Pompes à chaleur, Géothermie (26)

C’est avant tout un système de chauffage, mais elle permet également de répondre à des besoins d’eau chaude sanitaire et aussi de climatisation : on parle dans ce cas de PAC réversibles.

La pompe à chaleur est composée de 4 éléments principaux :

  • L’évaporateur : il récupère les calories de l’environnement extérieur (sol/eau/air), pour les transférer au liquide frigorigène (froid et liquide) et les faire entrer en ébullition.
  • Le compresseur : il aspire et compresse le fluide frigorigène sous forme de gaz à basse température, afin de le transformer en gaz chaud à une pression élevée.
  • Le condenseur : il récupère l’énergie du gaz produit par le compresseur, pour la céder à l’eau du circuit de chauffage. Le gaz frigorigène se condense pour passer de l’état gazeux à l’état liquide.
  • Le détendeur : il abaisse la température du liquide frigorigène formé par le condenseur, qui sera beaucoup plus basse et inférieure à la température de la source de récupération.

Ainsi, la pompe à chaleur permet de couvrir jusqu’à 70 % des besoins de chauffage d’une habitation. Les 30 %  restant (différent selon la source d’énergie et le mode de fonctionnement utilisé) correspondent à la consommation d’énergie électrique utile au fonctionnement de la pompe.

En effet, chaque pompe à chaleur a besoin d’un apport en électricité (ou gaz pour certains modèles) pour fonctionner, mais celui-ci reste minime au regard de l’énergie thermique diffusée, soit un gain écologique et économique.

Le Coefficient de Performance (COP) d’une machine permet d’évaluer son rendement en comparant la consommation d’énergie électrique à la production d’énergie thermique.

Enfin, l’avantage de ce système est qu’il s’adapte pratiquement à tous les modes de chauffage existants (radiateur, plancher-chauffant, ventilo-convecteur, unité murale ou console, etc.)

Il existe 2 familles de pompes à chaleur :

PAC Aérothermique

On parle alors d’aérothermie :

La PAC Air/Air fonctionne par deux unités. L'unité extérieure permet de puiser les calories de l'air, et le ventilo-convecteur les restitue dans la maison avant tout pour le chauffage mais également le rafraichissement l'été dans le cas d'une PAC réversible.

La PAC Air/Eau permet de chauffer l’eau d’un circuit de chauffage grâce à l’air récolté  en extérieur, mais également d’assurer le rafraichissement de l’habitation en été et la production d’eau chaude sanitaire (sous certaines conditions).

Ainsi, on utilise une technologie de PAC mixte, comportant un circuit pour le fluide frigorigène des capteurs, et un circuit pour l’eau chaude des émetteurs de chaleur.

Seule contrainte : un chauffage d’appoint est nécessaire en cas de climat rigoureux, notamment à partir de – 5°C et que la pompe s’arrête.

PAC Géothermique

Les PAC Eau/Eau permettent de capter la chaleur du sol et de la restituer soit directement dans un plancher chauffant en circuit fermé (PAC détente directe), soit dans l’eau circulant dans les différents émetteurs de chauffage (PAC à procédé mixte).

Selon la surface extérieure et le terrain, 2 types de capteurs existent pour la géothermie :

  • Capteurs horizontaux : les plus répandus et moins onéreux, ils sont disposés horizontalement à faible profondeur, et nécessitent toutefois une surface de terrain suffisante.
  • Capteurs verticaux : système plus coûteux mais avec emprise sur le sol réduite, les capteurs sont disposés verticalement dans des forages préalablement réalisés.

Leur installation fait l’objet de démarches administratives et est soumise à des autorisations.

GEOTHERMIE

Les pompes à chaleur géothermiques utilisent l’énergie naturelle et constante stockée dans le sol, à une température inférieure à 30°C, pour la restituer sous forme de chauffage/rafraîchissement et d’eau chaude sanitaire.

Il peut s’agir de la chaleur de la terre, captée par sonde géothermique, ou des calories d’une eau souterraine, prélevées par un puits unique ou par un doublet de forage.

Elles peuvent être alimentées de différentes manières pour le neuf et la rénovation, sans transformation apparente du terrain :

  • Par des sondes géothermiques verticales

  • Par pompage-rejet sur nappe phréatique (on parle alors de système aquathermique)

  • Par des capteurs enterrés horizontalement

  • Par des paniers géothermiques

La géothermie par sondes verticales

Placées à plusieurs dizaines de mètres de profondeur, elles exploitent la chaleur de la terre sans mobiliser l’eau souterraine.

Selon les besoins énergétiques du logement et en fonction des terrains, on réalisera de un à plusieurs forages d’une profondeur variable et d’un diamètre généralement compris entre 100 et 180 mm.

Ces forages seront situés à proximité du bâtiment à chauffer ou à rafraîchir et seront distants entre eux d’au moins10 mètres.

Particulièrement bien adapté au chauffage basse température (planchers chauffants ou radiateurs basse température ayant une eau inférieure à 30°C),ce type d’installation permet d’assurer toute la saison de chauffe d’un habitat individuel.

Ainsi, une sonde de100 m (ou deux sondes de 50 m) offre une puissance moyenne d’environ 5 KW - soit une puissance linéaire par mètre de sonde 50 W et peut chauffer par plancher chauffant une maison d’environ100 m² habitables.

Seule ou couplée avec une autre énergie, cette technologie peut également fournir l’ECS et assurer, sans surcoût, un rafraichissement l’été. Avec un plus grand nombre de sondes, elle peut aussi être mise en œuvre pour des immeubles d’habitation ou des bâtiments tertiaires : on parle alors de champ de sondes géothermiques.

