Pompe à chaleur - Géothermie

Types de géothermie

2010-09-09T18:13:50Z

Géothermie avec capteurs au sol

Solution de chauffage adaptée au pavillon disposant d'un bout de terrain ou de jardin. Celui-ci étant utilisé pour la mise en place de capteurs géothermiques enterrés entre 0.6 m et 1.2 m de profondeur. Pour donner un premier repère, la surface de terrain à consacrer est d'environ 1,5 fois la surface à chauffer.

Géothermie avec capteurs verticaux

Solution de chauffage plus adaptée à une surface de terrain moindre. Les sondes verticales sont constituées de tubes en forme de U et introduite dans des puits. Le COP annuel est très bon de l'ordre de 4. A partir d'une profondeur de l'ordre de 15 mètres, le sol a une température relativement constante durant l'année. L'installation étant soumise, selon la région, à déclaration ou à autorisation préalable Il est important de contacter la Direction Régionale de l'Industrie, de la Recherche et de l'Environnement (D.R.I.R.E.) ou la préfecture.

Géothermie sur nappe phréatique

C'est une solution de chauffage donnant le meilleur Cop annuel. La captation et le rejet d'eau de nappe doit s'effectuer avec soin et de vérifier auparavant tous les paramètres de faisabilité afin que le captage et le rejet d'eau soient compatibles avec la qualité et les niveaux d'eau de la nappe. L'installation étant soumise, selon la région, à déclaration ou à autorisation préalable Il est important de contacter la Direction Régionale de l'Industrie, de la Recherche et de l'Environnement (D.R.I.R.E.) ou la préfecture. C'est une solution d'une très bonne efficacité énergétique surtout quant elle est utilisée simultanément pour le chauffage et le refroidissement de locaux tertiaire (bureaux par exemple)

Chauffage et climatisation

2010-09-09T18:13:50Z

La pompe à chaleur peut assurer plusieurs fonctions : le chauffage des locaux, la climatisation (ou rafraichissement) et la production d'eau chaude sanitaire.

Fonctionnant sur le principe du cycle thermodynamique, la chaleur est évacuée et récupérée pour le chauffage, et ce au condenseur de la pompe à chaleur. Côté évaporateur si la chaleur du milieu est captée, ce même milieu est refroidi. La pompe à chaleur fonctionne comme une machine frigorifique, côté condenseur elle évacue la chaleur, côté évaporateur elle évacue le froid.

Certaines applications notamment dans le tertiaire et avec des pompes à chaleur eau / eau permettent ainsi de récupérer l'eau chaude et l'eau glacée en même temps. Cas des locaux à chauffer et à climatiser en même temps.

Recommandation : lire l'article sur les pompes à chaleur sur eau de mer

Le COP global annuel

2010-09-09T18:13:50Z

Le COP est le coefficient de performance ou le rendement d'une pompe à chaleur. C'est le rapport entre la puissance thermique de chauffage et sa consommation électrique.

Le COP peut aller jusqu'à 5 sur les types de pompe à chaleur géothermique. Cela signifie que pour 1 kW d'électricité consommée, l'énergie de chauffage sera de 5 kW de chaleur. Les systèmes les plus performants ont des COP de 6, avec des pompes à chaleur eau/eau. Les pompes à chaleur air-air ou PAC air/air ou PAC air/eau sont moins performants, et délivrent des COP variant de 2 à 3.5.

Le COP est dépend de plusieurs paramètres notamment des températures de fonctionnement .Il y a donc différentes définitions des différents COP : En terme de performance énergétique, les types de COP sont à distinguer en matière de pompe à chaleur.

Le COP machine qui représente l'énergie de chauffage produite par la PAC sur l'énergie électrique absorbée par la PAC par le compresseur et les auxiliaires non permanents. Le COP machine étant définit suivant la NF EN 14511 avec des valeurs T extérieure de +7° et température d'eau chaude de +35°.

