Pompes à chaleur au CO2 pour l’eau chaude commerciale : élévation de température et adéquation du système

Mis à jour en octobre 2026

Les pompes à chaleur au CO2 utilisent le dioxyde de carbone comme fluide frigorigène, également appelé R744, pour transférer la chaleur à l’eau. Elles constituent une option intéressante pour la production d’eau chaude sanitaire dans les bâtiments commerciaux lorsque l’eau froide d’appoint, des températures de stockage élevées et un système de circulation bien conçu sont réunis. Pour les hôtels, les immeubles résidentiels et les sites industriels, les questions clés sont la température atteinte par l’eau à l’entrée, le volume d’eau chaude prélevé par le bâtiment aux heures de pointe et la façon dont l’installation complète gère les charges thermiques.

Un système qui atteint la température de sortie souhaitée peut tout de même manquer de puissance calorifique en hiver. Même un compresseur très efficace peut s’intégrer à un système coûteux à exploiter si un appoint électrique doit réchauffer une importante charge thermique liée à la circulation. Ce rapport relie ces paramètres à une méthode de sélection pratique et présente des exemples publiés, dont un calcul détaillé de la consommation électrique.

Que sont les pompes à chaleur au CO2 et comment fonctionnent-elles ?

Une pompe à chaleur au CO2 est une pompe à chaleur dont le circuit frigorifique contient du R744. Dans un chauffe-eau thermodynamique sur air, l’appareil prélève la chaleur de l’air ambiant et la transfère à un autre circuit d’eau. L’électricité alimente ce transfert. Le dioxyde de carbone reste dans le circuit frigorifique ; il n’est pas ajouté à l’eau chaude sanitaire.

Considérez le fluide frigorigène comme un vecteur qui transfère la chaleur entre deux échangeurs thermiques. L’échange thermique maintient les circuits d’eau et de fluide frigorigène séparés. Le circuit d’eau achemine la chaleur vers le stockage ou le bâtiment. Le terme CO2 désigne le fluide de travail, tandis que aérothermique, hydrothermique et géothermique indiquent l’origine de la chaleur de la source thermique. Ce sont des choix distincts : choisir l’air ou l’eau comme source thermique ne définit pas le fluide frigorigène. Les pompes à chaleur géothermiques sont également définies par leur source thermique. Notre guide sur les principes des pompes à chaleur air-eau explique les configurations plus générales.

Comment fonctionnent les pompes à chaleur au CO2 ?

Dans un cycle transcritique au dioxyde de carbone, le compresseur augmente la pression et la température du fluide frigorigène. Le fluide frigorigène chaud cède sa chaleur dans un refroidisseur de gaz, un détendeur réduit sa pression, puis l’évaporateur capte à nouveau de la chaleur. Dans un système traditionnel, le fluide frigorigène cède sa chaleur par condensation à une température de saturation constante. Ici, sa température varie et la chaleur est transférée de l’autre côté de l’échangeur. Ce procédé convient bien au réchauffage d’un débit d’eau froide avec une importante élévation de température.

Une installation centralisée de chauffe-eau thermodynamique utilise ce cycle transcritique au CO2 dans l’étude de terrain de Banks et ses collègues. La haute pression fait partie de la conception de l’équipement, qui exige des composants, des dispositifs de protection et des procédures d’entretien adaptés à ce fluide frigorigène.

Par rapport aux fluides frigorigènes à fort potentiel de réchauffement global, le dioxyde de carbone présente un faible potentiel de réchauffement global et un potentiel d’appauvrissement de la couche d’ozone nul. Le projet de chauffe-eau au CO2 du ministère américain de l’Énergie souligne également son ininflammabilité. Le PRG et le PAO d’un fluide frigorigène décrivent certaines propriétés environnementales ; l’empreinte carbone du bâtiment dépend aussi de l’électricité, de la consommation d’énergie et du système de chauffage remplacé.

Température de l’eau d’une pompe à chaleur au CO2 : entrée, sortie et élévation de température

Mitsubishi indique pour son Heat2O une température de sortie maximale de 176°F (80°C), mais les performances réelles dépendent de la température d’entrée et du circuit d’eau. Pour décrire correctement les performances de l’appareil sur un circuit d’eau, indiquez trois températures sur la même ligne : celles de l’eau à l’entrée et à la sortie, et de l’air à l’entrée. Une valeur de température de sortie maximale ne répond qu’à l’une de ces questions. Les chauffe-eau thermodynamiques au CO₂ doivent être choisis en fonction des températures de l’eau à l’entrée et à la sortie et de l’air à l’entrée.

