Géothermie

Pompe à chaleur géothermique

Pompe à chaleur géothermique

La pompe à chaleur géothermique est un système de climatisation pour bâtiments qui exploite l'échange thermique avec le sous-sol superficiel au moyen d'une pompe à chaleur. Puisque la chaleur du sous-sol provient en grande partie de l'intérieur de la Terre, l'énergie géothermique à faible enthalpie est classée comme source d'énergie renouvelable, bien que la pompe à chaleur consomme elle-même de l'électricité, généralement produite à partir d'autres sources d'énergie. (par exemple, les combustibles fossiles).

La pompe à chaleur permet l'échange de chaleur entre une "source" à une température inférieure à celle du "puits" ou à l'endroit où la chaleur est introduite. Dans un système de chauffage, le bâtiment (plus précisément: le circuit des bornes de chauffage du bâtiment) représente le "puits chaud"; inversement, dans un système de climatisation, le bâtiment est la "source froide" à partir de laquelle la chaleur est extraite. avantage économique et énergétique de la pompe à chaleur est donnée par le rapport introduit ou retiré de la chaleur du bâtiment et de l'énergie (habituellement l'électricité ou de la chaleur à une absorption de pompe à chaleur), appelé COP (coefficient de performance). Un rapport entre 3 et 6 pour les pompes à chaleur géothermiques.

Le plancher représente pour la pompe à chaleur une "source" (quand il fonctionne en chauffage) ou un "puits" (en mode refroidissement) de chaleur. En comparaison avec l'air atmosphérique, qui est la source des pompes à chaleur aérothermiques, la température du sol à une certaine profondeur est sujette à des variations annuelles beaucoup plus faibles: une profondeur de 5 à 10 m, la température du sol est presque constante pendant tout au long de l'année et équivaut à peu près à la température moyenne annuelle de l'air, soit environ 10-16 ° C. Cela signifie que le sol, par rapport à l'air, est plus chaud en hiver et plus froid en été, au profit de l'efficacité de la pompe à chaleur.

L'échange de chaleur avec le sous-sol peut se faire de trois manières:

  • échange direct, lorsque le circuit évaporateur / condenseur de la pompe à chaleur est en contact direct avec le sous-sol;
  • systèmes en circuit fermé, où la pompe à chaleur effectue l'échange thermique avec le sol indirectement, au moyen d'un circuit hydraulique dans lequel circule un fluide caloporteur;
  • systèmes en circuit ouvert, dans lesquels l’eau souterraine est prélevée dans laquelle l’échange de chaleur a lieu.

Dans les climats froids, le bâtiment où la charge thermique est déséquilibré en faveur du chauffage, le sol peut être refroidi en raison de l'élimination de chaleur est, cependant, possible de coupler la pompe à chaleur géothermique pour l'installation de panneaux solaires thermiques et stocker la chaleur accumulée en été dans le sol.

Les coûts d'installation de l'installation sont beaucoup plus élevés que les solutions conventionnelles (gaz naturel ou diesel), mais des coûts de maintenance moins élevés permettent de récupérer un investissement en moins de 10 ans, avec une durée de vie d'au moins 25 ans. ans.

Echangeur de chaleur terrestre

Système géothermique à circuit fermé horizontal

Les pompes à chaleur géothermiques fournissent (ou soustraient) l'énergie calorifique au bâtiment, en l'échangeant avec le sol à faible profondeur (1-200 m). Les composants du système sont donc trois: échangeur de chaleur au sol, pompe à chaleur et bornes de chauffage / refroidissement.

Comme mentionné ci-dessus, les échangeurs de chaleur au sol se divisent en trois catégories:

  • échange direct;
  • circuit fermé;
  • circuit ouvert.

Les échangeurs peuvent avoir différentes configurations, classés par type de fluide et par schéma. Dans les systèmes à échange direct, le circuit de réfrigérant de la pompe à chaleur est en contact direct avec le sol; dans les systèmes en boucle fermée, on fait circuler un fluide contenant de l'eau et des additifs antigel; les systèmes en circuit ouvert fonctionnent avec l'échange de chaleur dans les eaux souterraines.

Echange direct

Dans la pompe à chaleur géothermique à échange direct, l'échange de chaleur 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 celui-ci et retourne à la pompe à chaleur. La dénomination "échange direct" implique donc l'absence d'un circuit intermédiaire (et fluide) entre le sol et la pompe à chaleur. Cependant, il n'y a pas d'interactions directes entre le fluide frigorigène et la terre, sinon l'échange de chaleur, et l'eau ne circule pas dans le circuit d'échange avec le sol.