Le COP système de chauffage qui représente l'énergie de chauffage fournie par la PAC/ énergie électrique consommée par la PAC, + les auxiliaires permanents + l'appoint électrique (en énergie directe ou en dégivrage hiver)

Le COP annuel qui représente la valeur en terme d'intégrale moyenne du COP système de chauffage durant toute la saison de chauffe, ou durant toute l'année (si production d'ECS et/ou PAC piscine)

Définition des auxiliaires : ils représentent tous les éléments de la pompe à chaleur consommant de l'énergie électrique autres que le compresseur, soit ventilateurs, pompes, et autres équipements électriques permettant la fourniture de chaleur utile. On distingue les auxiliaires non permanents, les auxiliaires dont le fonctionnement est asservi à celui de la pompe à chaleur, exemple résistance de dégivrage, ou autres ventilateurs et pompes internes à la pompe à chaleur, et les auxiliaires permanents, ce sont ceux qui fonctionnent en continu pendant la saison de chauffe, indépendamment du compresseur comme les circulateurs chauffage et les régulations consommant de l'énergie électrique

Pompe à chaleur haute température

2010-09-09T18:13:50Z

C'est une pompe à chaleur qui peut produire de l'eau chaude à des températures de l'ordre de 65°C. Soit un matériel PAC orienté vers les opérations de rénovation surtout dans l'existant en remplacement de vieilles chaudières fioul ou gaz. Un avantage également pour la production d'ECS : dans le neuf comme dans la rénovation, produire de l'eau chaude sanitaire à 55°C est un besoin important sur le plan de la santé et de la prévention contre les risques de légionellose. Les pompes à chaleur classiques sont souvent limitées à une température d'eau chaude de 40 ou 45°C.

Fonctionnement de la pompe à chaleur haute température : selon le cycle de Carnot, après le condenseur, une petite quantité du liquide frigorigène est prélevée. Détendue séparément, elle devient vapeur et est injectée pendant la phase de compression. C'est le phénomène « EVI », d'injection de vapeur intermédiaire. La vapeur ainsi obtenue rafraîchit le compresseur et augmente la pression de condensation et la quantité de chaleur dans le condenseur sans utiliser d'énergie supplémentaire. Cette augmentation de la température de l'eau s'effectue schématiquement avec injection de gaz et une « deuxième compression. Il en résulte un rendement COP meilleur de l'ordre de 20% par rapport une pompe à chaleur basse température, mais attention ce Cop reste toujours peu élevé par températures extérieures négatives (cas de pompes à chaleur aérothermiques).

Même en rénovation, et surtout en régions froides, il sera recommandé de conserver son ancienne chaudière, si ce n'est à titre de secours, mais d'appoint pour un fonctionnement pendant les 10 à 20 jours les plus froids. Cas de la pompe à chaleur en relève de chaudière

Pompe à chaleur en relève de chaudière

2010-09-09T18:13:50Z

Rappelons que le rendement COP annuel est la valeur intégrée et moyenne du COP système durant toute la saison de chauffe voire toute l'année dans le cas de géothermie avec production d'eau chaude sanitaire voire de réchauffage d'eau chaude de piscine.

L'avantage de la pompe à chaleur en relève de chaudière est beaucoup plus marqué en aérothermie qu'en géothermie car le milieu extérieur où est puisée l'énergie n'est pas à température négative.

Dans le cas de la pompe à chaleur géothermique, el rendement global sera optimisé si la PAC fonctionne quand son COP intéressant (admettons au dessus de +5°C). En deçà c'est la chaudière qui prend le relai et assure de l'eau chaude à plus haute température comme le demande la régulation.

Pompe à chaleur gaz

2010-09-09T18:13:50Z

La pompe à chaleur gaz permet des rendements élevés avec l'énergie gaz ainsi qu'un faible taux d'émission de GES, soit une solution avantageuse pour la réalisation de bâtiments BBC.

