Comment fonctionne une pompe à chaleur géothermique et types de pompes à chaleur géothermiques

L’énergie géothermique a permis à de nombreuses personnes de chauffer leur maison en hiver, de la rafraîchir en été et de fournir de l’eau chaude en abondance tout au long de l’année, tout en réduisant les factures d’électricité jusqu’à 80 %. La question clé est : comment cette énergie abondante peut-elle être exploitée pour assurer la fonction de chauffage et de refroidissement ? La réponse : installer des pompes à chaleur géothermiques.

Les pompes à chaleur géothermiques sont des technologies qui tirent parti de la température presque constante sous la terre (quelle que soit la saison) pour chauffer et refroidir les bâtiments. À quelques pieds sous terre, la terre a une température constante comprise entre 50 et 60 degrés Fahrenheit. La température sous la terre est plus chaude que l’air qui circule au-dessus pendant l’hiver et plus fraîche pendant l’été. La pompe à chaleur géothermique est parfois associée au chauffage solaire pour développer le géosolaire, un système au rendement beaucoup plus élevé. Les pompes à chaleur géothermiques sont connues sous différents noms tels que les systèmes d’énergie du sol, les pompes à chaleur géothermiques, l’échange géothermique et le couplage à la terre. Ces noms dépendent de la région où vous séjournez et du domaine d’études. Les communautés scientifiques et d’ingénierie préfèrent les appeler pompes à chaleur géothermiques et géothermie pour atténuer la confusion avec l’énergie géothermique conventionnelle, qui extrait l’eau chaude à plusieurs pieds de profondeur dans le sol à des fins de production d’électricité.

 

Les pompes à chaleur géothermiques exploitent cette énergie du sous-sol et profitent de cette ressource pour le chauffage et le refroidissement des bâtiments.

Les pompes à chaleur géothermiques (parfois appelées géothermiques, pompes à chaleur à source d’eau) sont utilisées depuis les années 1940. Les pompes à chaleur géothermiques utilisent la chaleur sous la croûte terrestre pour chauffer les maisons et les bureaux en hiver plutôt que la température de l’air extérieur.

Pendant l’hiver, la chaleur sous la terre est utilisée comme moyen de chauffage des maisons, car la chaleur est extraite de l’échangeur de chaleur par le système de pompe à chaleur et elle est pompée dans le système de distribution d’air intérieur.

Pendant l’été, le processus est inversé car la pompe à chaleur déplace la chaleur dans l’échangeur de chaleur à partir de l’air intérieur. La chaleur extraite par la pompe à chaleur peut également être utilisée pour chauffer l’eau, fournissant une source d’eau chaude pendant l’été.

Les trois principales conceptions de centrales utilisant la géothermie comme source d’énergie sont : les centrales à « vapeur sèche », à « vapeur de flash » et à « cycle binaire ».

Comment fonctionne une pompe à chaleur géothermique ?

Le chauffage et le refroidissement sont assurés par un système de pompe à chaleur géothermique, composé de trois parties principales : l’unité de pompe à chaleur, l’échangeur de chaleur au sol et le système de distribution d’air ou les conduits. L’échangeur de chaleur comprend une série de tuyaux appelés boucle, qui est installé à quelques pieds sous la terre à proximité du bâtiment. Un fluide (une combinaison d’eau et d’antigel) circule dans la série de tuyaux pour aspirer ou diffuser la chaleur dans le sol. Le liquide est généralement mélangé avec de l’antigel pour éviter le gel en hiver.

Le fonctionnement d’une pompe à chaleur géothermique a beaucoup en commun avec un réfrigérateur. Un réfrigérateur rend un endroit frais (l’intérieur du réfrigérateur) beaucoup plus frais en transmettant la chaleur à un endroit considérablement chaud (la zone entourant l’intérieur du réfrigérateur), ce qui lui permet de se réchauffer.

En hiver, la pompe à chaleur géothermique extrait la chaleur de l’échangeur de chaleur au sol et la canalise vers le système de transfert d’air du bâtiment, ce qui maintient la maison chaude et confortable. En été, le cycle s’inverse. La pompe à chaleur géothermique extrait la chaleur de l’air à l’intérieur du bâtiment et la transfère dans l’échangeur de chaleur au sol. L’échangeur de chaleur déverse la chaleur dans la terre. La chaleur extraite de l’intérieur du bâtiment en été peut être utilisée pour chauffer l’eau, fournissant ainsi de l’eau chaude gratuite au propriétaire tout au long de l’été.

Les pompes à chaleur géothermiques sont beaucoup plus avantageuses que les systèmes de chauffage et de refroidissement traditionnels car elles puisent la chaleur naturelle et gratuite sous le sol. Ils fonctionnent également avec une efficacité maximale lors du refroidissement de votre maison. Un fonctionnement efficace est bon pour le propriétaire car il économise de l’énergie, de l’argent et minimise la dégradation de l’environnement par la pollution.

Les pompes à chaleur géothermiques permettent non seulement d’économiser de l’énergie et de l’argent, mais contribuent également à réduire la pollution de l’air. Ils sont également plus efficaces dans le refroidissement de la maison.

