Pompe à chaleur géothermique

Les pompes à chaleur géothermiques (PCG), parfois appelées pompes à chaleur géothermiques, pompes à chaleur couplées au sol, pompes à chaleur géothermiques ou pompes à chaleur à eau, sont utilisées depuis la fin des années 1940. Elles utilisent la température relativement constante de la terre comme moyen d'échange au lieu de la température de l'air extérieur. 

Bien que de nombreuses régions du pays connaissent des températures saisonnières extrêmes, allant d'une chaleur torride en été à un froid glacial en hiver, le sol reste à une température relativement constante à quelques pieds sous la surface de la terre. Selon la latitude, la température du sol varie entre 7°C (45°F) et 21°C (75°F). Comme dans une grotte, cette température du sol est plus chaude que l'air au-dessus d'elle pendant l'hiver et plus fraîche que l'air en été. La BPE profite de ces températures plus favorables pour devenir très efficace en échangeant de la chaleur avec la terre par le biais d'un échangeur de chaleur souterrain.

Comme toute pompe à chaleur, les pompes à chaleur géothermiques et à eau sont capables de chauffer, de refroidir et, si elles sont équipées, d'alimenter la maison en eau chaude. Certains modèles de systèmes géothermiques sont disponibles avec des compresseurs à deux vitesses et des ventilateurs variables pour plus de confort et d'économies d'énergie. Par rapport aux pompes à chaleur à air, elles sont plus silencieuses, durent plus longtemps, nécessitent peu d'entretien et ne dépendent pas de la température de l'air extérieur.

Une pompe à chaleur bi-source combine une pompe à chaleur à air avec une pompe à chaleur géothermique. Ces appareils combinent le meilleur des deux systèmes. Les pompes à chaleur bi-source ont un rendement plus élevé que les unités à air, mais ne sont pas aussi efficaces que les unités géothermiques. Le principal avantage des systèmes à double source est qu'ils coûtent beaucoup moins cher à installer qu'une seule unité géothermique et qu'ils fonctionnent presque aussi bien.

Même si le prix d'installation d'un système géothermique peut être plusieurs fois supérieur à celui d'un système à air de même capacité de chauffage et de refroidissement, les coûts supplémentaires peuvent être remboursés en économies d'énergie en 5 à 10 ans, selon le coût de l'énergie et les incitations disponibles dans votre région. La durée de vie du système est estimée à 24 ans pour les composants intérieurs et à plus de 50 ans pour la boucle souterraine. Environ 50 000 pompes à chaleur géothermiques sont installées chaque année aux États-Unis. Pour plus d'informations, visitez le site de l'International Ground Source Heat Pump Association.

Types de systèmes de pompes à chaleur géothermiques

Il existe quatre types fondamentaux de systèmes à boucle souterraine. Trois d'entre eux - horizontal, vertical et étang/lac - sont des systèmes à boucle fermée. Le quatrième type de système est l'option à boucle ouverte. Plusieurs facteurs tels que le climat, les conditions du sol, le terrain disponible et les coûts d'installation locaux déterminent le système le mieux adapté au site. Toutes ces approches peuvent être utilisées pour des applications dans des bâtiments résidentiels et commerciaux.

Systèmes à circuit fermé

La plupart des pompes à chaleur géothermiques à circuit fermé font circuler une solution antigel dans un circuit fermé - généralement constitué d'un tube de type plastique haute densité - qui est enterré dans le sol ou immergé dans l'eau. Un échangeur de chaleur transfère la chaleur entre le réfrigérant de la pompe à chaleur et la solution antigel dans la boucle fermée. 

Un type de système en boucle fermée, appelé échange direct, n'utilise pas d'échangeur de chaleur mais pompe le réfrigérant dans des tubes en cuivre enfouis dans le sol, en configuration horizontale ou verticale. Les systèmes à échange direct nécessitent un plus gros compresseur et fonctionnent mieux dans les sols humides (nécessitant parfois une irrigation supplémentaire pour maintenir le sol humide), mais vous devez éviter de les installer dans des sols corrosifs pour les tubes en cuivre. Comme ces systèmes font circuler le réfrigérant dans le sol, les réglementations environnementales locales peuvent interdire leur utilisation dans certains endroits.

Horizontal

Ce type d'installation est généralement le plus rentable pour les installations résidentielles, notamment pour les nouvelles constructions lorsque le terrain est suffisant. Il nécessite des tranchées d'au moins quatre pieds de profondeur. Les dispositions les plus courantes utilisent soit deux tuyaux, l'un enterré à six pieds, et l'autre à quatre pieds, soit deux tuyaux placés côte à côte à cinq pieds dans le sol dans une tranchée de deux pieds de large. La méthode Slinky™ de bouclage des tuyaux permet de placer davantage de tuyaux dans une tranchée plus courte, ce qui réduit les coûts d'installation et rend possible une installation horizontale dans des zones où elle ne le serait pas avec des applications horizontales classiques.

Vertical

Les grands bâtiments commerciaux et les écoles utilisent souvent des systèmes verticaux car la surface de terrain requise pour les boucles horizontales serait prohibitive. Les boucles verticales sont également utilisées lorsque le sol est trop peu profond pour permettre le creusement de tranchées, et elles minimisent la perturbation de l'aménagement paysager existant. Pour un système vertical, des trous (d'environ quatre pouces de diamètre) sont percés à environ 20 pieds d'intervalle et à une profondeur de 100 à 400 pieds. Deux tuyaux, reliés au fond par un coude en U pour former une boucle, sont insérés dans le trou et jointoyés pour améliorer la performance. Les boucles verticales sont reliées à un tuyau horizontal (c'est-à-dire un collecteur), placé dans des tranchées et relié à la pompe à chaleur du bâtiment.

Étang/lac

Si le site dispose d'un plan d'eau adéquat, cette option peut être la plus économique. Un tuyau d'alimentation est enfoui sous terre entre le bâtiment et l'eau et enroulé en cercle à au moins huit pieds sous la surface pour éviter le gel. Les serpentins ne doivent être placés que dans une source d'eau qui répond aux exigences minimales de volume, de profondeur et de qualité.

Système à boucle ouverte

Ce type de système utilise l'eau d'un puits ou d'un corps de surface comme fluide d'échange thermique qui circule directement dans le système de BPE. Une fois qu'elle a circulé dans le système, l'eau retourne dans le sol par le puits, un puits de recharge ou une décharge de surface. Cette option n'est évidemment pratique que là où il existe un approvisionnement adéquat en eau relativement propre, et où tous les codes et règlements locaux concernant l'évacuation des eaux souterraines sont respectés.

Systèmes hybrides

Les systèmes hybrides utilisant plusieurs ressources géothermiques différentes, ou une combinaison d'une ressource géothermique et d'air extérieur (c'est-à-dire une tour de refroidissement), constituent une autre option technologique. Les approches hybrides sont particulièrement efficaces lorsque les besoins en refroidissement sont nettement supérieurs aux besoins en chauffage. Lorsque la géologie locale le permet, le " puits à colonne debout " est une autre option. Dans cette variante d'un système en boucle ouverte, un ou plusieurs puits verticaux profonds sont forés. L'eau est prélevée au bas d'une colonne verticale et renvoyée au sommet. Pendant les périodes de pointe de chauffage et de refroidissement, le système peut purger une partie de l'eau de retour plutôt que de la réinjecter entièrement, ce qui provoque un apport d'eau dans la colonne à partir de l'aquifère environnant. Le cycle de purge refroidit la colonne pendant le rejet de chaleur, la réchauffe pendant l'extraction de chaleur et réduit la profondeur de forage requise.