Introduction aux pompes à chaleur géothermique

Introduction aux pompes à chaleur géothermique
Article proposé par Neil Packer, Staffordshire University, Royaume-Uni, avril 2011
Vue d’ensemble
Qu’est-ce qu’une pompe à chaleur ? Ressemble-t-elle en aucune manière à une pompe à eau ?
Oui, d’une certaine façon, mais d’importantes différences existent.
Une pompe à eau est un appareil servant à transporter de l’eau d’un point à un autre.
Une pompe à chaleur est un appareil servant à transporter de l’énergie d’un point (une source de
chaleur thermique) à un autre (un dissipateur thermique), en modifiant l’état (liquide ou gazeux)
et la pression d’une substance intermédiaire de transport de l’énergie.
Pour examiner ces questions, un peu de thermodynamique (ou plus simplement science de la
chaleur) sera nécessaire.
Évaporation et condensation
Abordons tout d’abord la question de l’eau, une substance qui nous est tous familière.
Nous savons que l’eau passe d’un état ou d’une phase liquide à un état ou une phase gazeuse à
une température de 100oC à pression atmosphérique. Nous disons qu’elle s’évapore ou qu’elle
« bout ». Si elle est refroidie à moins de 100oC à pression atmosphérique, elle repasse à l’état de
liquide, sous l’effet de la condensation.
Si nous augmentons la pression ambiante, il sera difficile pour les molécules d’eau de se séparer de
leurs collègues sans énergie supplémentaire et, par voie de conséquence, la température
d’ébullition augmente du fait de l’augmentation de la pression.
À deux fois la pression atmosphérique, par exemple, le point d’ébullition de l’eau se situe à 120oC.
À des niveaux de pression inférieurs à la pression atmosphérique, l’inverse est vrai, et l’eau passera
plus facilement de l’état liquide à l’état gazeux.
À 0,5 fois la pression atmosphérique, l’eau bouillira à 81oC.
Les réfrigérants sont des substances dont le comportement est celui décrit ci-dessus, à cette
différence près qu’à une pression donnée, ils tendent à entrer en ébullition à des températures
nettement moins élevées que l’eau. Un réfrigérant R-134a, à pression atmosphérique, entrera par
exemple à ébullition à -26oC.
Pourquoi s’embêter à porter une substance à température d’évaporation ou de condensation ? Eh
bien par rapport à un transfert d’énergie dû à une simple différence de température, de plus
grandes quantités de chaleur peuvent être absorbées ou rejetées par évaporation et par
condensation, phénomènes à la base du fonctionnement des pompes à chaleurs.
Réfrigérateurs et pompes à chaleurs
Prenez l’exemple d’un réfrigérateur domestique.
Imaginez que vous soyez en possession d’un réfrigérateur neuf et que vous l’allumiez pour la
première fois.
L’énergie de l’air à l’intérieur de l’armoire frigorifique (ou évaporateur), initialement à température
ambiante, est plus que suffisant pour faire « bouillir » le réfrigérant dans le serpentin intégré. Ayant
perdu une partie de son énergie, l’air est légèrement refroidi. (L’air peut se refroidir à tel point que
toute vapeur d’eau pouvant se trouver dans celui-ci non seulement se condense mais gèle,
entraînant le gel de l’armoire frigorifique et la nuisance qui s’ensuit).
La chaleur thermique ainsi extraite devra être rejetée du réfrigérant de sorte qu’elle puisse être
réacheminée jusqu’à l’évaporateur pour un refroidissement continu du contenu de l’armoire
frigorifique à la température de stockage désirée.
Bien que le réfrigérant ait absorbé une importante quantité d’énergie par
évaporation, sa température ne sera pas suffisamment élevée pour
qu’une légère différence de température permette à elle seule que sa
chaleur thermique soit rejetée dans l’air entourant le réfrigérateur. La
réponse à ce problème consiste à augmenter ou à « pomper » la pression
et donc à relever le point d’ébullition du réfrigérant au moyen d’un
compresseur électrique (soit généralement un pot de couleur noire situé
en bas à l’arrière de l’appareil).
