ d'un réservoir froid (par exemple, l'air extérieur en hiver) et fournit la chaleur $Q_h$ à un réservoir chaud (l'espace intérieur), entraînée par le travail $W$ fourni par un compresseur. Le bilan énergétique est $Q_h = Q_c + W$. En mode refroidissement (climatisation), le même système fonctionne de manière à ce que $Q_c$ soit absorbée de l'air intérieur (le refroidissant) et $Q_h$ rejetée à l'extérieur. Les pompes à chaleur exploitent ce mécanisme pour déplacer l'énergie thermique plutôt que de la générer, c'est pourquoi elles peuvent fournir 2 à 4 unités de chauffage ou de refroidissement par unité d'électricité consommée. En fonctionnement idéal comme un cycle de Carnot inversé, l'efficacité théorique est maximisée – le coefficient de performance d'une pompe à chaleur de Carnot est $COP_{Carnot} = \frac{T_{hot}}{T_{hot}-T_{cold}}$ (avec les températures en Kelvin). Cette équation montre qu'un écart de température plus faible ($T_{hot}-T_{cold}$) produit un COP possible plus élevé. En termes pratiques, les pompes à chaleur fonctionnent mieux lorsque la différence de température entre la source et le puits de chaleur est faible, tandis que des températures extérieures extrêmement froides ou des températures d'alimentation intérieures très élevées réduiront l'efficacité.

Cycle de réfrigération à compression de vapeur : La grande majorité des pompes à chaleur modernes utilisent le cycle de compression de vapeur, comprenant quatre composants principaux : l'évaporateur, le compresseur, le condenseur et le détendeur. Un fluide frigorigène circule à travers ces composants (voir Figure 1). En mode chauffage, le cycle fonctionne comme suit :

• Évaporateur (Absorption de chaleur à basse température) : Dans le serpentin extérieur (évaporateur), le fluide frigorigène liquide froid à basse pression absorbe la chaleur $Q_c$ de l'environnement (air, sol ou eau). Cela provoque l'ébullition et l'évaporation du fluide frigorigène en vapeur à basse température. Même si l'air extérieur est proche ou en dessous de zéro, il contient toujours de l'énergie thermique que le fluide frigorigène peut absorber sous forme de chaleur latente. (Le transfert de chaleur se poursuit jusqu'à ce que la température du fluide frigorigène augmente pour correspondre à la température de la source, extrayant de l'énergie lors du changement de phase.)

• Compresseur (Apport de travail) : La vapeur est aspirée dans un compresseur qui y effectue un travail $W$, augmentant sa pression et sa température. Après compression, le fluide frigorigène devient une vapeur surchauffée à haute pression et haute température (Source: en.wikipedia.org). Cette étape nécessite un apport d'énergie électrique et est l'étape où un travail externe est ajouté au cycle.

• Condenseur (Rejet de chaleur à haute température) : La vapeur chaude et pressurisée est ensuite envoyée à travers le serpentin intérieur, agissant comme un condenseur. Parce que la température du fluide frigorigène est maintenant plus élevée que celle de l'air intérieur, la chaleur s'écoule du fluide frigorigène vers l'espace intérieur. Le fluide frigorigène libère la chaleur $Q_h$ et se condense progressivement sous forme liquide en refroidissant. Cette chaleur transférée est ce qui réchauffe l'air du bâtiment (ou l'eau dans les systèmes hydroniques). À la fin du condenseur, le fluide frigorigène est un liquide chaud à haute pression.

• Détendeur (Détente) : Le fluide frigorigène liquide passe par un détendeur (ou un dispositif de détente électronique), où une forte chute de pression provoque un refroidissement soudain. Le fluide frigorigène en ressort sous forme de mélange liquide-vapeur froid à basse pression (proche de son point de saturation). Ce fluide frigorigène froid est maintenant prêt à entrer dans l'évaporateur et à répéter le cycle. Le processus de détente est essentiellement une détente isenthalpique qui produit la basse température nécessaire au fluide frigorigène pour absorber la chaleur dans l'évaporateur.

Figure 1 – Cycle de base d'une pompe à chaleur à compression de vapeur : Les composants clés comprennent (1) le Condenseur – libère la chaleur dans l'espace intérieur ; (2) le Détendeur – abaisse la pression/température du fluide frigorigène ; (3) l'Évaporateur – absorbe la chaleur de la source ; (4) le Compresseur – élève la pression et la température du fluide frigorigène. Le diagramme illustre le mode chauffage avec la chaleur $Q_c$ tirée d'une source froide (air extérieur) et la chaleur $Q_h$ fournie au puits chaud (intérieur).

Figure 1 : Diagramme simplifié d'un cycle de compression de vapeur de pompe à chaleur, montrant les quatre composants majeurs. En mode chauffage, le fluide frigorigène à basse pression dans l'évaporateur extérieur (3) absorbe la chaleur $Q_c$ de l'air ambiant froid, le compresseur (4) élève la vapeur à haute pression et température, et le condenseur intérieur (1) libère la chaleur $Q_h$ pour chauffer l'espace à mesure que le fluide frigorigène se condense en liquide. Le détendeur (2) refroidit ensuite le fluide frigorigène en abaissant sa pression, complétant le cycle.

Ce cycle de compression de vapeur est à la base des pompes à chaleur à source d'air, à source souterraine et à source d'eau, la principale différence étant la source/le puits de chaleur auxquels l'évaporateur et le condenseur sont exposés. Dans tous les cas, les mêmes principes thermodynamiques s'appliquent. En pratique, les systèmes réels s'écartent du cycle idéal en raison des pertes (chutes de pression dans les tuyaux, inefficacité du compresseur, comportement non idéal des gaz, etc.), de sorte que les COP réels sont inférieurs à la limite de Carnot. Cependant, les avancées techniques (comme l'amélioration des compresseurs et des échangeurs de chaleur) rapprochent continuellement les performances pratiques des limites théoriques.

Inversion et contrôle : Les pompes à chaleur conçues pour le chauffage et le refroidissement comprennent une vanne d'inversion qui échange les rôles de l'évaporateur et du condenseur selon le mode – faisant essentiellement circuler le fluide frigorigène en sens inverse pendant l'été afin que le serpentin intérieur devienne l'évaporateur et le serpentin extérieur le condenseur. Les pompes à chaleur modernes utilisent souvent des compresseurs à vitesse variable (pilotés par onduleur) et des détendeurs électroniques pour optimiser le cycle dans des conditions de charge partielle et de températures variables. Cela permet de maintenir un COP élevé sur une gamme de conditions de fonctionnement, contrairement aux anciens systèmes à vitesse unique. Par temps froid, les commandes gèrent également les cycles de dégivrage sur les unités à source d'air : lorsque le serpentin extérieur (évaporateur) descend en dessous de 0 °C, l'humidité peut le givrer et un dégivrage périodique (en inversant en mode refroidissement ou en utilisant une résistance électrique) est nécessaire, ce qui réduit temporairement l'efficacité.

Indicateurs de performance : COP, SEER, HSPF et SCOP

Coefficient de Performance (COP) : La mesure fondamentale de l'efficacité d'une pompe à chaleur est le COP, défini comme le rapport de la chaleur utile produite au travail fourni :

• Pour le chauffage : $COP_{HP} = \dfrac{Q_h}{W_{\text{in}}}$ – la chaleur fournie au côté chaud par unité de travail fourni.

• Pour le refroidissement (réfrigération) : $COP_{ref} = \dfrac{Q_c}{W_{\text{in}}}$ – la chaleur retirée du côté froid par unité de travail fourni.

Parce qu'une pompe à chaleur déplace simplement la chaleur, le COP peut être supérieur à 1,0, ce qui signifie que plus de chaleur est fournie que l'énergie équivalente consommée. Par exemple, un COP de 3 signifie que 1 kWh d'électricité produit 3 kWh de chaleur (les 2 kWh supplémentaires sont tirés de l'environnement). En fait, $COP_{HP} = 1 + COP_{ref}$ pour le même appareil. Le COP est sans dimension et est généralement rapporté dans des conditions standard spécifiques (par exemple, 47 °F extérieur, 70 °F intérieur pour le chauffage à source d'air). Les pompes à chaleur électriques haute performance atteignent des COP d'environ 3 à 5 dans des conditions modérées, tandis que même la meilleure chaudière à combustion a un COP effectif <1 (c'est-à-dire <100 % d'efficacité). Il convient de noter que le COP varie avec les conditions de fonctionnement – il diminue à mesure que l'écart de température (différence entre la température de la source et du puits) augmente. Par exemple, une pompe à chaleur à source d'air qui pourrait avoir un COP ≈ 3,5 à 10 °C (50 °F) extérieur peut voir son COP chuter près de 2,0 à –8 °C (17 °F) et approcher 1,0 à –20 °C (–4 °F) à mesure que le système lutte contre un différentiel plus important. Si la température extérieure devient extrêmement basse, le COP d'une pompe à chaleur peut approcher l'unité, ce qui signifie qu'elle n'est pas meilleure qu'un chauffage électrique à résistance. C'est pourquoi les conceptions pour climats froids et les systèmes de secours sont importants dans les climats hivernaux rigoureux (discuté plus tard). Le COP théorique de Carnot fixe une limite supérieure : $COP_{HP,Carnot} = \frac{T_{hot}}{T_{hot}-T_{cold}}$. Par exemple, pomper de la chaleur de 0 °C à 20 °C (273 K à 293 K) a un COP de Carnot ≈ 293/(293-273) = 14,7, tandis que de –20 °C à 20 °C (253 K à 293 K) il tombe à ≈ 7,3. Les systèmes réels atteignent une fraction de ces valeurs en raison des irréversibilités, mais la tendance souligne que des différences de température source/puits plus douces produisent une efficacité plus élevée.