Une alimentation en eau froide d’appoint convient à une pompe à chaleur à passage unique. L’élévation de température côté eau est alors importante. L’eau de retour tiède d’un circuit de circulation correspond à un point de fonctionnement différent : l’élévation de température est plus faible et l’eau qui entre dans le refroidisseur de gaz est plus chaude. La température de l’eau à l’entrée du refroidisseur de gaz influe sur les performances de la pompe à chaleur, même si la consigne finale du stockage reste identique.

Lorsque le puisage d’eau neuve est faible et que la recirculation se poursuit, une entrée nominalement froide peut se réchauffer. Pour comparer les performances en rénovation, il faut suivre les températures de l’eau à l’entrée et à la sortie ainsi que celle de l’air à l’entrée tout au long du cycle. Le Guide de conception des chauffe-eau thermodynamiques centralisés explique ce phénomène.

Distinguez la boucle primaire de chauffage de la température de puisage. Certains systèmes transfèrent directement la chaleur à l’eau potable stockée ; d’autres utilisent un échangeur thermique secondaire entre une boucle primaire fermée et l’eau potable. Le stockage, la distribution et le mitigeage établissent des températures différentes.

Dans le document de démonstration 2024 de l’Association for Energy Affordability, la boucle primaire du Heat2O alimentait un échangeur thermique secondaire à 176°F, tandis que l’eau potable stockée atteignait généralement environ 165°F (74°C). Cette distinction modifie la température utilisable avant la distribution et le mitigeage.

D’autres températures sont indiquées dans l’étude de terrain de Banks publiée en 2022 : l’eau du réseau à l’arrivée variait entre 50–72°F (10–22,2°C), était chauffée à 147°F (63,9°C), puis entrait dans la boucle de recirculation à environ 125°F (51,7°C). Il s’agit des conditions relevées dans cette installation, et non d’une prescription de gestion de l’eau applicable à d’autres bâtiments.

Indiquez le circuit et l’emplacement de chaque sonde de température. Remplacez « Eau chaude : 80°C » par « sortie de la boucle primaire : 80°C ; stockage et distribution de l’eau potable : conçus séparément. »

Stockage et recirculation : préserver la température froide à l’entrée

Le stockage stratifié permet à une pompe à chaleur au CO2 à passage unique de recevoir de l’eau plus froide tout en maintenant de l’eau chaude disponible à la sortie supérieure du ballon. La difficulté vient souvent du retour de circulation tiède : son point de raccordement et la méthode de réchauffage influent à la fois sur le mélange dans le ballon et sur la consommation électrique.

Séparez la charge thermique liée au chauffage de l’eau neuve de celle liée au maintien en température. La première correspond au réchauffage de l’eau qui remplace celle puisée par les occupants. La seconde compense les pertes thermiques de l’eau en circulation dans le système, même lorsque les occupants ne puisent pas d’eau. Regrouper ces deux charges peut masquer les raisons d’une consommation électrique supérieure aux prévisions.

Matrice d’adéquation à une entrée froide

Les équipements et le stockage sont dimensionnés en fonction de la demande du projet. La synthèse du guide Ecotope et des démonstrations de terrain de l’AEA éclaire les décisions de conception.

Un ballon tampon sépare le réchauffage de l’eau de recirculation de la configuration de stockage primaire. L’eau chaude qui le traverse contribue à répondre à la charge thermique ; une résistance électrique fournit de la chaleur si nécessaire. Une configuration en boucle parallèle utilise un équipement différent pour le maintien en température. Chaque solution influe sur l’emprise au sol, la régulation et l’énergie auxiliaire.

Lors des premiers essais d’une semaine sur l’installation de Lassen, l’AEA a relevé un COP de 2.7 en renvoyant l’eau de circulation vers le ballon primaire froid, contre une référence de 2.3. La configuration technique de retour vers le circuit primaire modifiait le parcours de réchauffage de l’eau recirculée ; le ballon tampon restait disponible en secours. Les auteurs ont estimé que la stratification insuffisante de l’installation existante avait influé sur le résultat et ont prévu une validation plus longue.

