Chauffage géothermique

Le chauffage géothermique, également connu sous le nom de « chauffage par source terrestre », tire parti de la température constante trouvée sous la surface de la Terre. Alors que les températures de l’air ambiant fluctuent considérablement tout au long de l’année en raison des variations saisonnières, la température du sol sous nos pieds reste relativement stable, se situant autour de 10 à 21^oC (50 à 70^oF) à certaines profondeurs tout au long de l’année.

Le noyau interne de notre Terre est principalement constitué d’une grande sphère métallique solide entourée d’un noyau externe liquide de fer en fusion. La désintégration radioactive de l’uranium et d’autres éléments au sein du noyau est la principale raison de sa température élevée, dépassant 4000^oC (+7000^oF). Cette énorme quantité de chaleur migre lentement à travers les différentes couches (manteau) de la Terre, diminuant en température jusqu’à atteindre la surface terrestre, appelée la croûte, où elle aide à réchauffer le sol et notre planète.

Sans cette source incessante de chaleur qui remonte de l’intérieur des cœurs, la surface de la Terre serait probablement froide et gelée, ne bénéficiant que de la radiation solaire absorbée par la surface et son atmosphère pour nous maintenir au chaud. Par conséquent, en théorie, une énergie thermique gratuite peut être extraite de la croûte terrestre, peu importe à quel point la température ambiante au-dessus du sol est froide.

Un système de chauffage géothermique peut être considéré comme un « système d’énergie renouvelable » et durable, puisque l’énergie thermique extraite du sol est minime par rapport au contenu thermique du noyau central de la Terre.

Comparé à la combustion de sources d’énergie fossiles telles que le propane, le pétrole, le charbon ou le gaz naturel, c’est une source d’énergie propre et respectueuse de l’environnement, avec une utilisation minimale des terres et des besoins en eau douce, l’électricité utilisée pour alimenter les pompes de chaleur géothermiques et le système provenant de sources non renouvelables étant une petite quantité.

La géothermie est très bien adaptée aux systèmes modernes de chauffage et de refroidissement des maisons, et le chauffage géothermique devient une alternative très populaire et rentable aux systèmes de chauffage domestique brûlant du pétrole ou du gaz. Malheureusement, la technologie requise pour extraire la chaleur du sol n’est pas bon marché, mais elle est extrêmement propre et fiable.

Les propriétaires ne sont généralement pas conscients que presque n’importe quel emplacement sous leur maison peut être utilisé comme source de chaleur pendant les mois d’hiver. Cependant, les températures plus proches de la surface terrestre sont plus influencées par les effets du soleil et sa radiation solaire ainsi que par la température ambiante de l’air plutôt que par la chaleur émanant du noyau central de la Terre.

Pompes de chaleur géothermiques

Le principal composant d’un système de chauffage géothermique est la pompe à chaleur, également appelée Pompe à Chaleur Géothermique. Elle tire son nom car elle transfère ou déplace la chaleur du sol vers un espace clos plutôt que de générer de la chaleur par combustion de combustibles fossiles à base de carbone. Ainsi, elle utilise la Terre comme une source de chaleur géante (en hiver) ou comme un puits thermique (en été).

En gros, les Pompes à chaleur par source terrestre (GSHP) sont une unité thermodynamique de chauffage/réfrigération pouvant utiliser le sol, les eaux souterraines ou les eaux de surface comme source de chaleur. Des tuyaux en plastique pour l’eau ou des boucles de sol avec contact thermique direct avec le sol sont connectés à une pompe à chaleur géothermique. Donc, quelle est la profondeur du chauffage géothermique ?

Quelle profondeur pour le chauffage géothermique

En matière de chauffage géothermique, la profondeur est importante, sauf si, bien sûr, vous vivez dans une zone tectoniquement ou volcaniquement active. Pour les exigences de profondeur, il existe deux principales approches d’installation géothermiques: Boucles de sol horizontales et Boucles de sol verticales.

Les boucles de sol sont les tuyaux utilisés pour transporter la chaleur dans un liquide vers et depuis une pompe à chaleur. Elles se composent généralement d’une seule boucle ouverte ou fermée en contact thermique direct avec le sol, placée horizontalement si l’espace le permet, ou verticalement si l’espace est limité. Celle qui est adaptée à votre emplacement déterminera à quelle profondeur les bobines de chauffage géothermique iront.