La pompe à chaleur à gaz fonctionne sur le principe de l'absorption. Le chauffage direct au gaz permet le transfert de chaleur d'une source froide vers une source chaude via un fluide frigorigène, comme toute pompe à chaleur. La différence est que le cycle n'est pas à compression mécanique comme pour la pompe à chaleur électrique, mais de type thermochimique. Le fluide frigorigène est tout d'abord un fluide composé d'un mélange eau/ammoniac, sans impact sur l'effet de serre. et le compresseur est si l'on peut dire remplacé par un brûleur gaz identique à une chaudière.

Si d'un côté pour la pompe à chaleur électrique le COP machine peut être de l'ordre de 3 voire plus dans des conditions nominales qui sont souvent favorables - exemple température extérieure de +7° pour les pompes à chaleur aérothermie - ce coefficient de performance chute quand la température extérieure est la plus basse pour atteindre dans certains cas 2 voire moins. C'est la prochaine problématique qui viendra nécessairement et prochainement classer les pompes à chaleur électriques et qui conduira à une notion de COP saisonnier ou de COP global, car seule compte la performance énergétique annuelle en kWh/an !

La pompe à chaleur gaz ne souffre pas de cet inconvénient. Elle délivre des performances constantes même par température extérieures basses

Pompe à chaleur à moteur gaz : principe pompe à chaleur électrique

La pompe à chaleur développée ci-dessus dite à absorption gaz fonctionne sur la base d'un cycle thermochimique. Elle ne doit pas être confondue avec la pompe à chaleur à moteur gaz qui fonctionne comme une pompe à chaleur électrique avec compresseur, si ce n'est que c'est le gaz qui, comme pour l'électricité, fait « tourner » le compresseur. Avec la pompe à chaleur à moteur à gaz, seule une part de l'énergie entrante est réellement utilisée dans le circuit ; le reste part en rejets thermiques. C'est pourquoi on ne parle pas de coefficient de performance mais d'indice de chaleur.

Dimensionner un forage géothermique

2010-09-09T18:13:50Z

Le forage géothermique est essentiel car il récupérera l'énergie gratuite du sol pendant toute l adurée de vie de l'installation. Il n'y aura aucun entretien d'où les précautions à prendre lors du dimensionnement et de la mise en œuvre.

Calcul de la profondeur forage : Ce calcul dépend de la qualité dissipative du sol. Si le condenseur de la pompe à chaleur restitue la chaleur dans la construction, c'est l'évaporateur de la pompe à chaleur qui restitue les frigories dans le sol.

En moyenne, dans un terrain moyen, nous obtenons une extraction de chaleur spécifique de 50 W/ml de forage sur sonde géothermique, pour 1800 heures/an. L'extraction de chaleur spécifique en Watt/ml dépend dutype de sol, pauvre ou riche en sédiments, calcaire, grès, terre argileuse, humide, ...

Les valeurs varient par exemple :

30 W / ml pour les sols secs (sable, graviers, galets, cailloux, …)

50 W / ml pour les sols bien humides (argile, …)

70 W / ml pour les roches (calcaire, granit, …)

Calcul de la longueur du capteur

Puissance frigorifique à l'évaporateur = Puissance calorifique au condenseur – Puissance électrique du compresseur

Profondeur de forage sur sonde géothermique (en ml) = Puissance froid (en W) / W extraits du sol au ml

Exemple d'une maison avec 10 kW de besoins de chauffage

Si les besoins de chauffage assuré par la pompe à chaleur sont de 10 kW, avec un COP de 3, nous avons :

P froid = 10 – 10/3 = 6,67 kW à récupérer avec le capteur géothermique

Calcul de la profondeur du forage en ml = 6670 W / 50 = 133 ml (sol bien humide)

Attention : Tout forage d'une profondeur de plus de 10 m et d'au plus 100 m doit faire l'objet d'une simple déclaration préalable à la DRIRE de la région ou du département. Donc nous choisirons deux forage de 70 ml (distants de 10 ml)

Chauffe-eau thermodynamique

2010-09-09T18:13:50Z

Le chauffe-eau thermodynamique associe une pompe à chaleur et un ballon de 200 ou 250 litres. Il utilise les calories contenues dans l'air pour chauffer l'eau du ballon.
Le chauffe-eau thermodynamique utilise une pompe à chaleur par des températures d'air allant de -5°C à +35°C. La résistance électrique ne prend donc le relais que très rarement.