Taux d'efficacité énergétique (EER) et SEER : En mode refroidissement, l'efficacité est souvent donnée en EER ou SEER, en particulier en Amérique du Nord. L'EER (Energy Efficiency Ratio) est le rapport de la puissance de refroidissement (en BTU/h) à la puissance absorbée (W) dans une seule condition nominale (généralement 95 °F extérieur, 80 °F intérieur). Le SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) est une performance de refroidissement moyenne saisonnière, qui tient compte du fonctionnement à charge partielle et d'une gamme de températures extérieures sur une saison de refroidissement typique (Source: eurovent-certification.com)(Source: eurovent-certification.com). Le SEER est défini dans les normes AHRI/ASHRAE (par exemple AHRI 210/240) et aux États-Unis, il est donné en BTU/W·h (mais effectivement sans dimension, puisque 1 W = 3,412 BTU/h). Plus le SEER est élevé, plus le climatiseur/la pompe à chaleur est efficace en refroidissement ; les unités modernes vont du minimum de 14 SEER jusqu'à 20-30+ SEER pour les systèmes sans conduit de pointe. Par exemple, un SEER de 20 correspond à un COP moyen d'environ 5,9 en mode refroidissement (Source: eurovent-certification.com). Le SEER est calculé via une formule pondérée (selon les procédures de test ISO EN14825 et DOE) qui prend en compte les performances à 100 %, 75 %, 50 %, 25 % de charge sous diverses températures extérieures, pour refléter une utilisation typique (Source: eurovent-certification.com). En Europe, une métrique analogue pour le refroidissement est le SEER (même nom, aligné sur les normes d'écoconception de l'UE) avec des classes d'efficacité de A+++ (SEER ≥ 8,5) vers le bas (Source: eurovent-certification.com).

Performance saisonnière de chauffage (HSPF et SCOP) : Pour le mode chauffage, les États-Unis utilisent le HSPF (Heating Seasonal Performance Factor) et le plus récent HSPF2, tandis que l'Europe utilise le SCOP (Seasonal Coefficient of Performance). Le HSPF est défini comme la production totale de chaleur saisonnière (BTU) divisée par l'énergie électrique totale absorbée (W·h) sur une saison de chauffage standardisée. Le HSPF traditionnel (maintenant remplacé par le HSPF2 avec des conditions de test mises à jour) était basé sur le climat de la Région IV (modéré) et est généralement de 8 à 10 pour les pompes à chaleur décentes (plus c'est élevé, mieux c'est). Un HSPF de 10 correspond à un COP saisonnier moyen d'environ 2,93 (puisque 1 HSPF ≈ 0,293 COP lorsqu'il est converti en unités SI). Le SCOP, selon la norme européenne EN 14825, moyenne de manière similaire les performances sur une saison de chauffage, avec des points de test à diverses charges partielles et températures extérieures (profils différents pour les climats "moyens" et "froids") (Source: eurovent-certification.com)(Source: eurovent-certification.com). Le SCOP est essentiellement le COP moyen sur la saison ; par exemple, une pompe à chaleur pourrait avoir un SCOP ≈ 4,0 dans un climat tempéré, ce qui signifie qu'elle a fourni quatre fois plus de chaleur que l'énergie électrique consommée sur la saison. Comme le SEER, le SCOP est utilisé pour attribuer les étiquettes énergétiques de l'UE (A+++ si SCOP ≥ 5,1 pour les pompes à chaleur air-air) (Source: eurovent-certification.com)(Source: eurovent-certification.com). Ces métriques saisonnières sont cruciales car elles capturent les gains d'efficacité à charge partielle des unités modernes à onduleur. Les compresseurs à vitesse variable peuvent améliorer considérablement les performances saisonnières en réduisant les pertes de cyclage et en maintenant un COP instantané plus élevé à faibles charges. Par exemple, une unité avec un COP de laboratoire de 3,5 à pleine capacité pourrait atteindre un COP moyen saisonnier bien supérieur à 4 en fonctionnant principalement à charge partielle par temps plus doux.

Normes et conditions d'essai : Les indicateurs de performance sont codifiés dans des normes. Aux États-Unis, la DOE 10 CFR Part 430, Subpart B, Appendix M/M1 définit comment le SEER2 et le HSPF2 sont mesurés pour les pompes à chaleur, et la norme AHRI 210/240 fournit les procédures d'essai pour les pompes à chaleur unitaires à source d'air. La norme européenne EN 14825 définit le calcul du SCOP/SEER. Les pompes à chaleur géothermiques sont évaluées selon la norme ISO 13256-1 / AHRI 870, qui spécifient les conditions d'essai pour la boucle souterraine (par exemple, 0 °C d'eau entrante pour le chauffage) et rapportent le COP et l'EER pour les systèmes géothermiques. Il est important de comparer les produits selon les mêmes normes ; les valeurs de "COP" citées par les fabricants peuvent être dans des conditions idéales ne reflétant pas la performance saisonnière. Par conséquent, les métriques saisonnières (HSPF, SCOP) et les certifications sont des indicateurs plus fiables de l'efficacité réelle.

Fluides frigorigènes et comportement du cycle de réfrigération

Propriétés des fluides frigorigènes : Les fluides frigorigènes sont les fluides de travail qui subissent des changements de phase dans le cycle de la pompe à chaleur, et leurs propriétés thermodynamiques influencent grandement les performances. Un fluide frigorigène idéal pour les pompes à chaleur a une courbe température/pression de changement de phase adaptée aux plages de fonctionnement souhaitées, une chaleur latente de vaporisation élevée (pour transporter plus de chaleur par débit) et des propriétés de transport favorables. Historiquement, les fluides frigorigènes courants comprenaient les HCFC comme le R-22, mais en raison des préoccupations concernant l'appauvrissement de la couche d'ozone, ceux-ci ont été remplacés par les HFC comme le R-410A. Le R-410A (un mélange de HFC) est devenu le fluide frigorigène dominant pour les pompes à chaleur à source d'air dans les années 2000, offrant une bonne efficacité mais avec un potentiel de réchauffement global (PRG) élevé (~2088). De nouvelles alternatives à faible PRG émergent : par exemple, le R-32 (un HFC avec un PRG ~675) est déjà utilisé dans de nombreuses pompes à chaleur en Asie-Pacifique et en Europe (Source: en.wikipedia.org), et aux États-Unis, le R-32 ou les mélanges de HFO (comme le R-454B) devraient remplacer le R-410A dans les nouveaux systèmes pour répondre aux réglementations environnementales. Les fluides frigorigènes naturels gagnent également du terrain – le propane R-290 (PRG ~3) peut être utilisé dans des pompes à chaleur plus petites avec des mesures de sécurité appropriées (il est inflammable), et le CO₂ (R-744) est utilisé dans certaines pompes à chaleur haute pression, en particulier pour l'eau chaude, malgré la nécessité d'un fonctionnement transcritique. L'ammoniac (R-717) reste un fluide frigorigène à haute efficacité pour les grandes pompes à chaleur industrielles (et les refroidisseurs) en raison de ses excellentes qualités thermodynamiques (PRG nul, mais toxique), souvent utilisé dans les systèmes de pompes à chaleur à source d'eau ou de chaleur de procédé.