Boucles de sol horizontales

Tout d’abord, quelle que soit l’installation de boucle de sol adaptée à votre localisation, les boucles de sol remplies d’eau sont presque toujours construites en tuyaux en polyéthylène haute densité noir (poly-pipe), principalement en raison de leur durabilité et de leur résistance à la corrosion causée par l’eau ou les produits chimiques présents dans le sol. Le poly-pipe est également flexible et peut supporter des températures inférieures à zéro sans dommage pour diverses tailles de tuyau allant de 3/4″ à 1 1/2″.

Les boucles de sol horizontales sont les plus courantes pour les installations résidentielles et peuvent être divisées en trois sous-groupes principaux : tuyau unique, plusieurs tuyaux et tuyau enroulé. Ce sont des systèmes de tuyauterie en boucle fermée enfouis sous terre, utilisant un liquide (eau ou une solution eau/éthanol ou eau/glycol (antigel)) comme fluide de travail circulé. Une pompe à chaleur géothermique est directement connectée au tuyau permettant d’absorber la chaleur du sol pendant les périodes froides.

Les boucles de sol horizontales sont généralement déployées dans de longues tranchées étroites enfouies à 2 à 3 mètres (6 à 10 pieds) sous la surface et nécessitent donc le plus d’espace au sol. Mais elles sont moins coûteuses à installer car il vous suffit de creuser une tranchée appropriée.

Plusieurs tuyaux de deux ou quatre boucles individuelles dans une « configuration Slinky » (comme le jouet pour enfants) peuvent être placés dans la même tranchée pour former un motif plat qui se chevauche, mais à une profondeur bien plus grande pour réduire la quantité d’espace au sol requise. Différents degrés de chevauchement des boucles (appelé pitch) peuvent être créés pour augmenter l’efficacité.

Cependant, pour les configurations de tuyaux de type Slinky multiples, le concept de « la profondeur compte » est plus important que vous ne le pensez, car vous pourriez penser qu’il suffit d’une tranchée ou d’une empreinte au sol beaucoup plus petite pour extraire la chaleur. Mais la possibilité d’épuisement thermique une fois enterrée est beaucoup plus élevée pour plusieurs boucles de sol dans la même tranchée. De plus, étant donné qu’il faut plus de tubing par unité de longueur de tranchée ainsi que des connexions de manifolds de circulation et de retour, cela augmente le coût par rapport à une seule boucle de sol pour la même installation.

Boucles de sol verticales

Comme leur nom l’indique, les boucles de sol verticales consistent en une série de longs forages étroits percés verticalement dans le sol. Pour un fonctionnement optimal, la profondeur d’installation doit atteindre une zone où la température du sol reste constante tout au long de l’année, ce qui se situe généralement entre 30 et 120 mètres (100 à 400 pieds).

Dans chaque trou de forage, espacés d’environ 6 mètres (20 pieds), une boucle en U (de circulation et de retour) de poly-pipe est insérée, puis remplie d’eau ou d’un fluide conducteur (une solution eau/antigel). Les forages sont remblayés avec du coulis thermique pour assurer un transfert de chaleur adéquat entre le sol et le tuyau.

Les boucles verticales sont particulièrement utiles dans les zones où l’espace au sol disponible est limité, ou là où la géologie de la région ne permet pas de boucles de sol horizontales plus grandes. L’avantage des boucles de sol verticales est que leur contact plus profond avec le sol permet d’accéder à des températures souterraines plus constantes qui varient peu en température et en propriétés thermiques plus on descend.

Par conséquent, les variations saisonnières des températures du sol diminuent à mesure que la profondeur augmente, contrairement aux conditions plus superficielles des boucles horizontales. Cela conduit à un système de chauffage (et de refroidissement) plus efficace toute l’année.

De plus, puisque les boucles vont droit vers le bas, il y a peu de perturbation du paysage environnant après l’installation. Cependant, les boucles de sol verticales peuvent être plus coûteuses à installer comparées à l’excavation de tranchées horizontales, car le forage de forages verticaux profonds nécessite un équipement spécialisé. Il est évident que la géologie locale et la composition du sol (sols rocheux vs sablonneux, niveaux des eaux souterraines) joueront un rôle important dans la détermination de la facilité et du coût de toute installation, ainsi que des besoins en chauffage/refroidissement des bâtiments.