L’utilisation d’eau entrante froide et la sécurité de l’eau potable nécessitent une conception coordonnée. Une boucle primaire fermée non potable, une conduite d’eau froide d’appoint et un ballon de stockage d’eau potable remplissent des fonctions distinctes. Les recommandations du CDC sur l’eau dans les bâtiments portent sur la température, le temps de séjour de l’eau, les résidus de désinfectant et les dispositifs antibrûlure. Toute modification visant à améliorer l’efficacité énergétique doit respecter la stratégie de gestion de l’eau du bâtiment.

Puissance d’une pompe à chaleur au CO2 par temps froid

La puissance publiée de Heat2O est de 40 kW à une température ambiante de 36°F (environ 2°C) ; à −13°F (−25°C), la puissance tombe à 50 %, tandis qu’une eau à 176°F reste possible, selon la présentation de Heat2O par Mitsubishi. Les pompes à chaleur au CO2 aérothermiques peuvent produire de l’eau chaude par temps froid, mais la puissance calorifique disponible varie selon le modèle et les températures de fonctionnement.

C’est pertinent pour un hôtel ou un immeuble résidentiel : la température de sortie peut être suffisante alors que la récupération prend plus de temps. Un même volume quotidien d’eau chaude est facile à fournir s’il est réparti sur la journée, mais difficile à fournir s’il se concentre sur un pic matinal. La température ambiante, le comportement au dégivrage, le stockage disponible et le fonctionnement de l’équipement de secours doivent tous être pris en compte pour la sélection hivernale. La température de l’air ambiant détermine les conditions de la source thermique de l’équipement extérieur. Quelle puissance calorifique est disponible pendant cette période de récupération ?

Le dimensionnement hivernal doit tenir compte de la baisse du niveau de stockage due aux prélèvements et de son rétablissement par l’équipement dans des conditions variables. L’étude de 2024 sur les immeubles résidentiels multifamiliaux menée par Oak Ridge National Laboratory a combiné un dimensionnement pour le jour de calcul, un modèle de ballon stratifié et une carte de performance d’une pompe à chaleur commerciale au CO2 ; les économies simulées sont limitées aux sites et aux tarifs étudiés.

Les limites sonores nocturnes peuvent également réduire la puissance disponible pour la récupération. Le projet de l’AEA à Lassen limitait le fonctionnement nocturne pour réduire le bruit perçu par le voisinage, et la puissance installée justifiait ce choix. Dans un autre bâtiment, la même restriction pourrait nécessiter davantage de stockage ou un calendrier de récupération différent.

Les pompes à chaleur aquathermiques utilisent un profil de température de la source thermique différent de celui des appareils extérieurs. Une conception de pompe à chaleur aquathermique tient compte des conditions d’eau disponibles et du pompage associé, notamment de la disponibilité de la source thermique pendant les heures les plus froides.

Pompes à chaleur au CO2 ou au R290 pour l’eau chaude commerciale

Le R744 peut assurer une élévation de température importante à partir d’eau froide d’appoint, tandis que le R290, ou propane, peut être utilisé pour le chauffage de l’eau et des locaux. Selon les températures d’eau, les conditions de la source thermique, les charges thermiques et les contraintes, choisissez entre un équipement au CO2 et un équipement au R290.

Dans la comparaison numérique 2025 de Conte et ses collègues, la conception aérothermique au R290 a obtenu les meilleures performances saisonnières parmi trois conceptions de 15 kW, pour les scénarios combinant chauffage des locaux et eau chaude sanitaire étudiés à Rome et Strasbourg. Pour le profil diurne de production d’eau chaude uniquement, c’est la conception solaire-air au R744 qui arrivait en tête. Les conditions météorologiques et les horaires de demande ont modifié le résultat.

Pour la production combinée d’eau chaude sanitaire et le chauffage des locaux, les températures de retour des radiateurs peuvent être très différentes de celles de l’eau froide d’appoint utilisée pour produire l’eau chaude sanitaire. Un circuit distinct ou une autre configuration de chauffage peut mieux répondre à ces exigences. Une application de pompe à chaleur avec refroidisseur de liquide associe également refroidissement et chauffage, qui doivent faire l’objet de leur propre comparaison de fonctionnement.