Thermodynamique du cycle et comportement du fluide frigorigène : Dans l'évaporateur, le fluide frigorigène liquide absorbe la chaleur et se transforme en vapeur à une température dictée par sa pression de saturation. Par exemple, le R-410A à une température d'évaporation d'environ –5 °C correspond à une pression d'environ 100 psia. La vapeur à basse pression est légèrement surchauffée pour s'assurer qu'aucun liquide n'entre dans le compresseur. Après compression, la pression et la température de saturation du fluide frigorigène sont beaucoup plus élevées – par exemple, le R-410A pourrait avoir une température de condensation d'environ 60 °C à environ 320 psia. Dans le condenseur, à mesure que le fluide frigorigène se condense, il libère la chaleur qu'il a absorbée plus le travail fourni. Le fluide frigorigène doit être choisi de manière à ce que ces températures de changement de phase s'alignent avec les températures de source et de puits disponibles. Les fluides frigorigènes avec un point d'ébullition trop bas pourraient ne pas se condenser à une température suffisamment élevée pour chauffer l'air ou l'eau d'une maison ; un point d'ébullition trop élevé et le fluide frigorigène ne s'évaporera pas par temps froid. Glissement et mélanges : De nombreux fluides frigorigènes modernes (comme le R-410A, le R-407C) sont des mélanges et bouillent/se condensent sur une plage de températures (glissement), ce qui peut affecter le transfert de chaleur. La conception des échangeurs de chaleur et des dispositifs de détente doit tenir compte de ce comportement pour maintenir l'efficacité.

Effet du fluide frigorigène sur les performances : Toutes choses égales par ailleurs, différents fluides frigorigènes produisent des COP différents pour les mêmes conditions de cycle en raison de leurs propriétés thermodynamiques (pression de vapeur, chaleurs spécifiques, etc.). Cependant, les optimisations de conception pratiques égalisent souvent les performances – par exemple, une analyse de divers fluides frigorigènes à faible GWP (R-32, R-454B, R-290, etc.) dans une pompe à chaleur a révélé des différences de COP de quelques pour cent lorsque les systèmes étaient correctement optimisés. Le choix du fluide frigorigène affecte également l'élévation de température réalisable. Le fluide frigorigène CO₂ fonctionne en régime transcritique (pas de changement de phase distinct dans le refroidisseur de gaz) et peut atteindre des températures de sortie très élevées (> 90 °C) ; en effet, les pompes à chaleur utilisant le CO₂ peuvent fournir de l'eau chaude à 90–95 °C (200 °F) pour des applications industrielles ou de rénovation. L'inconvénient est que les systèmes au CO₂ ont un COP plus faible à des élévations de température élevées, surtout s'ils ne récupèrent pas la chaleur. D'autre part, les fluides frigorigènes traditionnels dans les cycles subcritiques produisent généralement de l'eau jusqu'à ~55 °C de manière efficace ; fournir 80 °C avec du R-410A ou du R-134a ferait chuter le COP. Ainsi, des fluides frigorigènes spéciaux et des modifications de cycle (par exemple, la compression multi-étages) sont utilisés pour les pompes à chaleur haute température dans les environnements industriels.

Améliorations avancées du cycle : Pour améliorer les performances des pompes à chaleur dans toutes les conditions, les ingénieurs emploient des techniques comme les circuits économiseurs / injection de vapeur (injecter du fluide frigorigène à une pression intermédiaire pour augmenter la capacité du compresseur), ce qui augmente la capacité et le COP dans des conditions ambiantes froides. Les cycles à deux étages ou en cascade peuvent atteindre des élévations de température plus importantes (par exemple, en utilisant un fluide frigorigène de basse pression pour la basse température et un de haute pression pour la condensation). Il existe également des pompes à chaleur à absorption (utilisant l'énergie thermique et généralement des solutions ammoniac-eau) mais celles-ci ont des COP beaucoup plus faibles (~0,5–0,7) et ne sont utilisées que dans des cas de niche où la chaleur résiduelle est facilement disponible. Ce rapport se concentre sur le type dominant à compression mécanique de vapeur, qui offre actuellement les rendements les plus élevés.

Types de pompes à chaleur et comparaisons de systèmes

Les systèmes de pompes à chaleur sont souvent classés en fonction de la source/du puits d'échange de chaleur. Le cycle de compression de vapeur décrit précédemment est commun à tous, mais le fait que la chaleur soit puisée dans l'air ambiant, le sol ou l'eau conduit à des conceptions et des caractéristiques de performance différentes. Nous examinons les systèmes de pompes à chaleur air-air, géothermiques, eau-eau et hybrides et comparons leurs attributs.

Pompes à chaleur air-air (PAC air-air)

Les pompes à chaleur air-air extraient la chaleur de l'air extérieur et la libèrent à l'intérieur (ou vice versa). Elles sont le type de pompe à chaleur le plus répandu, utilisées dans les systèmes CVC résidentiels et commerciaux et sont essentiellement identiques aux climatiseurs standard avec des commandes d'inversion et de dégivrage ajoutées.

• Configuration : Une PAC air-air typique comprend une unité extérieure (avec un serpentin et un ventilateur, agissant comme évaporateur en mode chauffage ou condenseur en mode refroidissement) et une unité intérieure (fournaise/unité de traitement d'air avec serpentin et ventilateur). Des lignes de fluide frigorigène relient les deux. En hiver, le serpentin extérieur devient froid en évaporant le fluide frigorigène, il puise donc la chaleur de l'air extérieur. Même l'air froid contient de la chaleur – à –10 °C, par exemple, l'air contient encore une énergie thermique substantielle, que le fluide frigorigène peut absorber en s'évaporant. Le serpentin intérieur réchauffe ensuite l'air intérieur en libérant la chaleur du fluide frigorigène en condensation. En été, le cycle s'inverse pour refroidir l'intérieur.

• Performance : L'efficacité des PAC air-air s'est considérablement améliorée grâce à des technologies comme les compresseurs à vitesse variable et les échangeurs de chaleur plus grands. Cependant, les variations de température de l'air ambiant ont un impact important sur les performances. À des températures extérieures douces (10–15 °C, 50–60 °F), une PAC air-air moderne peut avoir un COP de 4 ou plus. Au point de congélation (0 °C/32 °F), le COP peut chuter à ~3 ; à –15 °C (5 °F), le COP pourrait être de 1,5–2,0 pour un modèle standard. Les fabricants ont développé des « pompes à chaleur pour climat froid » (PCCF) optimisées pour un meilleur fonctionnement à basse température. Les caractéristiques comprennent des compresseurs à injection de vapeur améliorés, des contrôles de débit de fluide frigorigène améliorés et des réchauffeurs d'accumulateur. En conséquence, certaines PAC air-air peuvent maintenir une capacité quasi totale à –5 °F et fonctionner (avec une capacité réduite) jusqu'à –20 °F ou moins. Par exemple, la série Hyper-Heating H2i® de Mitsubishi et d'autres modèles pour climat froid garantissent une capacité de chauffage de 100 % à 5 °F (–15 °C) et un fonctionnement fonctionnel jusqu'à –25 °C. Ces systèmes nécessitent souvent encore un chauffage d'appoint par grand froid, mais le seuil à partir duquel un appoint est nécessaire a été considérablement abaissé.

• Dégivrage et appoint : Dans des conditions froides et humides (autour et en dessous de 0 °C), du givre s'accumulera sur le serpentin extérieur car il est plus froid que l'air ambiant lors de l'évaporation du fluide frigorigène. Périodiquement (par exemple toutes les 30 à 90 minutes), la PAC air-air doit s'inverser brièvement en mode refroidissement pour réchauffer le serpentin extérieur et faire fondre le givre, ou utiliser des résistances électriques, ce qui entraîne une baisse temporaire d'efficacité. Des commandes de dégivrage avancées minimisent cet impact en détectant le moment précis où cela est nécessaire. De nombreuses installations de PAC air-air dans les régions froides comprennent un chauffage d'appoint/d'urgence – soit des éléments chauffants électriques, soit une fournaise à combustible fossile (voir systèmes hybrides ci-dessous) – pour compléter le chauffage les jours les plus froids ou pendant les cycles de dégivrage.

• Évaluations saisonnières : Les pompes à chaleur air-air modernes typiques peuvent avoir un SEER de l'ordre de 15–20 (systèmes gainables) et un HSPF d'environ 8–10 (ou HSPF2 d'environ 7–8) pour les modèles à efficacité standard. Les PAC air-air mini-split sans conduit haut de gamme peuvent atteindre un SEER bien supérieur à 20 (certaines même 30) et un HSPF allant jusqu'à ~12. Par exemple, les systèmes multi-split à vitesse variable des grands fabricants affichent souvent un SEER de 20–28 et un HSPF de 10–13, ce qui indique une très haute efficacité saisonnière. Les unités pour climat froid obtenant spécifiquement la désignation ENERGY STAR Cold Climate Heat Pump doivent avoir au moins un COP de 1,75 à 5 °F (–15 °C) et au moins 70 % de la capacité de chauffage nominale à 5 °F, en plus de cotes SEER/HSPF élevées. De nombreuses pompes à chaleur gainables de premier plan répondent désormais à ces critères ; par exemple, la pompe à chaleur à vitesse variable haut de gamme « XV20i » de Trane est évaluée jusqu'à ~21 SEER2 et ~9 HSPF2, et fournit ~70 % de sa capacité à 5 °F.