Les principaux inconvénients des boucles de sol verticales sont qu’à la différence des différentes variations dans les systèmes de boucle de sol horizontale, les systèmes de boucle verticale ont essentiellement une seule configuration. Lorsque plusieurs forages sont nécessaires, il est important que chaque boucle de forage ait la même longueur afin de garantir que le débit, et donc le transfert de chaleur, soit identique pour chaque forage.

Chauffage géothermique de l’étang ou du lac

Si l’installation de boucles de sol horizontales ou verticales n’est pas possible, il pourrait être envisageable d’utiliser un plan d’eau à proximité, tel un étang ou un lac, qui réponde aux exigences de chauffage pour chauffer une maison. Les pompes à chaleur géothermiques peuvent utiliser des bobines placées dans l’eau au lieu du sol.

Le réseau de tuyaux est généralement conduits sous terre de la maison ou du bâtiment jusqu’au plan d’eau et enroulés en cercles de type Slinky à l’intérieur. Bien que l’utilisation d’étangs, de lacs, de puits géothermiques ou d’autres grands plans d’eau soit une alternative moins coûteuse aux boucles de sol, dans les climats froids, les bobines doivent être placées à au moins 2,5 mètres sous la surface pour éviter le gel.

Résumé du tutoriel

En résumé, nous avons vu ici que pour les systèmes de chauffage géothermique résidentiels, nous pouvons utiliser les vastes températures ambiantes disponibles sous terre comme source de chaleur pour le chauffage et/ou le refroidissement efficace de nos maisons. Comme cela ne change pas beaucoup peu importe à quel point il fait chaud ou froid à l’extérieur.

La profondeur pour le chauffage géothermique dépend du type de système installé. Il est clair que vous devez enterrer toute boucle fermée suffisamment profondément pour qu’elle ne soit pas affectée par le gel ou les conditions neigeuses pendant les mois d’hiver. Les boucles de sol géothermiques peuvent être placées horizontalement ou verticalement pour économiser de l’espace.

Comme discuté, une boucle de sol de chauffage géothermique n’est rien de plus qu’un long tuyau en plastique enterré dans le sol à une profondeur où les températures restent constantes toute l’année. Elle est essentiellement utilisée comme échangeur de chaleur, permettant aux pompes à chaleur géothermiques qui y sont connectées d’utiliser la Terre comme source de chaleur constante (ou puits de chaleur).

Ensuite, la profondeur des boucles ou des bobines de chauffage géothermiques peut varier de 2 à 3 mètres (6 à 10 pieds) de profondeur pour des boucles horizontales, ou elle peut s’étendre plusieurs centaines de pieds de profondeur pour des boucles verticales, ce qui peut les rendre plus efficaces. L’inconvénient des boucles de sol horizontales est qu’elles doivent être installées sur une large surface de terre.

Bien que la profondeur de toute boucle de sol requise pour le chauffage d’une maison soit importante, elle n’est généralement pas proportionnelle à la quantité de chaleur qu’elle peut produire. C’est le nombre de boucles de sol ou de bobines qui le détermine. La taille des boucles de sol est basée sur la taille de la pompe à chaleur géothermique (GHP), ainsi que sur la conductivité thermique du sol local (et sur ce qu’il est fait) et les températures ambiantes environnantes tout au long de l’année. Donc, plus les besoins en chauffage et en refroidissement d’une maison augmentent, plus la pompe à chaleur géothermique requise sera grande, et donc plus la boucle de sol ou le nombre de bobines nécessaires par ton de chauffage sera important.

L’énergie géothermique est bénéfique pour l’environnement, et l’installation d’un système de chauffage géothermique pour remplacer un ancien système de combustion de combustible fossile réduira vos émissions de carbone. Le rapport coût-efficacité des systèmes de chauffage et de refroidissement géothermiques continuera d’améliorer à mesure que les pompes à chaleur géothermiques et les technologies s’améliorent et que les prix des combustibles fossiles augmentent. L’énergie géothermique a donc un avenir très prometteur pour le chauffage de nos maisons et de nos bâtiments.

Pour en savoir plus sur la façon dont le chauffage géothermique tire parti des températures constantes de 10 à 21^oC (50 à 70^oF) pour chauffer efficacement nos maisons en hiver et les refroidir en été. Ou pour comprendre à quelle profondeur les boucles de chauffage géothermique doivent être pour être efficaces. Trouvez donc le livre idéal Sur le chauffage géothermique aujourd’hui directement sur Amazon et comprenez comment vous pouvez utiliser ces solutions de chauffage et de refroidissement économiquement efficaces et écoénergétiques chez vous.