Quels sont les inconvénients du CO2 comme fluide frigorigène ?

Les systèmes au CO2 utilisent des équipements conçus pour fonctionner à haute pression, et de nombreux modèles de chauffage de l’eau perdent en efficacité lorsque la température de l’eau à l’entrée augmente. Ces caractéristiques influent sur le choix des composants, la facilité d’entretien et la configuration hydraulique. Dans le cadre d’une rénovation avec une eau de retour tiède, l’inconvénient pratique peut être la nécessité de modifier le système pour obtenir un fonctionnement efficace, plutôt que la température maximale que le fluide frigorigène peut atteindre.

Les comparaisons de décarbonation doivent prendre en compte la consommation électrique saisonnière, les combustibles fossiles remplacés et l’impact climatique du fluide frigorigène. Un faible PRG ne suffit pas à justifier une affirmation de caractère « respectueux de l’environnement ». Les systèmes au R32, les équipements au propane et les systèmes au CO2 utilisant un fluide frigorigène naturel doivent chacun faire l’objet de comparaisons propres au modèle.

Coût d’installation et consommation d’énergie : exemple chiffré

Le coût d’installation d’un système de pompe à chaleur comprend les unités, le stockage, les travaux électriques, la tuyauterie, les régulateurs et la mise en service. Les coûts d’exploitation dépendent de la consommation électrique du système complet et du tarif de l’électricité. L’emprise du stockage, la puissance disponible et les pertes de circulation peuvent autant modifier les coûts que le choix de l’unité.

Pour un premier calcul approximatif, supposons que la charge thermique de production d’eau chaude soit de 100 kWh de chaleur par jour, avant les pertes de stockage et de distribution. Comparez des COP moyens hypothétiques de 2, 3 et 4 pour cette même charge et cette même période. La consommation électrique correspondant à la charge indiquée se calcule en divisant l’énergie thermique par le COP.

Avec un tarif d’électricité fixe supplémentaire estimé à $0.20/kWh, le cas intermédiaire coûte $6,67 par jour : 100 ÷ 3 × $0,20. Ce montant correspond uniquement au coût énergétique de la charge indiquée. Pour établir une estimation complète, ajoutez les charges thermiques liées au stockage et à la circulation, la consommation électrique du pompage et l’énergie de l’équipement de secours. Les frais liés à la puissance appelée et les tarifs selon l’heure nécessitent un profil électrique précis.

Veillez à conserver le même périmètre de calcul. L’étude de terrain de Banks définit le COP du système comme le rapport entre la chaleur fournie à l’eau et les pertes de recirculation, d’une part, et l’électricité consommée par la pompe à chaleur et le chauffage d’appoint, d’autre part. Si le COP mesuré pour l’ensemble du système inclut déjà l’électricité de l’équipement de secours et des pompes, les ajouter de nouveau entraînerait un double comptage. Même pour une installation identique, un calcul d’efficacité limité à l’eau chaude utile donnera une valeur différente.

Le stockage doit couvrir les pics de puisage d’eau chaude pendant que la pompe à chaleur reconstitue une réserve suffisante avant le pic suivant. Un bâtiment qui consomme 100 kWh de chaleur par jour peut en puiser une grande partie sur une courte période. La seule énergie consommée ne permet donc pas de déterminer le volume du ballon d’eau chaude ni la puissance calorifique requise.

Le stockage peut réduire la puissance de la pompe à chaleur nécessaire pour répondre à la demande instantanée d’eau chaude. Il permet aussi de faire fonctionner la pompe à chaleur pendant les heures creuses, comme le décrit Andrew Macaluso dans son article sur la conception du stockage dans HPAC. Les économies dépendent de la demande du projet et du tarif.

Pour comparer le coût total de possession, veillez à ce que les offres couvrent le même périmètre : équipements et ballons, mise à niveau de l’alimentation électrique, accès pour l’installation, mesures acoustiques, mise en service, maintenance et équipement de secours. Dans un projet de rénovation, des chauffe-eau électriques peuvent également faire partie de la stratégie de secours. Comparez les séquences de fonctionnement de l’appoint électrique et des chaudières conservées. Même si la pompe à chaleur principale consomme moins d’énergie que le chauffage par effet Joule, intégrez les heures de fonctionnement des équipements de secours à l’estimation.