• Applications : Les PAC air-air sont relativement faciles à installer (juste une unité extérieure et un serpentin/ventilateur intérieur). Elles sont populaires dans les climats modérés et de plus en plus dans les climats plus froids à mesure que la technologie s'améliore. Les PAC air-air mini-split sans conduit permettent la rénovation dans les maisons sans conduits, offrant un chauffage/refroidissement par zone avec une très haute efficacité. Les pompes à chaleur air-air peuvent également être configurées en unités air-eau, qui produisent de l'eau chaude pour le chauffage hydronique – celles-ci sont courantes en Europe pour les systèmes de chauffage par radiateurs ou par le sol, et leurs performances sont mesurées par des métriques COP/SCOP similaires (avec une attention particulière à la température de l'eau de sortie). En résumé, les pompes à chaleur air-air sont l'option la plus accessible avec un coût initial plus faible, mais leurs performances sont liées aux conditions météorologiques.

Pompes à chaleur géothermiques (PAC géothermiques)

Les pompes à chaleur géothermiques utilisent la terre (ou les eaux souterraines) comme source/puits thermique. À quelques mètres sous la surface, les températures du sol restent relativement stables toute l'année (souvent 8–15 °C dans les climats de moyenne latitude). En échangeant de la chaleur avec ce milieu stable, les PAC géothermiques peuvent atteindre des rendements très élevés de manière constante tout au long des saisons.

• Configuration : Un système PAC géothermique se compose d'une unité de pompe à chaleur (généralement à l'intérieur) et d'un échangeur de chaleur souterrain – soit une boucle fermée de tuyaux enterrés dans le sol ou immergés dans l'eau, soit une boucle ouverte puisant l'eau d'un puits. En mode chauffage, le fluide de la boucle géothermique (souvent une solution d'eau glycolée) absorbe la chaleur de la terre et la transporte vers l'évaporateur de la pompe à chaleur intérieure ; en mode refroidissement, la chaleur est rejetée dans le sol. Les configurations de boucles courantes comprennent les forages verticaux (puits forés de 15 à 60 m de profondeur avec des tuyaux en U), les boucles horizontales (tuyaux enterrés dans des tranchées d'environ 1,2 à 1,8 m de profondeur sur une vaste zone) et les puits à boucle ouverte (pompage des eaux souterraines). L'unité de pompe à chaleur est similaire au circuit frigorifique d'une PAC air-air, à l'exception du fait que l'échangeur de chaleur extérieur est un échangeur de chaleur eau-fluide frigorigène (au lieu d'un serpentin à air avec ventilateur). Une pompe de circulation déplace le fluide à travers la boucle géothermique.

• Performance : Parce que les températures du sol sont modérées et stables, les PAC géothermiques fonctionnent avec des conditions de source quasi optimales. En hiver, extraire la chaleur d'un sol à 10 °C au lieu d'un air à –5 °C produit un COP beaucoup plus élevé. Les pompes à chaleur géothermiques typiques offrent des COP d'environ 4 à 5 dans les conditions nominales. Par exemple, une pompe à chaleur géothermique haut de gamme comme la série WaterFurnace 7 est évaluée à COP ≈ 5,2 et EER ≈ 47 selon les conditions d'essai ISO 13256-1 (0 °C en entrée de boucle pour le chauffage, 25 °C en entrée pour le refroidissement). Même à charge partielle ou par temps extrême, la température du sol à quelques mètres de profondeur ne varie que de quelques degrés, de sorte que la variation saisonnière de l'efficacité est minime – des études de terrain montrent que le COP saisonnier réel (parfois appelé facteur de performance saisonnier, SPF) pour les PAC géothermiques bien conçues se situe souvent dans la fourchette de 3 à 5. En mode refroidissement, les PAC géothermiques atteignent souvent un EER de 20–30+, bien supérieur à celui des unités de climatisation air-air, car la boucle géothermique est plus froide que l'air extérieur chaud en été. Autre avantage : aucun ventilateur extérieur ni cycle de dégivrage n'est nécessaire, ce qui améliore l'efficacité et élimine le bruit à l'extérieur.

• Considérations de conception : Le dimensionnement de la boucle géothermique est essentiel – une longueur/surface de boucle suffisante est nécessaire pour maintenir l'échange de chaleur sans que la température du sol ne dérive trop au cours de la saison. Des boucles sous-dimensionnées peuvent entraîner un refroidissement du sol en hiver (diminuant le COP) ou un réchauffement en été. Avec une conception appropriée (souvent guidée par des normes comme les directives IGSHPA), le sol agit comme une batterie thermique renouvelable. Le coût initial du forage ou du creusement de tranchées est substantiel, ce qui rend les installations de PAC géothermiques plus coûteuses à l'avance que les PAC air-air. Cependant, la longévité est excellente (les boucles géothermiques peuvent durer plus de 50 ans, et les unités de pompe à chaleur intérieures plus de 20 ans), et les coûts d'exploitation sont très faibles grâce à la haute efficacité et à l'évitement des combustibles fossiles. Des analyses du NREL et d'autres indiquent que les pompes à chaleur géothermiques peuvent être parmi les options les moins coûteuses sur l'ensemble de leur cycle de vie, surtout avec des incitations, compte tenu de leur durabilité et de leur efficacité.

• Géothermie hybride : Dans certains grands bâtiments ou campus, des systèmes géothermiques en réseau sont déployés, où plusieurs bâtiments partagent une boucle géothermique (également appelés réseaux d'énergie thermique). Ceux-ci peuvent atteindre un COP effectif encore plus élevé en redistribuant la chaleur entre les bâtiments à dominante de refroidissement et ceux à dominante de chauffage. Les réseaux géothermiques ont rapporté un COP moyen d'environ 6, grâce à l'équilibrage des charges et à la chaleur résiduelle minimale. Il s'agit d'une approche émergente dans l'énergie de quartier pour maximiser l'efficacité. Bien qu'au-delà des systèmes typiques à bâtiment unique, cela met en évidence le potentiel supérieur de la technologie géothermique lorsqu'elle est optimisée à grande échelle.

• Applications : Les PAC géothermiques sont utilisées dans les maisons résidentielles (surtout là où les propriétaires prévoient de rester à long terme ou ont de plus grands terrains pour les boucles) et dans les bâtiments commerciaux/institutionnels (écoles, bureaux) visant de faibles coûts d'exploitation et émissions. Les climats froids bénéficient grandement des PAC géothermiques car le sol fournit une source beaucoup plus chaude que l'air glacial en hiver, assurant une production de chaleur élevée et fiable sans appoint. Même dans les climats chauds, les pompes à chaleur géothermiques offrent une superbe efficacité de refroidissement. Le principal obstacle est le coût d'installation plus élevé et la complexité de la boucle géothermique. Les programmes d'incitation (comme le crédit d'impôt fédéral américain de 30 % pour les systèmes géothermiques dans les années 2020 en vertu de l'IRA) et les approches créatives comme les boucles partagées contribuent à surmonter cet obstacle.

Pompes à chaleur eau-eau (WSHP)

Les pompes à chaleur eau-eau désignent les systèmes qui échangent de la chaleur avec un réservoir ou une boucle d'eau. En principe, elles sont similaires aux systèmes géothermiques, sauf que le fluide d'échange de chaleur est de l'eau dans un puits, un lac ou une boucle d'eau de bâtiment. Nous pouvons distinguer quelques sous-types :

• Source d'eau ouverte : Si un site dispose d'un lac, d'un étang ou d'une nappe phréatique stable, la pompe à chaleur peut en puiser l'eau directement, extraire ou rejeter la chaleur, puis la restituer (boucle ouverte). Par exemple, un système à boucle ouverte pourrait pomper de l'eau de puits à 10 °C dans un échangeur de chaleur, la refroidir à 5 °C en extrayant de la chaleur pour la pompe à chaleur, et la rejeter dans la nappe phréatique. Cela produit une excellente efficacité (comparable à la PAC géothermique) tant que la source d'eau est suffisamment grande pour supporter la charge thermique. Des COP de 4+ sont courants car les températures de l'eau en hiver peuvent être de 5–15 °C, bien plus élevées que la température de l'air. Ces systèmes nécessitent des autorisations environnementales pour utiliser les eaux souterraines ou de surface et une filtration pour éviter l'encrassement.

• Boucle d'eau fermée (boucle d'étang) : Une boucle fermée en polyéthylène peut être immergée dans une étendue d'eau (étang/lac) pour agir de manière similaire aux boucles géothermiques, profitant de la masse thermique et de la convection de l'eau. La conception est plus simple que le forage de puits, mais elle nécessite une étendue d'eau suffisante. Les performances sont à nouveau similaires à celles des systèmes géothermiques, car l'eau profonde des étangs a tendance à rester assez stable au fil des saisons.

