Pompes à chaleur géothermiques pour un CVC économe en énergie
La géothermie est-elle vraiment une technologie énergétique renouvelable “verte” qui peut nous aider à réduire notre empreinte carbone et notre impact environnemental, tout en nous permettant d’économiser de l’argent en réduisant nos factures d’énergie ? Les pompes à chaleur géothermiques sont utilisées pour fournir un chauffage et un refroidissement économe en énergie dans votre maison.
Le chauffage et le refroidissement des maisons et espaces en utilisant l’énergie géothermique gagne régulièrement en popularité en tant que source d’énergie renouvelable, car il présente plusieurs avantages clés par rapport aux formes plus conventionnelles de chauffage et de refroidissement. Cette source d’énergie “gratuite” devient rapidement un moyen très efficace de réduire la demande maximale d’énergie et de diminuer notre dépendance aux combustibles fossiles traditionnels.
Presque toute la surface de la Terre est remplie de chaleur, de l’énergie solaire qu’elle reçoit directement du soleil à l’immense chaleur du noyau terrestre qui remonte à travers la croûte jusqu’à la surface. Un système de chauffage, ventilation et climatisation géothermique ou système CVC géothermique utilise l’énergie thermique naturelle stockée sous nos pieds pour fournir le chauffage et/ou le refroidissement à nos maisons et lieux de travail grâce aux pompes à chaleur géothermiques.
Une pompe à chaleur géothermique, également appelée pompe à chaleur de source de terre (GSHP), peut être l’un des moyens les plus rentables et efficaces de chauffer et de refroidir nos maisons ou bâtiments. Les pompes à chaleur sont de simples dispositifs électriques qui peuvent fournir plus d’énergie qu’elles n’en consomment en extrayant l’énergie stockée juste sous la surface de la Terre.
La quantité d’énergie stockée pouvant être extraite de la Terre dépend de votre climat local et des conditions du sol, ainsi que de la superficie disponible, car certaines installations de CVC géothermiques, comme une installation de boucle de terre horizontale par exemple, occupent beaucoup d’espace au sol.
En général, les températures du sol sont plus élevées dans les sols et les zones à forte humidité ou autour des failles et fractures majeures, qui permettent la circulation d’eau froide jusqu’à des profondeurs où elle peut être chauffée par le gradient thermique géothermique normal de la Terre. Cette eau géothermique naturellement chauffée est ensuite renvoyée à la surface sous l’effet de forces naturelles pour former des sources et des bassins géothermiques chauds. Dans chaque cas, à une profondeur de quelques pieds sous la surface, la température du sol varie très peu tout au long de l’année.
Comment les pompes à chaleur géothermiques extraient la chaleur
Un système CVC géothermique fonctionne en utilisant deux types de transfert de chaleur : la convection et la conduction. En mode chauffage, une pompe à chaleur de source de terre à boucle fermée fournit du chauffage en hiver en extrayant la chaleur de l’humidité dans le sol par conduction (portion conductrice) dans un fluide, généralement un antigel, contenu dans un tuyau en polyéthylène haute densité ou polybutylène enfoui, car ce tuyau ne rouille pas, ne pourrit pas et ne se corrode pas, et est inerte aux produits chimiques normalement trouvés dans le sol.
En théorie, la chaleur peut être extraite de n’importe quelle source naturelle, peu importe à quel point la source est froide, mais évidemment une source plus chaude permettra une efficacité énergétique plus élevée et plus efficace. Un échangeur de chaleur liquide-air au sein de l’unité CVC géothermique transfère la chaleur du système au flux d’air chaud (portion de convection) à l’intérieur de la maison ou du bâtiment, remplaçant ainsi les chaudières à air forcé traditionnelles et les systèmes de climatisation centrale.
En mode refroidissement pendant les mois d’été, le processus peut être inversé, de sorte que la pompe à chaleur extrait la chaleur de l’air chaud circulant à l’intérieur de la maison ou du bâtiment (convection) et la transfère de nouveau au sol à l’extérieur (convection). Transférer la chaleur vers un espace plus frais nécessite moins d’énergie, si bien que l’efficacité de refroidissement de la pompe à chaleur géothermique bénéficie des températures du sol plus basses. On peut donc voir qu’un système CVC géothermique utilise la Terre comme source de chaleur en hiver et comme puits de chaleur en été.
Conceptions de boucle pour pompes à chaleur géothermiques
L’installation des conduites thermiques, appelées collecteurs thermiques, dans un système de pompe à chaleur géothermique dépend de l’emplacement et de l’espace terrestre disponible. Il existe plusieurs types de collecteurs thermiques couplés à la terre ou boucles de sol, allant d’horizontaux à verticaux et d’ouverts à fermés, le type le plus courant étant la boucle fermée horizontale, car c’est la boucle au sol la plus facile et la moins chère à installer.