Les systèmes à échange direct sont beaucoup plus efficaces que les systèmes à boucle fermée. Ceci est dû à l’absence de circuit intermédiaire (chaque échangeur de chaleur implique cependant des pertes) et à une conductivité thermique élevée des tubes de cuivre utilisés pour l’échangeur de chaleur, qui sont en revanche beaucoup plus coûteux tubes en PEHD utilisés dans les sondes géothermiques. En comparaison avec les sondes géothermiques, la longueur requise est inférieure de 70 à 85% et le diamètre du tuyau est environ la moitié. Un contrôle de qualité accru est nécessaire dans les tuyaux, car le gaz réfrigérant pourrait échapper à de très petites fissures. Le cuivre doit être protégé contre la corrosion dans les sols acides avec protection cathodique ou avec une anode sacrificielle.

Circuit fermé

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

  • circuit de climatisation;
  • circuit primaire de la pompe à chaleur;
  • circuit secondaire d'échange de chaleur avec le sol.

Le circuit secondaire est généralement en polyéthylène haute densité, dans lequel on utilise des mélanges d'eau et d'antigel (propylène glycol, éthylène glycol, alcool méthylique, méthanol ou chlorure de calcium). L'éthylène glycol est bon marché, mais il est toxique même à de faibles concentrations; Même la faible possibilité de son déversement sur le terrain a conduit de nombreuses autorités de contrôle à en interdire l'utilisation. Le propylène glycol a remplacé l'éthylène glycol dans de nombreux cas, bien qu'il soit plus coûteux et consomme moins d'énergie. Le méthanol et l'alcool dénaturé sont inflammables et, par conséquent, leur utilisation est déconseillée.

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

Le circuit fermé peut être installé horizontalement à une profondeur de 3.1 m, ou verticalement dans un trou spécialement conçu (sondes géothermiques) ou dans une base de poste (batteries géothermiques).

Circuit fermé vertical

Un circuit fermé vertical est constitué de deux ou plusieurs tubes installés verticalement sur le sol, formant un circuit fermé dans lequel circule le fluide caloporteur. La longueur de la perforation peut être comprise entre 20 et 200 m. Le forage peut être réalisé spécifiquement (sonde géothermique verticale) ou pour un poteau de fondation (cellules géothermiques ou cellules énergétiques).

Les sondes géothermiques peuvent avoir une configuration en forme de U (deux tubes, aller-retour, reliés au fond), double T ou coaxiale (deux tubes concentriques, avec le débit dans la chambre à air et le retour dans la bague extérieure) , ou vice et versa). À l'intérieur du trou, l'espace autour des tuyaux est généralement rempli d'une boue géothermique, c'est-à-dire d'un béton préparé avec des inertes siliceux et des additifs à haute conductivité thermique.

Les sondes géothermiques sont largement utilisées lorsqu'il n'y a pas assez d'espace pour une installation horizontale à circuit fermé ou une nappe souterraine exploitable pour un système à circuit ouvert. Dans les champs de la sonde, la distance entre les perforations est comprise entre 5 et 10 m. À titre indicatif, les sondes géothermiques peuvent fournir une puissance comprise entre 40 et 70 W par mètre de forage.

Sur les poteaux géothermiques, cependant, le circuit hydraulique est inséré dans un pieu de fondation. De cette manière, il est possible de limiter les coûts d'installation, car le forage n'est pas effectué spécifiquement pour les sondes. Par contre, l’efficacité de l’usine est moindre, à la fois en raison de la plus faible conductivité thermique des sols argileux dans lesquels ce type de fondation est utilisé, et de la présence de longues conduites horizontales de distribution de fluide, qui entraînent des pertes thermiques importantes. .

Circuit fermé horizontal

 

Le circuit fermé peut être placé horizontalement dans une tranchée, placée à des profondeurs supérieures à celles auxquelles le sol peut geler. Le tube peut être linéaire ou en spirale (bobines de terre); Une autre configuration utilisée parfois est le ballon de basket géothermique, ou un tuyau en spirale de 2 à 3 m de haut, inséré dans le sol. La puissance interchangeable dépend de la longueur de la conduite et de la zone occupée: approximativement, la puissance échangée avec le sol est de 15 à 40 W / m². À titre indicatif, une maison avec une charge maximale de 10 kW nécessite trois tuyaux DN20 ou DN 32 de 120 à 180 m.