Condensateur
Compresseur
À haute pression, et à une température plus élevée, la chaleur du réfrigérant peut maintenant être
aisément rejetée dans l’air environnant, grâce à sa condensation dans le serpentin (ou
condensateur) situé à l’arrière de l’appareil.
Le réfrigérant est alors réacheminé jusqu’à l’armoire frigorifique, de sorte que le processus puisse
être réitéré.
La fonction d’un réfrigérateur domestique est bien entendu de refroidir son contenu. La chaleur
extraite est une nuisance qu’il est nécessaire d’éliminer.
Bien qu’identique pour l’essentiel, un appareil pour lequel le refroidissement de la source thermique
ne constitue qu’une fonction secondaire et l’utilisation de la chaleur extraite est la fonction
première, est appelé une pompe à chaleur.
Les pompes à chaleurs sont donc des appareils qui, en combinant une faible source de chaleur
thermique à une certaine quantité d’énergie électrique, permettent de disposer d’une importante
source thermique.
La performance ou l’efficacité d’une pompe à chaleur est mesurée par son coefficient de
performance (CP), qui est défini comme le rapport entre la quantité de chaleur rejetée au niveau
du condensateur et l’électricité fournie par un compresseur.
Plus la valeur du CP ainsi obtenu est élevée, plus la chaleur obtenue pour l’alimentation électrique
(pour laquelle vous payez) est importante.
Pompes à chaleur géothermique
Les pompes à chaleur géothermique utilisent la terre, l’eau de surface ou l’eau souterraine en tant
que faible source de chaleur pour faire monter la température de l’eau afin de chauffer des pièces
ou de l’eau domestique.
Il est important de noter que ce type de système comporte habituellement trois circuits séparés (voir
le schéma ci-dessous) dans lesquels les flux de matériaux de transport de l’énergie sont amenés à
proximité les uns des autres (via des échangeurs de chaleur), le transfert d’énergie étant ainsi
rendu possible. Les fluides, toutefois, ne se mélangent pas. Les circuits sont les suivants :
Circuit de la source thermique : boucle de conduites antigel assurant la liaison thermique du sol
avec le réfrigérant dans l’évaporateur via un échangeur de chaleur (EHX).
Circuit du réfrigérant : boucle de conduites contenant l’échangeur de chaleur (EHX) de
l’évaporateur, un compresseur, l’échangeur de chaleur du condensateur (CHX) et une soupape de
décompression ou valve d’égalisation (PRV).
Circuit du dissipateur thermique : boucle de conduites de l’eau pompée assurant la liaison
thermique du réfrigérant dans l’échangeur de chaleur du condensateur (CHX) avec la charge
thermique, pour des applications telles que radiateurs, chauffages par la terre, etc.
La représentation ci-dessous, bien que très schématique, décrit très bien ce à quoi ressemble une
pompe, soit un boîtier contenant quatre tuyaux, dont une paire assure la liaison avec le circuit de
terre et l’autre alimente le chauffage du bâtiment.
Circuit de la source de chaleur thermique (vers et depuis la terre)
Il convient tout d’abord de différencier les systèmes à source souterraine et les systèmes
géothermiques.
Les systèmes géothermiques utilisent une chaleur géologique dont la source se trouve très en
profondeur du sol, au niveau de roches dont les températures peuvent atteindre des centaines de
degrés centigrade.
En comparaison, les systèmes à source souterraine consistent généralement à extraire de la
chaleur à des profondeurs de 100 m ou moins, où l’énergie produite est le résultat du stockage de
l’énergie solaire. Les températures varient généralement de 20oC à la surface à environ 10oC à des
profondeurs de plus de 15 m. Une telle source de chaleur, si elle peut ne pas paraître très
prometteuse pour le chauffage de bâtiments, est pourtant exactement le type de source de chaleur
de faible intensité qu’il peut être intéressant d’utiliser pour une pompe à chaleur.