Conceptions de boucle géothermique
La boucle de sol horizontale géothermique est idéale pour ceux qui disposent de suffisamment d’espace, puisque les tuyaux utilisés dans le transfert de chaleur sont étendus, occupant ainsi beaucoup de surface terrestre. Des tranchées sont creusées autour de la maison avec un seul tuyau de transfert de chaleur disposé horizontalement à une profondeur de 3 à 5 pieds (0,9 à 1,5 m).
Les échangeurs de chaleur horizontaux peu profonds subissent des cycles de température saisonniers à mesure que l’énergie solaire incidente varie au cours des saisons, entraînant des gains et des pertes de chaleur vers l’air ambiant au niveau du sol. Ces cycles de température prennent du retard par rapport aux saisons en raison de l’inertie thermique, de sorte que les boucles géothermiques peuvent récupérer la chaleur déposée par le soleil plusieurs mois auparavant.
Le type de boucle horizontale le plus courant est appelé boucle en spirale, du fait de son design en spirale semblable à un slinky où les boucles horizontales fermées ou tuyaux se superposent. L’avantage par rapport à la boucle horizontale droite est qu’elle enroule le tuyau autour de la tranchée, occupant ainsi moins d’espace au sol. Les tranchées pour les bobines en spirale peuvent être trois fois à deux fois plus courtes que les tranchées pour les boucles horizontales traditionnelles.
Le trou de forage vertical, quant à lui, utilise une tranchée beaucoup plus étroite puisque les tuyaux formant le collecteur thermique sont installés verticalement dans le sol. Cette méthode de technologie des pompes à chaleur géothermiques est employée lorsque la superficie disponible est limitée ou lorsque les conditions de sol sont trop peu profondes pour des tranchées. Plusieurs trous sont forés verticalement dans le sol, à environ 10 pieds d’intervalle et jusqu’à 400 ou 500 pieds (120-150 m) de profondeur.
Les tuyaux thermiques sont installés par paires dans chaque trou et sont reliés entre eux par une connexion en forme de U à la base. Les tuyaux verticaux sont ensuite raccordés à un système de collecte horizontal juste à quelques pieds sous la surface. Le trou de forage vertical est ensuite rempli d’un coulis thermiquement amélioré qui entoure, enterre et scelle le tuyau pour fournir une connexion thermique au sol ou à la roche environnants, améliorant ainsi le transfert de chaleur.
Les longueurs de boucles séparées et les sections de tuyaux, qu’elles soient horizontales ou verticales, sont généralement jointes par fusion thermique, qui consiste à chauffer le tuyau et le raccord, puis à les assembler pour former une jointure plus solide que le tuyau original. Cela garantit que la boucle de sol est absolument étanche afin de se protéger contre les fuites et la contamination, car une fois enterrée, toute fuite dans la tuyauterie sera coûteuse à localiser et à réparer.
Une pompe à chaleur géothermique peut vous fournir du chauffage en hiver et du refroidissement en été et utilise moins d’énergie que la plupart des autres systèmes de chauffage et de refroidissement centraux, avec une unité de pompe à chaleur géothermique typique étant 20 % à 40 % plus efficace que les systèmes de climatisation conventionnels.
Cependant, elles ne sont pas bon marché à acheter ou à installer. Les trois principales parties d’un système de CVC à énergie géothermique sont l’unité de pompe à chaleur, le milieu d’échange thermique liquide (boucle ouverte ou fermée) et le système de distribution d’air (réseau de conduits). Les composants principaux des pompes à chaleur comprennent le compresseur, l’échangeur de chaleur, la bobine d’air, le moteur de soufflage et les commandes électriques.
Les pompes à chaleur et systèmes géothermiques couplés à la terre peuvent fournir un chauffage ou un refroidissement constant et uniforme à une température et une humidité optimales. Ils fonctionnent bien avec des systèmes de ventilation ou avec des chauffages radiants qui circulent de l’eau chaude sous les planchers, produisant une chaleur efficace et sans allergènes.
Cependant, ces systèmes très efficaces et fiables doivent être conçus et installés par des professionnels. Il n’est pas recommandé de réaliser ce projet en bricolage car ces systèmes doivent répondre à des exigences spécifiques. En particulier, la tuyauterie posée dans le sol, ou jusqu’à la nappe phréatique, doit être conçue et installée correctement pour garantir que votre système de pompe à chaleur géothermique fonctionne comme prévu.
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