Les tuyaux sont installés à une profondeur de 1 à 3 m: plus la profondeur d'installation est grande, 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 moindre, mais les coûts d'installation réduits rendent cette solution compétitive. Une variante du circuit fermé horizontal sont les systèmes installés dans les petits étangs, qui exploitent l'inertie thermique de l'eau.

Boucle ouverte

Dans un circuit ouvert, l'échange thermique est effectué avec de l'eau souterraine ou, plus rarement, avec des eaux de surface (rivières et lacs). L'eau extraite peut être réintroduite dans un plan d'eau de surface, ou dans le même aquifère d'où elle a été extraite, en drainant des fossés ou des puits. Les deux puits (retrait et réintroduction) doivent être installés à une distance suffisante pour éviter les courts-circuits thermiques qui se produisent lorsque l’eau thermiquement altérée rentre dans le puits (nuage thermique) atteint l’axe de collecte.

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

Une plus grande efficacité de la pompe à chaleur: l'eau extraite, en fait, ne sont pas affectées par échange de chaleur (par rapport au sol autour d'une sonde, dans lequel un gradient de température est formé), jusqu'à ce que Prenez le short thermique; en particulier pour les systèmes à haute puissance, les coûts d'installation réduits et les espaces occupés moins nombreux que les systèmes à sondes géothermiques et encore plus que les systèmes à boucle fermée horizontale.

Le principal inconvénient de ces plantes est le risque de fissures et d'incrustations, qui raccourcissent la durée de vie de la plante. Pour cette raison, l'installation de systèmes géothermiques à circuit ouvert en présence de fortes teneurs en sels dissous n'est pas recommandée.

Colonne de bon standing

Le puits de colonne debout est un système de circuit ouvert particulier, dans lequel le même puits est utilisé pour l'extraction et la rentrée. En fait, l'eau est prélevée au fond du puits et, après l'échange de chaleur avec la pompe à chaleur, retourne au sommet du puits. Puis, en descendant au fond du puits, l'eau échange de la chaleur avec la roche environnante.

Terminaux de pompe à chaleur et de climatisation

La pompe à chaleur est l'unité centrale des systèmes géothermiques à faible enthalpie. Avec la même machine, il est possible de chauffer et de refroidir le bâtiment, de produire de l'eau chaude domestique et des bobines d'alimentation pour faire fondre la glace et la neige (par exemple, pour les rampes de garage).

Le transport de chaleur à l'intérieur du bâtiment peut être fait par air ou par liquide. Les terminaux de climatisation les plus appropriés pour les pompes à chaleur géothermiques sont les panneaux radiants, car ils fonctionnent à des températures plus basses en chauffage et en refroidissement, garantissant ainsi une plus grande efficacité de la pompe à chaleur. Le ventilo-convecteur peut toujours être utilisé: il doit cependant tenir compte du fait que, compte tenu des températures de fluide plus basses atteintes par la pompe à chaleur, dans le cas de la modernisation d'une installation existante, il est nécessaire d'augmenter l'écoulement de fluide et donc la section des tubes de distribution.

Stockage d' énergie thermique souterrain / aquifère

Dans les climats froids, où la consommation d’énergie pour le chauffage est beaucoup plus élevée que celle de la climatisation, le bilan énergétique du sol peut être insuffisant, conduisant à son refroidissement progressif, avec pour conséquence une réduction de l’efficacité du sol. bombe de chaleur.

Une façon de remédier à ce problème est de stocker la chaleur dans le sol, en utilisant des panneaux solaires qui reçoivent la chaleur du soleil et, sans l'aide de la pompe à chaleur, pour introduire ainsi de la chaleur dans le sol, augmentant la température. De cette manière, la pompe à chaleur fonctionnera plus efficacement en hiver. Cette solution s'appelle le stockage d' énergie thermique souterrain (UTES) ou, dans le cas des systèmes à circuit ouvert, le stockage de l' énergie thermique des aquifères (ATES).