Ainsi qu’il en est question précédemment, l’extraction d’énergie souterraine requerra l’utilisation
d’une boucle de conduites de circuit d’eau pompée/antigel dans le sol. Le chemin de la boucle de
conduites peut être aménagé de deux manières : dans des tranchées ou des puits. Le choix
dépendra de l’état du sol et de la surface disponible.
Des tranchées horizontales sont utilisées lorsqu’une importante surface de sol est disponible et si le
sol peut être enlevé sans difficulté. Les dimensions d’une tranchée horizontale sont généralement
les suivantes : 1 m de largeur sur 1,2 m de profondeur.
Des tranchées verticales peuvent être utilisées en cas d’accès limité et d’absence de blocs rocheux
volumineux.
Des puits seront creusés pour des applications pour lesquelles une surface de sol particulièrement
limitée est disponible, à des profondeurs qui seront généralement comprises entre 60 et 100 m pour
un diamètre compris entre 110 et 150 mm.
La longueur des tranchées ou le nombre de puits dépendra dans tous les cas des caractéristiques
thermiques du sol et de la charge thermique à fournir.
Circuit du dissipateur thermique (depuis et vers le bâtiment)
Les chaudières à combustion fossile permettent généralement de chauffer l’eau à des températures
comprises entre 70 et 80oC.
Les pompes à chaleur géothermique permettent de produire de l’eau chaude à des températures
comprises entre 35 et 50oC.
L’énergie disponible est donc suffisante, en l’occurrence, mais à des températures plus basses. Par
conséquent, si un système de radiateur classique doit être utilisé, une surface d’émission d’énergie
plus importante est requise.
Un système fonctionnant à 50oC nécessitera par exemple une surface de radiateur deux fois plus
importante que pour un fonctionnement à 70oC. À 35oC, une surface quatre à cinq fois supérieure
est requise.
Une solution à ce problème peut être de renoncer à des radiateurs à montage mural, en faveur d’un
chauffage par le sol, auquel cas une importante surface est rendue disponible, un dispositif pour
lequel une faible température de surface fera l’affaire.
Remarque finale
La technologie des pompes à chaleurs n’est pas nouvelle. Son application au chauffage de
bâtiments via le sol en tant que source de chaleur l’est en revanche un peu plus.
Autres lectures et recherches suggérées
Alternative energy systems and applications, BK Hodge, Wiley, 2010, ISBN 978-0-470-14250-9
Ground Source Heat pumps, CORGI publications, 2008.
http://www.heatpumpcentre.org/en/Sidor/default.aspx
http://www.energysavingtrust.org.uk/Generate-your-own-energy/Ground-source-heat-pumps
http://www.gshp.org.uk/gshp.htm
http://www.ehpa.org/
Neil Packer est ingénieur agréé et maître de conférence à la faculté d’informatique, d’ingénierie et de
technologie de l’université de Staffordshire, au Royaume-Uni. Il enseigne l’ingénierie thermique et des fluides
et l’ingénierie environnementale depuis près de 20 ans, mais travaille également en tant que consultant en
sobriété carbone et en tant que prestataire de tout un éventail de services dans le domaine de l’énergie pour
les entreprises et les autorités locales.
Coordonnées :
Faculty of Computing, Engineering and Technology
Staffordshire University
Beaconside, Stafford, ST18 0AD
Tel 01785 353243
Courriel [email protected]
Ce document a été élaboré dans le cadre du Projet de systèmes de transferts d’énergies renouvelables (Renewable
Energies Transfer System Project, RETS) financé par INTERREG IVC via le Fonds européen de développement régional,
dont la durée prévue est de janvier 2010 à décembre 2012. Pour de plus amples informations et pour participer à notre
visite communautaire en ligne, rendez-vous sur http://www.rets-community.eu/