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Géothermie

Qu'est-ce qu'une pompe à chaleur géothermique et comment fonctionne-t-elle ?

La pompe à chaleur géothermique est un système de climatisation et de chauffage pour les bâtiments qui exploite l'échange thermique avec le sous-sol de surface. Dans ce cas, l'échange est réalisé au moyen d'une pompe à chaleur.

Qu'est-ce qu'une pompe à chaleur géothermique et comment fonctionne-t-elle ?

Étant donné que la chaleur dans le sous-sol provient en grande partie de la Terre, l'énergie géothermique à basse température est une des énergies renouvelables. 

La pompe à chaleur permet l' échange de chaleur entre une source froide et une source chaude. Dans un système de plancher chauffant, les bâtiments représentemt les émetteurs de chaleur. Dans un système de climatisation, le bâtiment est la source froide qui récupère les calories.

Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur est uniquement transférée d'une ampoule chaude à une ampoule froide. Pour cette raison, il est nécessaire de fournir du travail, de l'énergie. Autrement dit, les pompes à chaleur nécessitent une source externe d' électricité

Le sol représente pour la pompe à chaleur une "source" (lorsqu'elle fonctionne en chauffage) ou un "puits" (en mode refroidissement) de chaleur.

Par rapport à l'air atmosphérique (qui est la source des pompes à chaleur air-air), la température du sol à une certaine profondeur subit des variations annuelles beaucoup plus faibles. À une profondeur de 5 à 10 m, la température est stable, presque toute l'année, elle reste constante.

Il existe des pompes à chaleur géothermiques qui intègrent un accumulateur pour la production d'eau chaude sanitaire et faire des économies d'énergie.

La température à cette profondeur équivaut à peu près à la température annuelle moyenne de l'air extérieur.

Comment se déroule l'échange thermique d'une pompe géothermique?

Le système de captage de chaleur avec le sous-sol peut avoir lieu de trois manières:

  • Échange direct, où le circuit évaporateur / condenseur de la pompe à chaleur est en contact direct avec le sol.

  • Systèmes en circuit fermé, où la pompe à chaleur effectue indirectement l'échange thermique avec le sol, à travers un circuit hydraulique dans lequel circule un fluide de refroidissement.

  • Systèmes à circuit ouvert, dans lesquels l'eau souterraine est prélevée dans lesquels un échange de chaleur a lieu.

La pompe à chaleur (PAC) géothermique puise l'énergie contenue dans le sol pour la transmettre aux divers émetteurs de chauffages.

Dans les climats froids, le bâtiment où la charge thermique est déséquilibrée au profit du système de chauffage, le sol pourrait se refroidir du fait de l'évacuation de la chaleur. Cependant, il est possible de coupler la pompe à chaleur géothermique pour une installation de panneaux solaires thermiques et de stocker la chaleur accumulée en été dans le sol.

Échange direct

Dans la pompe à chaleur géothermique à échange direct, l'échange thermique a lieu avec le sol. Le fluide frigorigène qui sort de la pompe à chaleur, circule dans un tuyau inséré en contact direct avec le sol, échange de la chaleur avec lui et retourne à ce type de la pompe à chaleur pac géothermique.

Ces systèmes sont beaucoup plus efficaces que les systèmes en boucle fermée. Ceci est dû à l'absence de circuit intermédiaire et à une conductivité thermique élevée des tubes en cuivre utilisés.

Circuit fermé

La plupart des systèmes géothermiques à faible enthalpie sont constitués de trois circuits:

  • circuit de climatisation;

  • circuit primaire de la pompe à chaleur;

  • circuit d'échange thermique secondaire avec le sol.

La pompe de circulation peut être externe ou intégrée à la pompe à chaleur. Dans le circuit secondaire, il y a également des vases d'expansion et des soupapes de sécurité pour le contrôle de la pression

Il existe des pompes à chaleur géothermiques qui intègrent le circuit de réfrigération dans l'unité intérieure. 

La boucle fermée peut être installée avec ces capteurs horizontaux jusqu'à une profondeur de 1 à 3 m, ou verticalement dans un trou spécialement conçu (sondes géothermiques) ou sur un poteau de fondation (pieux géothermiques).

Circuit fermé vertical

Un circuit fermé vertical se compose de deux ou plusieurs capteurs verticaux installés dans le sol. Ces tubes de ce type de capteur forment un circuit fermé dans lequel circule le fluide caloporteur, de l'eau glycolée. La longueur de l'alésage peut être comprise entre 20 et 200 m. 

Les sondes géothermiques sont largement utilisées lorsqu'il n'y a pas assez d'espace pour une installation horizontale en boucle fermée.

Dans les champs de la sonde, la distance entre les perforations est comprise entre 5 et 10 m. Les sondes géothermiques peuvent fournir une puissance comprise entre 40 et 70 W par mètre de forage.

Circuit fermé horizontal

Le circuit fermé peut être placé horizontalement dans une tranchée, placée à des profondeurs supérieures à celles auxquelles le gel du sol peut se produire.

Le tube peut être linéaire ou en spirale (bobines de masse). La puissance échangeable dépend de la longueur du tuyau et de la surface occupée: environ, la puissance échangée avec le sol est de 15 à 40 watts / m².

Les tuyaux sont installés à une profondeur de 1 à 3 m: plus la profondeur d'installation est élevée, plus l'inertie thermique est grande et meilleure est l'efficacité de la pompe à chaleur.

Par rapport aux sondes géothermiques verticales, l'efficacité de la pompe à chaleur est plus faible, mais les coûts d'installation inférieurs rendent cette solution compétitive. Dans le circuit on utilise de l'eau glycolée.

Pompe géothermique à circuit ouvert

Dans ce type d'installation, l'échange thermique a lieu avec les eaux d'un nappe phréatique ou, plus rarement, depuis les rivières et les lacs. L'eau extraite peut être réintroduite dans une masse d'eau de surface ou dans le même aquifère dont elle a été extraite.

L'avantage, par rapport aux systèmes en boucle fermée, est:

  • Meilleure efficacité énergétique de la pompe à chaleur géothermique.

  • Coûts d'installation réduits

  • Moins d'espaces occupés par rapport aux systèmes de sondes géothermiques et encore plus que les systèmes horizontaux en boucle fermée.

Le principal inconvénient de ces plantes est le risque de fissures et d'incrustations, qui raccourcissent la durée de vie utile de la plante.

Quelle est l'efficacité énergétique d'une pompe à chaleur géothermique?

Pour étudier l'efficacité énergétique d'une pompe à chaleur géothermique, on utilise le coefficient de performance COP. COP est le coefficient de performance d'un réfrigérateur. Celle-ci est définie comme la chaleur retirée du réservoir froid Q divisée par le travail W effectué pour éliminer la chaleur.

Le COP d'une pompe à chaleur géothermique varie entre 3 et 6. Cet index depends des types de pompes à chaleur. Toute fois, cela signifie que pour chaque kWh d' électricité consommé, 3 à 6 kWh thermiques sont produits. 

L'efficacité énergétique primaire d'une pompe à chaleur géothermique est donc variable entre 120% et 240%. En revanche, les meilleures chaudières à condensation obtiennent des rendements de 90%. 

Le COP de la pompe à chaleur dépend fortement des températures des deux thermostats: plus la différence est petite, plus le COP est élevé. La température de l'eau chaude dans des ventilo-convecteurs permet de conserver un COP performant.

 

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Date de publication : 27 septembre 2018
Dernier examen : 4 septembre 2020