• Boucle de bâtiment (WLHP) : Dans les bâtiments commerciaux, une stratégie courante est un système de pompe à chaleur sur boucle d'eau (WLHP). Ici, chaque zone dispose d'une petite unité de pompe à chaleur connectée à une boucle d'eau partagée qui fonctionne généralement à ~18–35 °C. Une tour de refroidissement et une chaudière auxiliaire maintiennent la boucle dans la plage de température. Les pompes à chaleur en mode refroidissement rejettent la chaleur dans la boucle ; celles en mode chauffage en extraient la chaleur. Cela récupère efficacement la chaleur entre les zones – si certaines zones nécessitent un refroidissement et d'autres un chauffage, la boucle redistribue la chaleur. Ces systèmes sont standard dans de nombreux bureaux et écoles. Leur efficacité dépend de la température de la boucle – les unités individuelles ont un COP élevé lorsque la boucle est à peu près à la température ambiante, mais le conditionnement de la boucle via la tour/chaudière ajoute une certaine consommation d'énergie. Néanmoins, la consommation énergétique globale du bâtiment peut être faible grâce à la récupération de chaleur. Le terme « pompe à chaleur eau-eau » en CVC fait souvent référence à ces unités compactes certifiées selon la norme AHRI 13256-1 pour les conditions WLHP (généralement évaluées à ~COP 4–5, EER 15–20 dans des conditions standard).

• Performance : En résumé, les pompes à chaleur eau-eau peuvent égaler les performances des systèmes géothermiques si l'approvisionnement en eau est suffisant. Elles évitent l'extrême variabilité des températures de l'air. Un avantage pratique est que le forage d'un seul puits pour l'eau peut coûter moins cher que plusieurs forages pour une boucle géothermique fermée. Par exemple, un système à boucle ouverte dans une zone avec de l'eau de puits à 55 °F (13 °C) peut facilement atteindre un COP de 4,5 ou plus. Cependant, les boucles ouvertes doivent gérer la qualité de l'eau (teneur en minéraux, croissance biologique) pour protéger les échangeurs de chaleur. Les boucles d'étang fermées nécessitent une profondeur suffisante pour éviter le gel. Dans les grands bâtiments équipés de WLHP, maintenir la boucle dans une plage optimale (via une tour de refroidissement, etc.) est essentiel pour maintenir le COP de chaque pompe à chaleur.

• Applications : Les systèmes eau-eau sont populaires là où les eaux souterraines sont abondantes ou dans les climats plus doux. De nombreux immeubles de grande hauteur utilisent des systèmes de pompes à chaleur sur boucle d'eau pour un contrôle zonal efficace. Des systèmes directs lac/étang ont été utilisés pour des domaines, des campus ou des installations adjacentes à des plans d'eau (avec des mesures de protection environnementale appropriées).

Systèmes hybrides et bi-sources

Les systèmes de pompes à chaleur « hybrides » combinent plusieurs sources de chaleur ou un système auxiliaire pour optimiser les performances, le coût ou la fiabilité. Plusieurs configurations existent :

• Bi-énergie (pompe à chaleur + fournaise) : Il s'agit d'une configuration hybride courante dans les régions froides. Une pompe à chaleur air-air est associée à une fournaise à gaz (ou à mazout) dans le même système gainable. La pompe à chaleur fonctionne lorsque les températures extérieures sont modérées, assurant un chauffage efficace, et la fournaise prend le relais (ou complète) lorsqu'il fait très froid et que le COP et la capacité de la pompe à chaleur diminuent. Les commandes basculent soit à un point d'équilibre défini (par exemple, autour de 0 °C à –5 °C), soit modulent en fonction du prix de l'énergie (« point d'équilibre économique »). Cela offre l'efficacité d'une pompe à chaleur pendant une grande partie de la saison de chauffage avec la puissance de chauffage robuste d'une fournaise les jours les plus froids. La consommation d'énergie de chauffage globale peut être réduite d'environ 30 à 50 % par rapport à une fournaise seule, et si le réseau électrique est à faible émission de carbone, des émissions importantes sont économisées tout en maintenant le confort. La fournaise sert également de chauffage d'urgence si la pompe à chaleur tombe en panne ou pour un réchauffement rapide. Du point de vue des métriques, un système bi-énergie n'a pas un HSPF unique – son efficacité effective est un mélange pondéré. Mais il permet une optimisation : par exemple, si les tarifs d'électricité sont élevés par rapport au gaz, le système peut basculer vers la fournaise à une température plus élevée (presque tous les thermostats bi-énergie modernes permettent des réglages personnalisés du point d'équilibre). Les hybrides bi-énergie sont particulièrement populaires dans les scénarios de rénovation où une fournaise à gaz existe – l'ajout d'une pompe à chaleur (unité extérieure) peut réduire considérablement la consommation de gaz tout en utilisant la fournaise existante comme appoint.

• Pompes à chaleur bi-sources (air + sol) : Un hybride plus complexe technologiquement est une pompe à chaleur qui peut puiser la chaleur soit de l'air, soit du sol/de l'eau, en choisissant la meilleure source en temps réel. Ces pompes à chaleur multi-sources ont été prototypées pour optimiser l'efficacité et réduire le dimensionnement de la boucle géothermique. Par exemple, par temps doux, elles pourraient utiliser l'air extérieur, mais lorsqu'il fait très froid, elles basculent vers une petite boucle géothermique. Ce faisant, la taille (le coût) de la boucle géothermique peut être réduite tout en fournissant une capacité de chauffage totale dans des conditions extrêmes. Certains systèmes commerciaux désormais disponibles peuvent sélectionner automatiquement la source air ou eau en fonction de celle qui produira le COP le plus élevé à l'instant T. Steve Hamstra (membre de l'ASHRAE) note que les pompes à chaleur bi-sources arrivent à l'échelle résidentielle, permettant une utilisation optimale en temps réel de l'air ambiant ou d'une boucle d'eau. Ces systèmes peuvent maintenir une très haute efficacité – une conception citée est une pompe à chaleur qui a atteint un COP combiné >7 en fournissant simultanément du refroidissement et du chauffage (récupérant efficacement la chaleur résiduelle). Bien que les unités bi-sources ne soient pas encore des produits courants prêts à l'emploi pour les maisons, elles représentent une approche hybride innovante pour atteindre à la fois une haute efficacité et un coût d'installation inférieur à celui des systèmes purement géothermiques.

• Pompe à chaleur + stockage thermique ou solaire : D'autres configurations hybrides incluent l'association de pompes à chaleur avec un stockage thermique (par exemple, un grand réservoir d'eau ou une batterie à changement de phase) pour décaler le moment où elles consomment de l'électricité (avantageux pour la gestion de la charge du réseau ou l'utilisation de l'énergie solaire photovoltaïque). Une pompe à chaleur peut charger un stockage d'eau chaude lorsque l'électricité est bon marché ou que le soleil est abondant, puis cette chaleur stockée est utilisée plus tard – il s'agit effectivement d'un hybride d'une pompe à chaleur et d'une batterie thermique. Certains systèmes intègrent des capteurs solaires thermiques avec des pompes à chaleur (utilisant la chaleur solaire comme source lorsqu'elle est disponible, sinon utilisant une source ambiante), ce qui peut augmenter le COP ou permettre une température de sortie plus élevée. Ceux-ci sont moins courants mais peuvent être trouvés dans certains projets de bâtiments durables avancés.

En résumé, les systèmes hybrides visent à tirer parti des atouts de plusieurs technologies : la haute efficacité des pompes à chaleur lorsque les conditions sont favorables, et la chaleur fiable ou les températures plus élevées d'une source supplémentaire lorsque nécessaire. L'hybridation peut remédier à certaines limitations des pompes à chaleur à source unique, en particulier dans les climats très froids ou les situations de rénovation. Du point de vue de l'ingénierie, la stratégie de contrôle dans les hybrides est cruciale – par exemple, déterminer quand passer au chauffage d'appoint, ou quand utiliser quelle source – pour maximiser l'efficacité et minimiser les coûts. Avec des commandes de plus en plus « intelligentes » (potentiellement basées sur l'IA ou utilisant des prévisions), les hybrides sont prêts à fonctionner de manière toujours plus transparente.

