La géothermie et les pompes à chaleur

 

La température du sous-sol s’élève avec la profondeur. C’est ce qu’on appelle le « gradient géothermique ». En moyenne, on gagne 3 °C de plus tous les 100 m. Ainsi, la température de l’eau située dans une roche-réservoir à 1500 m de profondeur peut atteindre 60 à 70 °C. Le principe de la géothermie consiste à pomper ces eaux chaudes afin de les utiliser pour le chauffage ou, si elles sont suffisamment chaudes, pour produire de l’électricité.

L’énergie géothermique est une énergie renouvelable, à condition de gérer l’extraction de l’eau prudemment, car elle se réchauffe très lentement dans le sous-sol.

Un complexe géothermique comporte deux forages, l’un d’où l’on extrait l’eau chaude et l’autre où on la réinjecte après récupération de la chaleur.

Quand la température de l’eau est comprise entre 30 et 100 °C, on parle de géothermie basse énergie. La profondeur des réservoirs est comprise entre 1000 et 2500 m. L’eau est utilisée pour le chauffage. Mais il y a souvent des problèmes de corrosion.      

Pour une température comprise entre 100 et 180 °C, on parle de géothermie moyenne énergie. Ces eaux proviennent de réservoirs à grande profondeur (2500 à 4000 m) ou bien moins profonds mais dans des régions volcaniques où le gradient géothermique est très fort. On les utilise pour produire de l’électricité.

Quand la température de l’eau est comprise entre 180 et 300 °C, on parle alors de géothermie haute énergie. L’eau est utilisée sous forme de vapeur pour produire de l’électricité. On rencontre de telles températures dans les régions volcaniques (Islande, Philippine, Nouvelle-Zélande … sont des pays qui utilisent abondamment la géothermie haute énergie pour leur production électrique).

Quatre techniques comparées

 

• Captage vertical

 

Avec une emprise au sol négligeable, les capteurs verticaux, ou sondes géothermiques, atteignent une profondeur comprise entre 30 et 200 mètres. Ces capteurs sont constitués d’un tube PEHD en U, scellé dans une carotte de béton. Le recours à ces capteurs dépend de la qualité du sous-sol.

La puissance géothermique d’une sonde varie de 20 W/m pour un sol sableux sec, à au moins 70 W/m pour un solde argileux humide. En habitat collectifs et bâtiment tertiaire, des champs de sonde géothermiques peuvent être préconisés. Il convient de laisser environ 10 m entre chaque sonde, afin de ne pas épuiser la charge thermique du sous-sol.

 

 

• Puits canadien

 

Egalement catalogué dans les solutions de géothermie, le puits canadien ou provençal est une technique permettant de préparer l’air entrant au sein du bâtiment, en le faisant circuler dans un réseau de canalisations enterrés à faible profondeur (2-3 m). Profitant de températures stables du sous-sol 12° C en été, 7° C en hiver), l’air neuf est ainsi rafraîchi ou préchauffé selon la saison. Afin que le transfert thermique s’opère, le débit d’air au sein de la canalisation doit être inférieur à 2,5 m/seconde. La canalisation doit observer une pente de 2 % pour l’évacuation des

condensats en période estivale. (Source : Helios).

 

 

 

• Captage sur eau de nappe

Un puits équipé d’une pompe immergée prélève l’eau de la nappe (à une température de l’ordre de 12° C). Cette eau passe à travers un échangeur faisant l’interface avec la boucle thermodynamique de la PAC. Au sortir de l’échangeur, l’eau de nappe doit être réinjectée ou à défaut, rejetée dans un plan d’eau à proximité.

Appliquée aux maisons individuelles, la géothermie de faible énergie sur capteurs enterrés peut être installée partout, à condition que le sous-sol ne soit ni meuble, ni hydrosoluble, ni sujet à fracturation. La technique consiste à puiser à faible profondeur l’énergie du sous-sol à l’aide d’un échangeur parcouru par un fluide caloporteur (généralement de l’eau contenant du glycol de qualité alimentaire).