Son efficacité énergétique est mesurée par le coefficient de performance (COP). Il traduit le rapport entre la quantité de chaleur produite gratuitement et l'énergie électrique consommée. Plus le COP est élevé, plus le chauffe-eau thermodynamique est performant.

Les chauffe-eau performants affichent un COP de 3,7 ce qui signifie qu'avec 1 kW d'électricité consommée, il produit 3,7 kW d'énergie pour chauffer votre eau.

Le chauffe-eau thermodynamique est aussi facile à installer qu'un chauffe-eau électrique. A l'aide d'un câble de 3 mètres préinstallé, il peut se brancher aisément. De plus, son raccordement électrique est tellement simplifié qu'il permet de se brancher au contacteur jour/nuit sans modifier le tableau électrique.

Enfin, son temps de chauffe est optimal puisque 4 heures suffisent pour garantir de l'eau chaude en quantité.

Il bénéficie selon la loi de finance 2010 d'un Crédit d'impôt de 40%

Le puits canadien

2010-09-09T18:13:50Z

L'échangeur d'air géothermique, appelé également puits canadien ou puits provençal, est composé d'un ou de plusieurs tubes horizontaux placés sous terre et par lesquels circule l'air destiné à la ventilation des bâtiments.

Il utilise l'inertie thermique du sol, à savoir sa particularité à maintenir à une certaine profondeur une température constante, pour rafraîchir ou préchauffer l'air entrant dans le bâtiment.

En hiver, dans le cas d'une température extérieure de -7 °C, l'air neuf sera introduit dans le bâtiment à une température supérieure à 0 °C.

En été, si le bâtiment est bien protégé contre les apports solaires et sous réserve des charges internes, la ventilation suffira à maintenir une température ambiante de 25 °C pour une température extérieure de 30 °C.

En demi-saison, lorsque la température extérieure est comprise entre 10 et 20 °C, le puits canadien sera by-passé partiellement.

> Recommandé : lire le dossier de savoir-faire « puits canadiens »

Pompe à chaleur et fonctionnement

2010-09-09T18:13:49Z

La pompe à chaleur fonction sur le principe du cycle thermodynamique récupérant la chaleur d'une source chaude. Celle-ci pouvant être une eau de nappe phréatique, on parle alors d'aquathermie, pouvant être de l'air, on parle d'aérothermie, ou la chaleur du sol, soit la géothermie. La température au niveau du sol en profondeur de l'ordre d'un mètre est relativement constante en France et est en moyenne de 12°C, ceci en première approximation. Plus nous descendons dans le sous-sol, celle-ci augmente en moyenne de 4°C tous les 100 mètres, c'est ce qui est appelé le gradient géothermal. La pompe à chaleur ou PAC récupère la chaleur de la terre, renouvelée par les éléments naturels que sont la pluie, le soleil et le vent, et peut couvrir ainsi les besoins en chauffage et en eau chaude sanitaire (ECS)

L'énergie est puisée dans les nappes d'eaux souterraines est également à des températures relativement constantes autour de 14°C. Ces températures de 12° ou de 14°C sont potentiellement élevées par rapport au zéro absolu et peuvent transmettre de l'énergie qui sera captée par un évaporateur pour être relevée via un COP (coefficient de performance) et transmise à un condenseur à des fins de chauffage

Repères 1 - Les calories sont puisées dans le sol 2 – Pompe à chaleur 3 - Restitution des calories pour le chauffage