PRINCIPE DE LA POMPE A CHALEUR GEOTHERMIQUE

Les systèmes géothermiques utilisent la chaleur de la terre. Il existe deux sortes: la géothermie profonde et peu profonde.

On parle de géothermie profonde quand la chaleur de la terre est extraite à une profondeur qui excède 500 m. Par exemple, des applications vont jusqu'à une profondeur de 2.500 m et plus. L'eau souterraine qui est pompée vers le haut depuis cette profondeur peut être utilisée directement pour le chauffage ou la production d'électricité.

Dans cet article, nous approfondissons la géothermie peu profonde (jusqu'à 500 m
le plus souvent jusqu'à 100 à 150 m de profondeur dans la pratique). Dans la géothermie peu profonde, on ne peut pas extraire une chaleur pouvant être utilisée directement pour le chauffage. On doit valoriser la chaleur gagnée à l'aide d'une pompe à chaleur géothermique, aussi appelée pompe à chaleur sol-eau. L'installation est composée de trois éléments, à savoir la source de chaleur (le réseau de captation/les sondes de sol), la pompe à chaleur et le système de chauffage.

Captation

Le réseau de chaleur est constitué de tubes PE posés en boucles. Dans ces boucles s'écoule un liquide caloporteur qui absorbe la chaleur du sol. Avant il s'agissait surtout d'un mélange eau-glycol mais à l'heure actuelle, il existe aussi des alternatives sur le marché, comme des dérivés de betteraves et le (bio)éthanol. L'important est que le liquide caloporteur protège contre le risque de gel mais protège aussi contre la contamination bactérienne et la corrosion. Il existe deux sortes de captation: horizontale et verticale.

• Les systèmes de captation horizontaux sont constitués de boucles situées sous le niveau du sol. La température à une telle profondeur minime varie entre 4 °C en 17 °C. Le sol agit plutôt comme collecteur solaire et est fortement influencé par les conditions climatiques extrêmes. L'avantage est que la température du sol se régénère plus vite dans les entre-saisons (la pluie assure aussi la régénération du sol). Un système horizontal est moitié moins cher qu'un système vertical. Mais il faut une grande surface disponible en fonction de la charge thermique du bâtiment et des propriétés du sol, la superficie de sol requise pour le système horizontal peut être égale à deux fois la superficie au sol du bâtiment ou plus.

• Sur les systèmes de captation verticaux, on réalise des trous de forage jusqu'à une profondeur de 100 à 120 m/150 m, et on y descend les boucles, puis les forages sont remplis de coulis, une sorte de mélange de béton conducteur de chaleur qui veille à ce que des veinules d'eau perforées n'entrent pas en contact l'une avec l'autre. En Belgique, il règne une température d'équilibre de 10 °C à 12 °C à partir de 18 m de profondeur. Le grand avantage de la pompe à chaleur est que la chaleur extraite du sol est assez stable tout au long de l'année, aussi en hiver. La pompe à chaleur ne souffre donc pas des fluctuations de température (comme les pompes à chaleur air-eau), et atteint un rendement annuel supérieur. Il faut également moins de superficie que sur les systèmes horizontaux.

Les conduites d'amenée et retour sont collectées et logées dans le local technique de l'habitation ou du bâtiment. L'amenée et le retour sont directement raccordés à la pompe à chaleur. Sur la conduite d'amenée se trouve un vase d'expansion. Un circulateur intégré dans la plupart des pompes à chaleur, envoie le liquide (p.e. mélange eau-glycol) dans le système de captation et pompe le réfrigérant par-delà l'évaporateur de la pompe à chaleur.

La pompe à chaleur

Via l'évaporateur de la pompe à chaleur, le mélange eau-glycol des tubes PE transmet sa chaleur au réfrigérant du circuit de pompe à chaleur. La chaleur du mélange eau-glycol fait s'évaporer le réfrigérant, puis un compresseur comprime le réfrigérant gazeux. La compression fait grimper la température du réfrigérant gazeux. Dans le condenseur, le réfrigérant gazeux restitue sa chaleur au circuit du système d'émission (chauffage/ballon) et se condense à nouveau en un liquide. Le compresseur envoie le réfrigérant dans le circuit de pompe à chaleur.

Le système d'émission

Une pompe à chaleur atteint les plus grandes prestations quand la différence de température entre la source de chaleur (dans ce cas-ci la température du sol) et la température d'émission souhaitée est la plus petite possible. En ce sens, les systèmes d'émission de chaleur qui travaillent à basse ou très basse température sont préférés. Les pompes à chaleur géothermiques sont dès lors intéressantes si elles sont combinées avec un système de chauffage par les plafonds, les murs et le sol/activation du noyau de béton, en guise de chauffage principal, agissant avec des températures de départ entre 30-35/40 °C. Dans bien des cas, les pompes à chaleur sont aussi utilisées pour la préparation d'eau chaude sanitaire. La production d'eau chaude sanitaire diminue bel et bien les prestations car elle exige des températures d'émission plus élevées. Néanmoins, l'eau chaude sanitaire dans une nouvelle habitation actuelle ne représente qu'une petite partie de la consommation totale (environ 3.000 kWh thermiquement) en comparaison du chauffage (10.000 à 15.000 kWh thermiquement).

La régulation de chauffe

Une ligne de chauffe en fonction du temps détermine la température de départ souhaitée de l'eau de chauffage sur base des températures intérieure et extérieure mesurées. Il est important de garder la température de départ la plus basse possible, de telle sorte que la différence entre la température de chauffage et la température source est limitée au maximum et que la pompe à chaleur preste au mieux. Il est aussi important de prendre en compte la lenteur du système d'émission en réglant quelques paramètres de réglage à l'aide de quelques directives de base, comme un temps de démarrage et d'arrêt optimal. Eventuellement, on peut ensuite légèrement modifier le programme horaire. La surveillance a posteriori est conseillée. Ceci est possible par le placement d'un compteur de kWh électrique sur l'alimentation de la pompe à chaleur et d'un calorimètre entre la pompe à chaleur et le système d'émission. De cette manière, la consommation réelle peut être comparée à la consommation calculée et le réglage peut être ajusté si nécessaire.