Types de pompes à chaleur géothermiques

Les systèmes de pompes à chaleur géothermiques se déclinent en 4 types principaux ; systèmes en boucle fermée, systèmes en boucle ouverte, systèmes d’étang ou de lac et systèmes hybrides. Les systèmes en boucle fermée sont subdivisés en deux : horizontaux et verticaux. Regardons-les en détail :

• Systèmes en boucle fermée

Les systèmes en boucle fermée sont constitués de boucles en plastique épais qui permettent au liquide de circuler à travers. Les boucles fermées sont généralement enfouies à quelques pieds sous le sol ou immergées dans un plan d’eau. Le système en boucle fermée se compose d’un échangeur de chaleur, qui coordonne l’échange de chaleur entre le réfrigérant, le fluide et la pompe à chaleur dans la boucle fermée. Le système en boucle fermée est en outre subdivisé en ;

Ces types de systèmes en boucle fermée sont idéaux pour les grandes surfaces de terrain. Ils sont rentables et sont couramment installés dans les zones résidentielles, plus encore pour les nouvelles constructions où un terrain adéquat est disponible. Les systèmes horizontaux en boucle fermée nécessitent des tranchées d’au moins quatre pieds de profondeur. Il existe différentes configurations de boucles fermées horizontales, mais la plus prédominante utilise deux tuyaux. Le premier tuyau est normalement enterré à environ six pieds sous le sol, tandis que l’autre à quatre pieds. Une autre configuration populaire utilise deux tuyaux posés l’un à côté de l’autre, à 5 pieds sous le sol, dans une tranchée de deux pieds de large. Ce type de bouclage permet l’installation de plus de tuyaux à l’intérieur d’une tranchée étroite et plus courte, ce qui minimise considérablement les coûts d’installation et permet une installation horizontale dans des sites qui ne conviennent pas aux applications horizontales traditionnelles.

Les systèmes en boucle fermée verticale sont populaires dans les bureaux, les écoles et les établissements commerciaux où l’espace est assez limité. Essentiellement, la taille du terrain ne permet pas l’installation d’une boucle horizontale. Les boucles fermées verticales sont également appliquées dans les zones où le sol n’est pas assez profond pour creuser des tranchées, et elles sont avantageuses car elles réduisent l’impact sur l’aménagement paysager. Pour ce type de pompe à chaleur géothermique, deux boucles verticales pliées en forme de U sont placées dans de petits trous (quatre pouces de diamètre, 100 à 400 pieds de profondeur et 2 pieds de distance) dans le sol. Ces boucles verticales sont ensuite reliées les unes aux autres à l’aide de boucles horizontales.

• Système d’étang ou de lac

La plupart des propriétés ont un étang ou un lac à proximité. Un système fermé peut être installé sous ce plan d’eau. Des tuyaux enroulés sont installés sous le plan d’eau à au moins huit pieds plus bas pour atténuer la possibilité de gel. Néanmoins, l’étang ou le lac doit répondre à certains critères concernant le volume minimal, la profondeur et les exigences de qualité avant de pouvoir être considéré comme un emplacement de choix pour la pompe à chaleur géothermique.

• Systèmes en boucle ouverte

Ce type de pompe à chaleur géothermique est idéal pour ceux qui disposent d’un approvisionnement suffisant en eau souterraine. Il utilise cette eau souterraine comme échangeur de chaleur souterrain et navigue dans l’ensemble du système. Il est transféré vers le sol par un moyen appelé recharge de surface ou puits de recharge. Lorsque vous cherchez à acheter une pompe à chaleur géothermique à boucle ouverte, assurez-vous d’avoir un approvisionnement en eau souterraine suffisant et propre, car il s’agit d’une exigence du code et de la réglementation locale.

• Systèmes hybrides

Le système hybride est un mélange de pompe à chaleur géothermique et de pompes à chaleur à air pour offrir un système rentable et très efficace. Ils tirent parti du fait que la configuration des charges de chauffage et de refroidissement n’est pas entièrement équilibrée, le refroidissement dictant les procédures à de nombreuses reprises en raison de gains internes. Au lieu d’augmenter la taille de l’échangeur de chaleur pour se conformer à une charge de refroidissement plus élevée, il est remodelé pour se conformer à la charge de chauffage et un rejet de chaleur est intégré au système. Les systèmes hybrides se débarrassent toujours des chaudières et du déploiement des combustibles fossiles, tout en minimisant la surface terrestre et les coûts initiaux nécessaires à la mise en place de l’échangeur de chaleur au sol.

Les avantages des systèmes de pompes à chaleur géothermiques sont écrasants. Pour commencer, ils utilisent une source d’énergie renouvelable, qui est la chaleur produite naturellement sous terre. Cette chaleur n’est pas affectée par les saisons, ce qui signifie qu’elle sera disponible jusqu’à la fin des temps. L’énergie est également verte et propre, ce qui signifie que vous n’aurez pas à vous soucier de la pollution de l’air qui contribue aux maladies respiratoires mortelles. Surtout, les systèmes géothermiques sont particulièrement durables. Ils peuvent durer plus de 50 ans et les boucles sont assorties d’une remarquable garantie de 56 ans. Cette garantie à long terme souligne à elle seule le fait que vous pouvez profiter des avantages de l’énergie géothermique pour le reste de votre vie.

Références : économiseurs d’énergie

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