Cette thèse est dédiée à l’optimisation de composants et de systèmes énergétiques avec une application dans le secteur résidentiel. La méthodologie développée est composée d’une analyse de sensibilité, d’une optimisation multi-objectif et d’une aide à la décision multicritère pour sélectionner le meilleur compromis. Tout d’abord, une optimisation d’un système de production d’eau chaude sanitaire est mise en œuvre numériquement et s’appuie sur un banc expérimental du laboratoire IUSTI. Cette étude a pour but d’optimiser, en fonction de différents profils de puisage, les performances d’un dispositif basé sur une pompe à chaleur en améliorant sa régulation. Ensuite, la procédure est appliquée à l’optimisation paramétrique d’un échangeur air-sol (EAS). Le système utilise les ressources géothermiques pour chauffer ou rafraîchir l’air d’un bâtiment par ventilation. Le modèle de l’échangeur air-sol a été validé expérimentalement avec une plateforme géothermique existante à Strasbourg. Un système qui couple un EAS, une ventilation double flux et une pompe à chaleur est également étudié. Le dimensionnement optimal permet d’obtenir un système qui demeure à la fois rentable, autonome et performant pour les différents climats considérés. Enfin, le processus est appliqué à l’optimisation topologique des échangeurs de chaleur. La procédure identifie l’ensemble des topologies qui possède un bon compromis entre les pertes de charge et les transferts thermiques. La méthodologie d'aide à la décision sélectionne la topologie finale qui permet d’avoir une répartition optimisée d’éléments solides afin d’obtenir le meilleur compromis entre ces objectifs