Comparaison des types de pompes à chaleur

Le tableau suivant résume les principales caractéristiques des systèmes de pompes à chaleur air-air, géothermiques, eau-eau et hybrides, en comparant leurs métriques de performance typiques, leurs fluides frigorigènes et leurs coûts :

| Type de système | COP typique (Chauffage) | SEER / EER de refroidissement | HSPF / SCOP (Chauffage) | Fluide frigorigène courant | Coût d'installation relatif et remarques |

Tableau 1 : Comparaison des types de systèmes de pompes à chaleur selon les métriques de performance typiques, le fluide frigorigène et les coûts. COP = Coefficient de Performance dans des conditions standard ; SEER = Taux d'Efficacité Énergétique Saisonnier (refroidissement) ; HSPF = Facteur de Performance Saisonnier de Chauffage (É.-U.) ; SCOP = COP Saisonnier (UE). Notes : Les valeurs des PACA avancées pour climat froid reflètent les modèles haute performance conçus pour les basses températures ambiantes. Les efficacités des systèmes géothermiques et eau-eau supposent des boucles correctement dimensionnées. Les symboles de coût sont relatifs : $$$$ (le plus élevé) pour la géothermie en raison du forage ; $$ pour les PAC air-air standard ou bi-énergie ; etc. Les fluides frigorigènes listés sont les options typiques actuelles – les nouvelles installations s'orientent vers des fluides à faible GWP (par ex. R-32, R-454B) conformément aux réglementations F-gaz.

Comme on l'a vu ci-dessus, les unités géothermiques ont généralement la plus haute efficacité (COP et EER) car elles utilisent la température modérée de la terre comme source/puits de chaleur, au prix d'un coût d'installation plus élevé. Les pompes à chaleur air-air sont plus abordables et ont considérablement amélioré leurs performances, notamment grâce à la technologie des onduleurs et à l'ingénierie pour climats froids, mais elles subissent toujours une perte d'efficacité par froid extrême. Les systèmes eau-eau peuvent refléter les avantages des systèmes géothermiques si un milieu aquatique approprié existe. Les systèmes hybrides ajoutent de la flexibilité – bi-énergie pour le coût et la fiabilité, bi-source pour l'optimisation de l'efficacité.

Les systèmes de pompes à chaleur les plus efficaces sur le marché (2025)

Les pompes à chaleur modernes ont repoussé les limites de l'efficacité grâce à une ingénierie avancée. Nous mettons en évidence certains des produits et configurations de systèmes les plus efficaces disponibles, ainsi que leurs spécifications techniques et leurs performances, et comment ils se comportent dans divers climats :

• Pompes à chaleur mini-split sans gaine (SEER élevé) : Ces systèmes (généralement des unités murales mono-zone) sont actuellement en tête en matière d'efficacité de refroidissement. Plusieurs modèles de Mitsubishi, Daikin, LG, etc. affichent des SEER de l'ordre de 20 à 30+, bien au-delà des systèmes centraux typiques. Par exemple, une unité sans gaine Fujitsu ou Mitsubishi de 9 000 BTU/h pourrait avoir un SEER d'environ 33 et un HSPF d'environ 14 (ancienne classification), indiquant une performance exceptionnelle à charge partielle en refroidissement et un chauffage décent pour les climats modérés. Leur COP à 8 °C pourrait être d'environ 4–5. Cependant, à très basses températures, leur capacité est limitée, elles sont donc idéales pour les régions où les hivers ne sont pas rigoureux ou pour le chauffage d'appoint zonal. Note technique : ces unités à SEER élevé atteignent leur efficacité grâce à de grands compresseurs à vitesse variable, un contrôle entièrement par onduleur et une surface d'échange thermique améliorée. Elles sont souvent utilisées dans les maisons à énergie nette zéro et les bâtiments super-efficaces. Dans les climats froids, des modèles spécialisés comme les séries Mitsubishi Hyper-Heat ou Daikin Aurora maintiennent le fonctionnement en chauffage jusqu'à –20 °C avec un COP d'environ 2 à –15 °C. À titre d'exemple, la pompe à chaleur Mitsubishi série FH de 12 000 BTU est classée ~26 SEER, 13 HSPF et peut fournir ~75 % de sa capacité de chauffage à –15 °C, avec un COP proche de 2 à ce point.

• Pompes à chaleur centrales à vitesse variable : Les fabricants de pompes à chaleur split-system (gainables) proposent des modèles haut de gamme avec des rendements très élevés. Les Carrier Infinity 24 (et équivalent Bryant) et Trane XV20i sont des exemples d'unités de cinq tonnes à entraînement par onduleur atteignant environ 22–24 SEER2 (ce qui équivaut à ~26–28 SEER selon les anciennes métriques) et HSPF2 ~8.5–9.0 (environ HSPF ~12). Ces systèmes utilisent des compresseurs bi-rotatifs ou scroll avec de larges plages de modulation (20–100 % de capacité), des ventilateurs intérieurs ECM et des ventilateurs extérieurs qui ajustent leur vitesse à la charge. Ils sont capables d'un fonctionnement très silencieux et d'un contrôle précis de l'humidité en été, ainsi que d'un chauffage efficace à charge partielle au printemps/automne. Trane rapporte que ses unités à vitesse variable peuvent fournir 100 % du chauffage jusqu'à ~-3 °C et ~70 % à -15 °C, reflétant une performance robuste à basse température pour un système à un seul étage. Le COP à 8 °C pour de tels systèmes est souvent d'environ 3.5–4.5, et à -8 °C, il pourrait être d'environ 2.5. Ce sont parmi les meilleurs choix pour les maisons tout-électrique recherchant confort et efficacité toute l'année. Elles s'intègrent également souvent avec des thermostats et capteurs intelligents, optimisant le fonctionnement avec les prévisions météorologiques (certains systèmes Carrier/Trane ajustent le dégivrage ou l'étagement en fonction des prévisions).

• Pompes à chaleur géothermiques (à boucle fermée) : Les rendements les plus élevés des produits commercialisés se trouvent ici. Comme mentionné, les unités de la série 7 de WaterFurnace atteignent un EER jusqu'à 47 et un COP jusqu'à 5.4 dans les conditions de classification ISO/AHRI. La PAC géothermique à vitesse variable Trilogy de ClimateMaster annonce de manière similaire un COP de 5+, et certaines unités incluent la production d'eau chaude intégrée (désurchauffeurs) pour augmenter davantage l'utilisation globale de l'énergie. Ces unités utilisent des compresseurs à vitesse variable (souvent un scroll avec injection de vapeur intermédiaire pour des performances encore plus élevées) et des pompes de boucle à vitesse variable pour minimiser la puissance de pompage. En refroidissement, leur EER dépasse de loin tout système basé sur l'air – par exemple, 40 EER (ce qui équivaut à un SEER bien supérieur à 30). En chauffage, un COP de 5 signifie que seulement 20 % de la chaleur provient de l'électricité, 80 % du sol. Dans les climats très froids, la boucle souterraine peut se refroidir au cours de la saison, mais avec une conception appropriée, le COP reste élevé (pouvant chuter à 3–4 à la fin de l'hiver). Les fabricants fournissent souvent des tableaux de performances ; par exemple, une PAC géothermique pourrait encore avoir un COP d'environ 3.0 avec une boucle d'entrée à 0 °C et une eau de sortie à 50 °C pour le chauffage hydronique – ce qu'une PAC air-air ne pourrait pas faire sans appoint. Ces systèmes excellent vraiment dans les climats à forte demande de chauffage, offrant à la fois efficacité et capacité à répondre aux charges de chauffage sans chaleur de résistance, même à –20 °C extérieur (puisque le sol est peut-être à +5 °C). Le compromis est le coût : une PAC géothermique variable de 5 tonnes pourrait coûter 2 à 3 fois plus cher qu'une PACA équivalente installée. Mais avec les incitations (crédits d'impôt couvrant 30 % aux États-Unis, diverses subventions ailleurs), et considérant qu'elles remplacent également le besoin de systèmes de refroidissement séparés, le coût du cycle de vie peut être attractif.

• Pompes à chaleur géothermiques de district et de grande taille : En Europe et dans certaines parties des États-Unis, des pompes à chaleur à grande échelle utilisant des lacs, des eaux usées ou des boucles de district émergent. Celles-ci peuvent atteindre des puissances et des rendements impressionnants. Par exemple, les pompes à chaleur haute température utilisant des fluides frigorigènes à l'ammoniac ou HFO peuvent fournir de l'eau à 80 °C pour les systèmes de radiateurs avec un COP d'environ 2.5–3 (remplaçant les chaudières en rénovation). Bien qu'un COP de 2.5 puisse sembler faible par rapport à d'autres pompes à chaleur, il faut se rappeler que fournir de l'eau à 80 °C est un défi ; une chaudière a un COP de 0.9 en comparaison. D'autre part, les refroidisseurs à récupération de chaleur (refroidissant et chauffant simultanément) peuvent atteindre un COP global de 6–7 comme noté précédemment – ceux-ci déplacent essentiellement la chaleur d'une charge de refroidissement vers une charge de chauffage simultanément. Des fabricants comme GEA, Johnson Controls, Mitsubishi Heavy Industries proposent des unités à grande échelle (des centaines de kW) utilisant de l'ammoniac ou du CO₂, destinées aux marchés commerciaux et industriels pour remplacer les chaudières à vapeur ou à eau chaude en utilisant la chaleur résiduelle ou des sources ambiantes. En termes de produits du marché : un exemple est le chauffe-eau à pompe à chaleur au CO₂ "EcoCute" de Mayekawa, qui produit de l'eau chaude sanitaire à 90 °C même par air glacial ; son COP pourrait être d'environ 3–4 dans des conditions douces, chutant à environ 2 par air très froid – toujours bien meilleur que la résistance électrique et permettant le remplacement des chaudières dans les applications commerciales d'eau chaude.