Efficacité énergétique

Le COP d'une pompe à chaleur géothermique varie entre 3 et 6: cela signifie que pour chaque kWh d'électricité consommé, 3 à 6 kWh thermiques sont produits. Le rendement énergétique primaire du système de production d'électricité en Italie est d'environ 40%: cela signifie que pour produire 1 kWh d'électricité, il faut consommer 1 / 0,4 = 2,5 kWh thermique. En conséquence, une pompe à chaleur géothermique peut produire de 3 à 6 kWh en consommant 2,5 kWh de chaleur (qui, à leur tour, sont utilisés pour produire 1 kWh d’électricité). Le rendement énergétique primaire d'une pompe à chaleur géothermique est donc variable entre 120% et 240%, tandis que les meilleures chaudières à condensation obtiennent un rendement de 90%. Une pompe à chaleur géothermique, comparée à une chaudière à condensation,

Le COP de la pompe à chaleur dépend largement de la température des deux thermostats (échange de circuit de fluide dans le système de climatisation de fluide et le sol): plus la différence est élevée, plus le COP. En conséquence, les bornes de climatisation qui permettent de meilleures performances sont des panneaux radiants, travaillant à <29 ° C pour le chauffage et 16 ° C en refroidissement, suivi par le ventilateur (45 ° C pour le chauffage et 7 ° C en mode refroidissement).

Aspects environnementaux

Selon l'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA). UU., Les pompes à chaleur géothermiques sont le système de climatisation le plus efficace, le moins polluant et le plus économiquement viable. L’un des plus grands avantages est sans aucun doute l’absence d’émissions sur le site, ce qui rend ces plantes adaptées aux zones urbaines. Les émissions de gaz à effet de serre se produisent toutefois au stade de la production d'électricité et dépendent donc de la combinaison des énergies adoptées par chaque pays. En Suède, par exemple, la production d’électricité n’est réalisée qu’à 2% avec des combustibles fossiles, de sorte que l’utilisation de pompes à chaleur géothermiques permet de réduire les émissions de CO 2 d’environ 65 à 77%; En Pologne, où le charbon est encore largement utilisé dans les centrales thermoélectriques, les centrales géothermiques génèrent plus d'émissions qui modifient le climat que les chaudières au méthane ou au diesel. En Italie, les économies d’émissions par rapport aux combustibles fossiles sont d’environ 30%. Un autre impact potentiellement important est la fuite de réfrigérant de la pompe à chaleur: bien que les CFC aient été éliminés en raison de leur effet perturbateur sur l’ozone, les fluides utilisés (HFC) ont toujours un effet de serre très élevé, même plus de 1000 fois celle du CO 2. Cependant, compte tenu des quantités limitées de réfrigérant contenues dans la pompe à chaleur, cet impact environnemental est marginal par rapport à la production de dioxyde de carbone. Un impact potentiel sur l'environnement est représenté par la fuite du fluide thermovecteur des sondes géothermiques. Cependant, compte tenu des quantités modestes utilisées et de l'utilisation de fluides peu toxiques, cet impact est presque négligeable.

Les systèmes en boucle ouverte peuvent provoquer l'épuisement de l'aquifère, la pollution entre différents aquifères et, dans certains cas, même l'affaissement.

Aspects économiques

Les pompes à chaleur géothermiques se caractérisent par des coûts d'installation élevés et des coûts de maintenance réduits. Par conséquent, ils représentent un investissement à moyen et long terme.

En général, les économies réalisées sur les coûts de maintenance des installations varient entre 20 et 60% par rapport aux centrales à combustibles fossiles traditionnelles.

En ce qui concerne le temps de remboursement, il n'y a pas beaucoup d'informations, mais sont en moyenne moins de 10 ans et dépendent:

  • Dimensions de l'installation: en particulier dans les systèmes en boucle ouverte, il y a des économies substantielles dans les grandes installations (économies d'échelle)
  • coûts d'installation: sur les marchés plus matures, comme en Europe du Nord, les coûts de forage et d'installation (en particulier pour les systèmes en boucle fermée) sont moins élevés;
  • coût de l'électricité et des combustibles fossiles: le mix énergétique pour la production d'électricité, la concurrence entre opérateurs, les taxes et les taxes indirectes sur les carburants déterminent les fortes différences entre les pays et les pays;
  • incitations, allégement fiscal, prêts subventionnés.

Des pompes à chaleur géothermiques peuvent également être installées par l'ESE, des entreprises qui facturent les coûts d'installation de mesures d'efficacité énergétique, en partageant les gains découlant des économies d'énergie.

valoración: 3 - votos 1

Dernier examen: 27 septembre 2018