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 100 o C à pression atmosphérique. Nous disons qu elle s évapore ou qu elle «bout». Si elle est refroidie à moins de 100 o C 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 120 o C. 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 81 o C. 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 -26 o C. 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 20 o C à la surface à environ 10 o C 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 80 o C. Les pompes à chaleur géothermique permettent de produire de l eau chaude à des températures comprises entre 35 et 50 o C. 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 50 o C nécessitera par exemple une surface de radiateur deux fois plus importante que pour un fonctionnement à 70 o C. À 35 o C, 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 n.packer@staffs.ac.uk 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/