• Innovations pour les climats froids : En réponse à la demande de pompes à chaleur dans les climats sub-zéro, le DOE a lancé le Défi des pompes à chaleur pour climats froids. Des fabricants comme Lennox, Carrier, Trane ont développé des prototypes qui atteignent un COP > 2.0 à –15 °C (5 °F) et maintiennent leur capacité sans chauffage par résistance. Un résultat est un modèle Lennox qui prétend pouvoir fournir 100 % de chaleur à –23 °C (–10 °F) avec un COP d'environ 2. Ceux-ci devraient arriver sur le marché vers 2024–2025. De plus, les systèmes à débit de réfrigérant variable (DRV) (principalement des systèmes multi-split commerciaux) sont désormais conçus pour fonctionner jusqu'à –20 °C et moins, permettant leur utilisation dans de grands bâtiments des régions froides avec une bonne efficacité. Par exemple, les catalogues VRF de Mitsubishi et Daikin montrent des COP de chauffage d'environ 2.5 à –15 °C pour leurs derniers systèmes à basse température ambiante, et fournissant toujours une certaine capacité à –25 °C. De telles avancées sont significatives pour la décarbonation du chauffage dans les climats froids.

• Efficacité vs. Climat : Il est important de contextualiser le terme "le plus efficace" en fonction du climat. Un produit avec un SEER exceptionnel en refroidissement peut n'avoir qu'une performance de chauffage moyenne, et vice versa. Les meilleures pompes à chaleur globales pour les climats mixtes sont celles qui équilibrent un SEER élevé et un HSPF élevé. Par exemple, le Carrier Infinity 24 (24VNA0) mentionné précédemment a un SEER2 d'environ 20 (SEER ~24) et un HSPF2 d'environ 8.7 (HSPF ~11) – ce qui en fait un excellent performeur en refroidissement et en chauffage, adapté aux climats comme le Mid-Atlantic américain ou le Nord-Ouest Pacifique. Pendant ce temps, une PAC sans gaine Mitsubishi Hyper-Heat pourrait être légèrement moins efficace en refroidissement (SEER ~20) mais possède une capacité de chauffage supérieure à basse température – idéale pour un endroit comme le Vermont ou la Scandinavie. Les unités géothermiques, encore une fois, offrent une efficacité constamment élevée quelle que soit la température de l'air, donc pour les climats dominés par le chauffage, elles sont souvent les meilleures en termes de performance annuelle et d'économies de coûts. L'étude de l'Institut climatique canadien (2023) a révélé que dans une ville froide comme Edmonton, une chaudière bi-énergie ou à gaz pourrait parfois être plus compétitive en termes de coûts, à moins que la pompe à chaleur n'ait une très haute performance ou une électricité bon marché, soulignant que l'efficacité seule ne dit pas tout – elle doit être associée à l'économie énergétique locale.

Enfin, au-delà de ces technologies établies, la recherche se poursuit sur des cycles encore plus efficaces : par exemple, les pompes à chaleur magnétocaloriques et thermoélastiques (systèmes à état solide avec un potentiel de haute efficacité sans fluides frigorigènes), et une meilleure intégration avec les réseaux intelligents pour optimiser le fonctionnement des pompes à chaleur (déplacer la charge vers les heures creuses sans sacrifier le confort). Bien que ces technologies soient expérimentales, elles représentent la trajectoire future de l'innovation en matière de pompes à chaleur.

Considérations régionales et facteurs de déploiement

Lors de l'évaluation ou de la mise en œuvre de systèmes de pompes à chaleur, les facteurs régionaux et locaux ont un impact profond sur la performance et la viabilité économique :

• Zones climatiques : L'efficacité d'une pompe à chaleur est liée au climat. Dans les climats chauds ou modérés (par exemple, les zones climatiques ASHRAE 1 à 4), les pompes à chaleur air-air gèrent facilement le chauffage et le refroidissement annuels avec une grande efficacité, et leur COP reste élevé la majeure partie de l'année. Dans les climats froids (Zones 5 à 7), en particulier avec des températures de conception inférieures à –20 °C, les pompes à chaleur standard nécessiteraient un appoint conséquent. Les modèles pour climats froids et les systèmes géothermiques deviennent alors attractifs. Par exemple, un suivi sur le terrain dans un climat de Zone 6 a révélé que le COP saisonnier d'une PACA pour climat froid était d'environ 2.7 pendant l'hiver, tandis qu'une maison similaire équipée d'une PAC géothermique affichait un COP d'environ 4.0. Le gel et l'humidité jouent également un rôle – les climats froids et humides (par exemple, le Nord-Est des États-Unis) connaissent des cycles de dégivrage plus fréquents que les climats froids et secs (par exemple, le Colorado), affectant légèrement la performance saisonnière. Dans les climats chauds et humides, l'accent est mis sur le SEER et le refroidissement latent ; les pompes à chaleur dotées de fonctionnalités telles que la déshumidification améliorée (par exemple, le mode déshumidification de WaterFurnace) ou le refroidissement multi-étages peuvent améliorer le confort. Globalement, les fabricants spécifient souvent les performances pour trois profils climatiques (moyen, chaud, froid selon la norme EN14825) pour guider les attentes (Source: eurovent-certification.com)(Source: eurovent-certification.com).

• Prix de l'électricité vs. du combustible : Les économies de coûts d'exploitation des pompes à chaleur dépendent des prix de l'énergie. Les régions avec une électricité à faible coût (ou des prix élevés du gaz naturel) favorisent économiquement les pompes à chaleur. Par exemple, le Québec (hydroélectricité bon marché) ou la Norvège (combustible cher, coût modéré de l'électricité) ont connu une forte adoption des pompes à chaleur car elles réduisent les factures de chauffage. Une analyse canadienne à travers les villes a montré que les pompes à chaleur ont déjà le coût de cycle de vie le plus bas pour la plupart des foyers, mais dans les endroits où le gaz est très bon marché et l'électricité plus chère (par exemple, l'Alberta), les systèmes hybrides ou le maintien d'un appoint au gaz étaient plus rentables sans soutien politique. Inversement, dans des régions comme New York ou la Californie où le gaz n'est pas particulièrement bon marché et l'électricité est à un prix raisonnable (et de plus en plus propre), les pompes à chaleur peuvent faire économiser de l'argent aux consommateurs à long terme, surtout en remplaçant à la fois un climatiseur et une chaudière (deux systèmes) par un seul système de pompe à chaleur. Certaines compagnies d'électricité proposent des tarifs spéciaux pour les pompes à chaleur ou des programmes "bi-énergie" qui offrent des prix d'électricité plus bas pour le chauffage en échange de la capacité à gérer la charge de pointe (par exemple, le cyclage de l'appoint par résistance pendant les pics du réseau). De plus, l'introduction de la tarification du carbone ou des taxes sur les combustibles peut influencer les coûts d'exploitation – par exemple, les pays européens avec des taxes élevées sur le pétrole/gaz rendent les pompes à chaleur beaucoup moins chères à faire fonctionner en comparaison. Une règle empirique : si le rapport entre le prix de l'électricité (par kWh) et le prix du gaz (par kWh équivalent chaleur) est inférieur au COP de la pompe à chaleur, la pompe à chaleur est moins chère à faire fonctionner. En termes numériques, si l'électricité est à 0.15 $/kWh et le gaz à 1.00 $/therm (≈0.034 $/kWh chaleur avec une chaudière à 90 %), et qu'un COP moyen de pompe à chaleur est de 3, le coût par production de chaleur est de 0.05 $/kWh pour la pompe à chaleur contre 0.038 $/kWh pour le gaz – légèrement plus élevé pour la pompe à chaleur dans ce cas. Mais si l'électricité devient moins chère ou si le COP passe à 4, la pompe à chaleur l'emporte. Ainsi, les régions avec une forte pénétration d'électricité renouvelable pourraient voir les tarifs d'électricité baisser aux heures creuses, permettant un fonctionnement très bon marché des pompes à chaleur si les appareils peuvent planifier intelligemment. Les tarifs d'utilisation horaire peuvent être exploités par les systèmes de pompes à chaleur, en particulier ceux dotés de thermostats intelligents ou de stockage thermique intégré (par exemple, le pré-refroidissement ou le chargement d'un réservoir d'eau lorsque l'énergie est bon marché, puis le fonctionnement en roue libre).

