Pompe à chaleur et stockage thermique : un système chinois réduit l’investissement initial de 29,7 %

Une équipe de chercheurs de l’Université de technologie du Hebei, en Chine, a conçu un système associant pompe à chaleur aérothermique et stockage d’énergie thermique qui réduit l’investissement initial de 29,7 % et les coûts annuels d’exploitation de 51,4 %, en exploitant la tarification électrique heures pleines-heures creuses.

En bref

• Le système, baptisé ASHPCES, associe pompes à chaleur aérothermiques réversibles et réservoir de stockage thermique stratifié.
• Testé sur un immeuble de bureaux de 6 étages à Tianjin (10 030 m² climatisés) : 6 pompes à chaleur suffisent, contre 11 pour une installation conventionnelle.
• Investissement initial réduit de 29,7 % (de 435 000 € à 307 000 € environ) et coûts d’exploitation annuels réduits de 51,4 %.
• Retour sur investissement dynamique estimé à 3,57 ans ; émissions de carbone réduites de 8,8 %, soit environ 17,6 tonnes de CO₂ par an.

Stocker la chaleur ou le froid quand l’électricité est bon marché

L’étude, intitulée « Pompe à chaleur aérothermique et stockage thermique : analyse technico-économique selon les tarifs d’électricité heures pleines-heures creuses » et publiée dans la revue scientifique Cleaner Energy Systems, évalue les performances techniques et économiques d’un système qui stocke l’énergie thermique pendant les périodes où l’électricité est la moins chère, puis l’utilise lorsque la demande et les prix sont plus élevés.

« Cette étude propose un système innovant associant une pompe à chaleur aérothermique réversible et un stockage d’énergie thermique, capable de basculer entre les modes chauffage et refroidissement afin d’assurer la régulation thermique intérieure des bâtiments », explique l’équipe de recherche. Le système est équipé d’un réservoir de stockage stratifié pouvant fonctionner en mode chaud ou en mode froid : il accumule l’énergie la nuit, lorsque les prix sont bas, puis alimente le bâtiment en chauffage ou en refroidissement pendant les heures de bureau, lorsque les tarifs sont plus élevés.

Six pompes à chaleur au lieu de onze

Le dispositif a été dimensionné pour un immeuble de bureaux de six étages à Tianjin (21,6 m de hauteur, 10 030 m² de surface climatisée), en s’appuyant sur la demande quotidienne maximale cumulée pouvant être couverte pendant les huit heures de tarif le plus bas — plutôt que sur la puissance instantanée maximale, comme pour un système conventionnel.

Le système ASHPCES utilise six pompes à chaleur aérothermiques air-eau personnalisées (146 kW en chauffage, 130 kW en refroidissement chacune, au fluide R410A), couplées à un réservoir d’eau stratifié de 1 010 m³ isolé par 100 mm de mousse. Le système de référence, dimensionné sur la puissance instantanée maximale, nécessitait onze pompes à chaleur fonctionnant en continu de 8h à 18h.

Une baisse de 51,4 % des coûts d’exploitation et de 29,7 % de l’investissement

Les simulations montrent que les pompes à chaleur du système ASHPCES fonctionnent à pleine puissance entre 23h et 7h, aux heures les moins chères, tandis que le bâtiment est alimenté principalement par le réservoir de stockage entre 8h et 18h. Résultat : les coûts annuels d’exploitation diminuent de 51,4 %, le retour sur investissement dynamique est estimé à environ 3,57 ans, et le coût sur l’ensemble du cycle de vie baisse de 38,37 %. La consommation annuelle d’électricité passe d’environ 270 MWh à 248,1 MWh, et les émissions de carbone reculent de 8,8 %, soit environ 17,6 tonnes de CO₂ par an.

Le principal levier économique reste la réduction du nombre de pompes à chaleur nécessaires : six unités contre onze, ce qui fait baisser l’investissement initial de 29,7 %, passant de 3,43 millions de yuans (environ 435 000 €) à 2,41 millions de yuans (environ 307 000 €). « Cette conception permet non seulement de tirer pleinement parti des tarifs différenciés selon les heures afin de réduire fortement les coûts d’exploitation, mais aussi de diminuer la puissance des pompes à chaleur en évitant un dimensionnement fondé sur la charge de pointe, ce qui réduit l’investissement initial », concluent les chercheurs.

Questions fréquentes

Qu’est-ce que le système ASHPCES ?

Un système associant des pompes à chaleur aérothermiques réversibles à un réservoir de stockage thermique stratifié, capable de stocker de la chaleur ou du froid pendant les heures creuses pour les restituer au bâtiment pendant les heures pleines.

Pourquoi ce système réduit-il l’investissement initial ?

Parce qu’il n’a plus besoin d’être dimensionné sur la puissance de pointe instantanée du bâtiment : une partie des besoins est couverte par l’énergie accumulée dans le réservoir de stockage, ce qui permet d’installer moins de pompes à chaleur (six contre onze dans l’étude).

Ce type de système est-il pertinent en dehors de la Chine ?

Selon les chercheurs, l’approche est particulièrement intéressante dans les bâtiments soumis à des tarifs électriques fortement différenciés selon les heures, ainsi que dans les régions à forts besoins de chauffage et de refroidissement — des conditions que l’on retrouve aussi en France avec les offres heures pleines-heures creuses.

En résumé

En combinant pompe à chaleur aérothermique et stockage thermique stratifié, cette étude chinoise montre qu’il est possible d’agir simultanément sur deux leviers économiques : réduire le coût de l’électricité consommée grâce à la tarification heures pleines-heures creuses, et limiter la puissance de chauffage et de refroidissement à installer — avec, à la clé, un investissement initial réduit de près de 30 % et des coûts d’exploitation divisés par deux.

Source : étude publiée dans Cleaner Energy Systems (ScienceDirect). Ressources sur les pompes à chaleur en France : ADEME.