Son fonctionnement

Une sonde géothermique verticale est un échangeur de chaleur installé dans un forage. Un fluide caloporteur circule en circuit fermé entre la PAC et le Forage, assurant l’extraction de la chaleur du sous-sol par conduction, son transport (grâce à une pompe de circulation), et sa restitution au plancher chauffant ou aux radiateurs à l’aide d’une pompe à chaleur eau glycolée/eau.

Dans le forage terminé, on insère une boucle formée de 2 tubes de polyéthylène haute densité (dite en U) ou de 4 tubes (dite double U), de diamètre 25, 32 ou 40 mm.

L’espace entre les boucles et les parois du forage est rempli avec un mélange à base de ciment conducteur et de bentonite, afin d’assurer un bon contact entre les tubes et la paroi du forage.

Dimensionnement

Tout sous-dimensionnement (longueur trop courte) entraîne un appauvrissement du sol et une dégradation des performances et des puissances soutirées au cours du temps. Or, la productivité thermique dépend fortement de la nature des terrains : elle n’est que de 20 W/mètre pour les sols de mauvaise qualité thermique comme les sédiments secs, alors qu’elle dépasse 70 W/mètre pour certaines roches. Il faut donc établir le profil géologique du terrain lors du premier forage, en prélevant les différentes strates du sol, au minimum tous les 5 mètres. En l’absence de toute étude, la puissance spécifique de 50 W par mètre est souvent utilisée dans le cas de terrains saturés en eau, et celle de 35 W par mètre en terrains secs : la fourchette d’incertitude est donc très large.

Evaluer la productivité thermique en fonction de la nature des terrains et de leur humidité, en tenant compte des références existantes (document technique de Qualiforage, norme VDI allemande, guide des bonnes pratiques de Géoqual) ou de la norme AFNOR NFX10-970 d’août 2010.

Faire procéder à un essai sur le site lui-même, à une profondeur correspondant au projet, le forage d’essai étant celui de la première sonde du champ de sondes.

Lorsqu’un champ de sondes est nécessaire (généralement, dès que l’on dépasse 300 à 400 m² de surface à chauffer), le positionnement des sondes repose sur l’utilisation de modèles de calcul.

Dans ce cas, l’intervention d’un bureau d’études spécialisé en sous-sol est vivement recommandée.

La géothermie sur nappe

L’eau souterraine sert de source de calories pour alimenter une pompe à chaleur eau/eau. La température de cette eau est constante, généralement comprise entre 9 et 15°C, de -20 à -100 m.

La Pompe à Chaleur peut assurer tous les besoins de chauffage d’une habitation, d’un bâtiment collectif, tertiaire ou commercial, et peut également fournir l’ECS. En été, l’eau souterraine offre du rafraîchissement par simple circulation dans un plancher chauffant/rafraîchissant ou via des aérothermes.

Les Pompes à Chaleur réversibles peuvent également prendre en charge les besoins de climatisation.

Avec une Pompe à Chaleur ayant un COP de l’ordre de 3,3, un débit d’eau souterraine d’environ 10 m3/h fournit une puissance de 100 KW en mode chauffage (avec un delta de la température prélevée/rejetée de 6°C) ou climatisation.

Un débit compris entre 1 à 2 m3/h permet d’assurer les besoins de chauffage d’un pavillon individuel de 150 m². Pour un fonctionnement en free-cooling, le débit nécessaire sera plus important car le différentiel de température est plus faible, de l’ordre de 3°C. Mais les coûts de fonctionnement seront plus bas, la PAC ne fonctionnant pas.

Son fonctionnement

Le prélèvement peut s’effectuer par un puits unique de faible profondeur et d’un diamètre de120 cm, voire plus. Ce dispositif est économique, mais peut entraîner des difficultés lorsqu’il faut rejeter des quantités importantes d’eau. De plus, il oblige à respecter les contraintes réglementaires concernant le rejet.

L’autre option consiste à réaliser un doublet de forage, le second forage permettant de réinjecter l’eau dans sa formation géologique d’origine. Ce système nécessite toutefois une surface au sol importante. L’orientation du doublet par rapport à la direction de l’écoulement de la nappe et la distance entre les deux forages doivent être étudiées avec soin pour éviter les risques d’interférence thermique entre les deux forages. Pour pouvoir déterminer cette distance, des tests doivent être réalisés sur le forage de prélèvement. A défaut, le rejet s’effectue en aval du forage de prélèvement, dans le sens d’écoulement de la nappe, à une distance minimale de15 m.

Bien que peu profond, le forage peut permettre de puiser l’eau à plusieurs centaines de mètres de profondeur. Son diamètre est plus faible que celui d’un puits et ses parois sont généralement protégées par un tubage.

Ce dernier est le plus souvent plein sur une certaine profondeur et prolongé par un tubage perforé, appelé crépine, qui maintient la formation aquifère tout en permettant la circulation de l’eau. Le tubage et la crépine peuvent être fabriqués en divers matériaux : acier, Inox, Cuivre, Bronze, fibre de verre, matériaux de synthèse, etc.

Dimensionnement

La productivité des nappes est très variable. Il convient de consulter un hydrogéologue pour évaluer le potentiel de l’ouvrage, saut si l’aquifère est déjà bien connu.

La réalisation d’un forage et de tests hydrologiques, constitués au minimum d’un pompage d’essai, permettra de dimensionner l’exploitation.

La Géothermie par captage horizontal

Il n’y a aucune réglementation et le terrain nécessaire au fonctionnement du système doit représenter 150 % de la surface à chauffer. Les capteurs doivent être enterrés à une profondeur comprise entre 0.6 à 1.20 m.

La Géothermie par captage par paniers

Il n’y a aucune réglementation et le terrain nécessaire au fonctionnement du système doit représenter 50 % de la surface à chauffer. Les capteurs doivent être enterrés à une profondeur comprise entre 4 m.

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