• Captage horizontal

Il consiste en un serpentin, parfois en cuivre, plus fréquemment en PEHD, enterré à moins d’un mètre sous terre (entre 0,6 et 1,2 m). Ce type de capteurs est simple à mettre en oeuvre, puisqu’il suffit de déblayer le terrain attenant au bâtiment. A titre indicatif, un sol sableux sec offre une puissance géothermique de 15 W/m2, tandis qu’un sol argileux sec offre 25 W/m2 (ces puissances sot plus élevées lorsque le sol est humide). Du fait de cette contrainte, les capteurs horizontaux sont cantonnés aux maisons individuelles.

 

 

 

 

Les pompes à chaleur

 

Une pompe à chaleur (PAC) est un dispositif thermodynamique qui permet de récupérer la chaleur de ‘environnement extérieur, du sol ou de l’eau présente dans le sous-sol. La pompe à chaleur récupère les calories de cet environnement et les restitue au logement à un coût très économique. Le réfrigérateur est le système de pompe à chaleur le plus connu. L’utilisation de PAC pour le chauffage domestique s’est développé suite au premier choc pétrolier de 1973.

• Principe

 

Dans l’évaporateur, la chaleur prélevée par les capteurs est transférée au fluide frigorigène qui se vaporise. Cette vapeur et compressée et cède sa chaleur dans le condenseur au fluide du circuit de chauffage. Le détendeur permet de régénérer la capacité à capter la chaleur, le cycle pouvant recommencer à l’infini.

• Leur fonctionnement

 

Il existe deux types de pompes à chaleur : le système est appelé monovalent lorsque la chaleur du chauffage est uniquement produite par une pompe à chaleur et bivalent si la pompe à chaleur doit être complétée par une source d’énergie complémentaire, par exemple un chauffage à huile ou au bois.

 

• Les différents systèmes

 

– Le chauffage par pompe à chaleur air / eau

L’air de l’environnement est partout disponible et peut être utilisé sans problème en toute quantité comme source de chaleur, gratuitement et sans autorisation spéciale. Part du marché : en gros 50 %.

 

 

 

 

– Le chauffage par pompe à chaleur sol / eau

 

Il existe des techniques simples permettant d’exploiter l’énergie naturelle stockée dans le sol. On utilise soit une ou plusieurs sondes géothermiques verticales installées à une profondeur de 50 à 350 mètres, soit un capteur horizontal, enterré à une profondeur hors gel qui se situe entre 1 et 1,5 mètre, selon l’altitude, dans un terrain bien exposé au soleil.

En Suisse, la construction de sondes géothermiques besoin d’une autorisation. La part du marché s’élève à environ 45 %.

– Le chauffage par pompe à chaleur eau / eau

 

La température de la nappe phréatique est constante et élevée toute l’année entre (80° C et 120° C). Cette source convient donc parfaitement au chauffage par pompe à chaleur. Il est également possible de capter la chaleur des eaux de surface, telles que lacs, rivières, ruisseaux et eaux usées. Une autorisation est nécessaire pour l’exploitation de pompes à chaleur eau / eau, qui représentent 5 % des parts du marché suisse.

PAC sol/eau

Les échangeurs thermiques, compresseur, condenseur et évaporateur sont installés dans le coffret de la PAC. La figure montre le raccordement des capteurs et des éléments de régulation.

• Efficacité

 

L’efficacité est mesurée d’après le nombre de jours de travail annuel : la chaleur produite est divisée par le courant électrique employé en moyenne durant un an. Ce chiffre dépend fortement du système de distribution de chaleur dans le bâtiment, de la température de la source de chaleur et du comportement de l’utilisateur. Avec l’air comme source de chaleur, on peut atteindre aujourd’hui des valeurs de 2,5 à 3,5. Avec le sol comme source de chaleur, des valeurs de 3,0 à 5,0. En moyenne, on peut atteindre des chiffres de 4,0 (l’air comme source) et de 6,0 (le sol comme source). Sur la base des technologies actuelles, on ne peut presque pas faire d’autres progrès pour l’instant.

• Emploi du courant électrique

 

La pompe à chaleur emploie du courant électrique pour sa propulsion. Ceci peut être du courant écologique certifié, produit par des sources énergétiques renouvelables. Les 120’000 pompes à chaleur, selon SuisseEnergie, revendiqueraient 2,5 % de la consommation électrique annuelle. C’est très peu, comparé aux 250’000 chauffages électriques, installés jusqu’à présent, qui consomment annuellement 11 % d’électricité et même 18 % durant les 6 mois hivernaux.

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