Dans quels cas les pompes à chaleur commerciales au CO2 sont-elles adaptées ?

La production d’eau chaude par pompe à chaleur est une solution envisageable pour les hôtels et les autres bâtiments qui ont une forte demande d’eau chaude sanitaire. Pour que le système soit adapté, le profil de température de l’eau et la configuration de stockage doivent correspondre à l’équipement. Les applications commerciales et industrielles avec une eau de retour tiède, un stockage soumis à de fortes contraintes ou des besoins simultanés de refroidissement nécessitent une comparaison plus spécifique des systèmes.

Des unités CO2 plus petites ont assuré le chauffage central de l’eau dans la rénovation de 60 logements étudiée par Banks et ses collègues. Des équipements conçus pour des applications résidentielles ont desservi ce bâtiment grâce à une installation étudiée sur mesure. Chaque pompe à chaleur résidentielle au CO2 faisait partie d’un système sélectionné et régulé en fonction de la charge thermique du bâtiment.

Les sites qui doivent chauffer et refroidir simultanément disposent d’une autre possibilité. Les recherches de Petersen et ses collègues sur le R744 dans les bâtiments commerciaux ont étudié la valorisation du refroidissement en parallèle de la production d’eau chaude. Un restaurant ou un site doté d’équipements frigorifiques peut présenter des charges qui se chevauchent. L’évaluation doit déterminer à quel moment chaque production est utile et éviter de comptabiliser deux fois les avantages de la chaleur récupérée et du refroidissement.

Le chauffage des locaux et la production d’eau chaude sanitaire nécessitent souvent des températures de départ et de retour différentes. L’eau de procédé peut exiger des fluides, des mesures d’hygiène ou des échangeurs thermiques différents, entre autres. Prenez ces situations en compte lors de l’analyse des applications des pompes à chaleur dans l’industrie et le commerce. Les possibilités d’énergies renouvelables, notamment la chaleur ambiante et la chaleur récupérée, dépendent des ressources disponibles et du calendrier de fonctionnement.

Exigences d’intégration, d’entretien et d’approvisionnement

Un devis utile pour une solution de chauffage de l’eau précise conjointement le point de fonctionnement requis de l’équipement, les circuits d’eau, le stockage, l’alimentation électrique et les responsabilités en matière de service. Transmettez le même cahier des charges au concepteur et au fournisseur afin de comparer les offres sur une base équitable.

La documentation technique doit préciser les conditions ambiantes de fonctionnement, les températures d’entrée et de sortie d’eau, la puissance, la puissance électrique absorbée et le comportement pertinent à charge partielle. Pour planifier le service, vérifiez les compétences locales sur les fluides frigorigènes, l’accès aux pièces de rechange et la conduite à tenir en cas d’arrêt d’une unité.

Parmi les références de classement des chauffe-eau commerciaux figurent les normes ANSI/AHRI 1300-2013 (R2023) et 1301-2013 (R2023), répertoriées sur la page de classement AHRI des chauffe-eau commerciaux. Les valeurs nominales peuvent varier selon les conditions et la méthode de classement proposée. À cet égard, il est important de vérifier les certifications séparément. La conception doit également prévoir les protections contre la pression applicables, les dispositions électriques et les commandes du réseau d’eau du bâtiment.

La mise en service doit vérifier la séquence normale de chauffage et le fonctionnement du chauffage d’appoint. Lors de la rénovation de Banks, des consignes modifiées et un capteur de débit défectueux ont perturbé le fonctionnement du chauffage d’appoint pendant les arrêts des pompes à chaleur. Un chauffe-eau d’appoint en veille n’est utile que si ses éléments de commande, ses capteurs et ses interfaces hydrauliques fonctionnent comme prévu.

FAQ sur les pompes à chaleur au CO2

Le guide de référence est publié par Kovenair. Les équipements, recherches et projets de terrain cités sont attribués à leurs propriétaires et auteurs respectifs. Le tableau d’électricité repose sur les hypothèses indiquées et est distinct des données de performance des produits.