• Décarbonation du réseau et émissions : Même si le coût d'exploitation est équivalent ou légèrement supérieur, de nombreuses juridictions promeuvent les pompes à chaleur pour la réduction des émissions de CO₂. Les pompes à chaleur ne produisent aucune émission de combustion sur site et si le réseau électrique est à faible teneur en carbone, les émissions globales de gaz à effet de serre (GES) sont bien inférieures à celles de la combustion de combustibles fossiles pour le chauffage. En 2025, les réseaux dans de nombreuses régions (Californie, Nord-Est des États-Unis, une grande partie de l'Europe) ont une production renouvelable significative, rendant le chauffage par pompe à chaleur typiquement 50 %+ moins émetteur de CO₂ par Btu qu'une chaudière à gaz. À mesure que les réseaux continuent de verdir, les émissions des pompes à chaleur diminueront davantage, tandis que les émissions d'une chaudière à gaz sont essentiellement fixes par unité de chaleur. Les régions ayant des objectifs de décarbonation (étatiques/provinciaux ou nationaux) incluent souvent l'adoption des pompes à chaleur comme stratégie clé pour les bâtiments. Par exemple, les plans "Fit for 55" et REPowerEU de l'UE prévoient des dizaines de millions de pompes à chaleur pour remplacer les chaudières à gaz dans le cadre de la réduction de la dépendance au gaz importé et de la diminution des émissions. Certaines villes ont commencé à interdire ou à décourager les raccordements au gaz dans les nouveaux bâtiments (par exemple, New York à partir de 2024 pour les petits bâtiments), faisant des pompes à chaleur la méthode de chauffage par défaut. Ces mesures politiques accélèrent l'innovation et la production en volume, ce qui à son tour réduit les coûts.

• Incitations et politiques : Les gouvernements et les services publics du monde entier offrent des incitations pour compenser le coût initial des pompes à chaleur. Celles-ci vont des remises directes, des crédits d'impôt, aux financements innovants. Quelques exemples notables : Aux États-Unis, l'Inflation Reduction Act de 2022 prévoit un crédit d'impôt fédéral de 30 % du coût d'installation pour les pompes à chaleur géothermiques (sans plafond), et jusqu'à 2 000 $ pour les pompes à chaleur air-air (dont l'efficacité répond aux niveaux les plus élevés du CEE). Des remises basées sur le revenu sont également en attente (jusqu'à 8 000 $ pour l'installation de pompes à chaleur pour les ménages à revenus faibles à moyens). L'Europe a des programmes agressifs : la France offre des subventions couvrant souvent 30 à 40 % des coûts des pompes à chaleur ; l'Allemagne accorde des subventions jusqu'à 35 % (et plus si remplacement de chaudières à mazout) ; le Royaume-Uni a un programme de modernisation des chaudières (environ 5 000 £ par pompe à chaleur). Ces incitations reflètent la valeur sociétale des pompes à chaleur dans la réduction des émissions et l'alignement avec les objectifs climatiques. Les normes et codes du bâtiment évoluent également – par exemple, les normes ASHRAE 90.1 et 90.2 augmentent progressivement les rendements minimaux des pompes à chaleur et encouragent le chauffage électrique dans certains scénarios. Certaines juridictions exigent que les nouvelles constructions soient "prêtes pour les pompes à chaleur" ou qu'elles évaluent les pompes à chaleur lors de rénovations majeures. Toutes ces mesures entraînent des taux d'adoption plus élevés.

• Impact sur l'infrastructure et le réseau électrique : Une considération régionale est de savoir si le réseau électrique peut supporter l'électrification à grande échelle du chauffage. Les pompes à chaleur réduisent la consommation totale d'énergie (grâce à leur haute efficacité), mais elles déplacent la consommation d'énergie du gaz/pétrole vers l'électricité. La demande de pointe en climat froid est une préoccupation si chaque foyer d'une ville nordique passe au chauffage électrique – le réseau doit fournir de l'énergie les jours les plus froids lorsque les pompes à chaleur (même avec un COP > 1) consomment beaucoup d'électricité. Les stratégies d'atténuation comprennent : l'amélioration de l'isolation des bâtiments (pour réduire la charge de chauffage), le déploiement de stockage thermique ou de réponse à la demande (afin que toutes les pompes à chaleur n'atteignent pas leur pic à la même heure), et dans certains cas l'utilisation de systèmes hybrides pour recourir au combustible pendant les heures de pointe absolues. Les régions qui prévoient des déploiements agressifs de pompes à chaleur étudient ces impacts. Une étude (par exemple par le NREL ou les ISO locaux) peut conclure qu'avec un COP moyen de 2,5 en période de pointe, des améliorations de la production et de la transmission sont nécessaires mais pas de manière prohibitive – d'autant plus que l'électrification est progressive et coïncide avec l'expansion du réseau pour les énergies renouvelables. Les services publics des régions plus froides lancent des programmes pour gérer les charges des pompes à chaleur, comme l'offre d'incitations pour des contrôleurs intelligents capables de baisser temporairement les points de consigne ou de préchauffer les maisons avant les heures de pointe. Cela garantit la fiabilité du réseau tout en offrant les avantages de l'électrification.

• Pratiques d'installation locales : La disponibilité d'installateurs qualifiés et la familiarité avec la technologie des pompes à chaleur peuvent varier selon les régions. Dans les endroits où les pompes à chaleur sont déjà courantes (Sud-Est des États-Unis, Japon, Scandinavie), l'industrie est bien équipée pour les concevoir et les entretenir. Dans les régions qui commencent tout juste l'électrification (par exemple, certains États du nord des États-Unis), les programmes de formation et le développement de la main-d'œuvre sont cruciaux pour que les systèmes soient installés correctement (dimensionnement, charge de réfrigérant, configuration des commandes) afin de fournir les performances attendues. Une mauvaise installation peut nuire à l'efficacité (par exemple, les systèmes gainables dans les climats froids nécessitent un flux d'air et une charge de réfrigérant appropriés – des études montrent qu'une sous-charge de seulement 15 % peut réduire le COP saisonnier de 5 à 10 %). Ainsi, des programmes régionaux d'assurance qualité (comme la liste des pompes à chaleur pour climats froids et les formations d'installateurs du NEEP) sont mis en œuvre pour garantir le succès sur le terrain.

En conclusion, les pompes à chaleur représentent une technologie mature mais en rapide évolution, essentielle à l'ingénierie CVC moderne et à la politique énergétique. En comprenant les principes thermodynamiques, les indicateurs d'efficacité et les différences entre les types de systèmes, les professionnels peuvent prendre des décisions éclairées concernant la conception et le déploiement dans divers contextes. Les pompes à chaleur les plus efficaces aujourd'hui atteignent des niveaux de performance autrefois jugés impossibles – par exemple, des COP supérieurs à 5 ou des SEER supérieurs à 30 – grâce aux innovations dans les compresseurs, les commandes et les échangeurs de chaleur. Associer le bon type de pompe à chaleur à l'application (air vs sol vs eau, standard vs climat froid, etc.) est essentiel pour maximiser les avantages. Avec des facteurs régionaux favorables tels que des réseaux décarbonés, des tarifs d'électricité raisonnables et des programmes d'incitation, les pompes à chaleur sont prêtes à remplacer une grande partie des systèmes de chauffage conventionnels. Cette transition améliore non seulement l'efficacité et réduit les coûts d'exploitation dans de nombreux cas, mais contribue également de manière significative à la réduction des émissions de gaz à effet de serre du secteur du bâtiment. La recherche continue, le développement de normes (ASHRAE, ISO) et l'expérience sur le terrain continueront d'affiner les meilleures pratiques pour l'intégration des pompes à chaleur, garantissant que ces systèmes atteignent leur plein potentiel dans la lutte contre le changement climatique tout en maintenant des environnements intérieurs confortables.

Références : Ce rapport a cité un éventail de sources, y compris des études universitaires, des normes industrielles et des données de fabricants, pour garantir l'exactitude et l'exhaustivité. Les références clés comprennent des manuels de thermodynamique, le manuel ASHRAE (ASHRAE Handbook) et les articles de son journal sur les systèmes de pompes à chaleur, les rapports techniques du U.S. DOE et du NREL sur la performance des pompes à chaleur, ainsi que les spécifications d'efficacité des principaux fabricants. Celles-ci fournissent une base solide pour les aspects théoriques et pratiques de la technologie des pompes à chaleur au niveau de l'ingénierie professionnelle.