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Géothermie et pompe à chaleur "sol/eau"

 

 

Géothermie et pompe à chaleur (PAC) "sol/eau"

La géothermie se réfère à la température du sous-sol. Plus on descend profondément vers le centre de la Terre, plus la température s'élève. À 100 mètres de profondeur, elle est – toute l'année – à environ 10°C. À 300 mètres, elle atteint environ 20°C. Vers 400 mètres, elle est suffisante pour chauffer directement un bâtiment, sans pompe à chaleur. Et vers 5000 mètres, elle permet de produire de la vapeur sous pression pour générer de l'électricité avec une turbine. Ce sont là des ordres de grandeur: la température atteinte, et la quantité de chaleur qu'on peut soutirer, dépendent de la nature géologique du terrain et de la présence d'eau.

Pompe à chaleur (PAC) sol-eau

Touchez l'image pour l'animer

Pompe à chaleur (PAC) sol/eau.

50 à 200 m de sondes géothermiques

La plupart des forages réalisés pour chauffer des bâtiments descendent entre 50 et 200 mètres pour exploiter une chaleur de 8 à 15°C – c'est de la géothermie "à basse température". A priori, il vaudrait mieux forer plus bas pour atteindre la température nécessaire pour le chauffage, mais la profondeur choisie est le plus souvent un compromis entre le prix du forage et de la sonde, et la quantité d'électricité nécessaire à faire tourner la pompe qui ramène la chaleur du sous-sol.

Pour une maison familiale bien isolée, un seul forage entre 120 et 150 m suffit généralement. On y enfile et on y scelle une sonde géothermique verticale, autrement dit un double-tuyau qui descend et remonte, et dans lequel circule un liquide caloporteur (eau + sel ou antigel) qui va se charger de chaleur en profondeur pour la ramener à la surface. Si on ne peut pas forer assez profondément, où si le sous-sol offre peu de chaleur, deux sondes doivent être installées. Pour des bâtiments plus grands, on insère davantage de sondes (on parle alors de champ de sondes).

Le liquide caloporteur circule grâce à une pompe électrique (circulateur). Lorsque sa température n'est pas assez élevée pour le chauffage, le circuit de la sonde géothermique passe par une pompe à chaleur (PAC) "sol/eau" située dans le bâtiment. La PAC soutire la chaleur géothermique et la transfère au circuit du chauffage à une température plus élevée. La même pompe à chaleur sert généralement à chauffer l'eau chaude sanitaire.

Une alternative aux sondes : les "corbeilles géothermiques"

Là où on ne peut pas forer profondément, il est quand même possible de soutirer la chaleur du sol, si une grande surface de terrain est disponible. Le système consiste à poser à faible profondeur (entre 1,5 et 4 m) un très long tuyau qui forme des spirales en trois dimensions (corbeilles géothermiques).

Des piliers qui climatisent le bâtiment

Les grands bâtiments construits sur un terrain peu stable peuvent recourir aux "géostructures énergétiques", de profonds piliers ou murs de fondation qui servent en même temps de sondes géothermiques. Pour les sondes et les géostructures énergétiques qui ne descendent pas en dessous de 200 m, la température du sol est plus fraîche que celle de l'air en été. L'installation peut donc aussi servir à refroidir le bâtiment durant l'été (geocooling), en faisant tourner uniquement la pompe du liquide caloporteur. Du même coup, elle recharge le sous-sol avec la chaleur de la surface.

Anticiper le refroidissement du sous-sol

Sonde géothermique et température du terrain

Lorsqu'on désire chauffer un bâtiment avec de la géothermie "basse température", il est très important que la longueur de la sonde (ou des sondes) soit bien calculée, afin que les besoins de chaleur du bâtiment soient en équilibre avec la capacité du sous-sol à délivrer de la chaleur sur la durée. Si la sonde est trop courte, sa température baissera de manière excessive: le rendement de l’installation va baisser, lui aussi. Pour compenser, la pompe à chaleur tournera davantage, ce qui entraînera une surconsommation d’électricité et une réduction de sa durée de vie. Dans le pire des cas, la sonde pourrait geler, de même que le terrain qui l’environne – avec une possibilité d’affaissement au moment du dégel.

Même si l’installation est correctement dimensionnée, le prélèvement de chaleur provoque généralement une baisse de 1 à 4°C de la température moyenne du terrain autour de la sonde (voir schéma) – ce qui entraîne une légère baisse du coefficient de performance de la pompe à chaleur. Après quelques années d’exploitation, le système atteint un équilibre et la température se stabilise. D’où l’intérêt de coupler l'installation avec des panneaux solaires thermiques: durant la belle saison, la chaleur solaire non utilisée pour la production d'eau chaude sanitaire peut être conduite en profondeur par la sonde, afin de réchauffer le sous-sol (recharge thermique estivale). Ainsi, le terrain ne se refroidit pas avec les années, et le rendement de la pompe à chaleur ne baisse pas non plus.

Il faut savoir aussi qu’il est difficile de forer exactement à la verticale: en raison du manque d’uniformité des couches géologiques, une sonde descend généralement plus ou moins en biais. En conséquence, lorsque l’habitat est déjà dense, il peut y avoir une interaction avec une autre sonde déjà implantée par un voisin: le sous-sol peut refroidir plus rapidement que prévu. Ainsi, en milieu urbain, la pose de capteurs solaires thermiques est souvent recommandée pour redonner de la chaleur au sous-sol durant la belle saison.

La durée de vie estimée d’une sonde géothermique est d’environ 50 ans (norme SIA), alors que celle d’une pompe à chaleur est d’environ 20 ans.

 

Jalon PAC sol

Une pompe à chaleur "sol/eau" est au bon endroit :

  • Si ce chauffage est en accord avec la planification énergétique territoriale.
  • Si le bâtiment est bien isolé pour être chauffé à basse température.
  • Si le chauffage se fait par le sol (idéal) ou par des radiateurs modernes de très grande surface.
  • Si l'installation des sondes géothermiques (ou des géostructures énergétiques, ou des corbeilles géothermiques) est autorisée par la commune et/ou le canton (puiser la chaleur peut nuire à d'autres utilisateurs).
  • Si une étude hydrogéologique indique que le forage ne met pas en danger une nappe d'eau potable.
  • Si le potentiel exploitable est suffisant: des sondes sont-elles déjà installées à proximité? L'environnement géologique donne-t-il assez de chaleur? Le sous-sol subit-il des mouvements de cisaillement qui peuvent endommager la sonde?
  • Si le nombre et la longueur des sondes géothermiques sont bien dimensionnés pour éviter le refroidissement du terrain et un risque de gel des sondes (norme SIA 384/6).
  • Si l'entreprise de forage est certifiée, afin d'éviter qu'un mauvais scellement de la sonde dans le trou de forage crée une voie de contamination depuis la surface vers une nappe d'eau souterraine.
  • S'il y a assez de puissance électrique dans le bâtiment pour faire fonctionner la PAC (en général: 3 x 400V).
  • Si la PAC porte le certificat de qualité EHPA, et si l'ensemble de l'installation bénéficie d'une garantie de performance PAC Système-Module.
  • Si on installe aussi des capteurs solaires thermiques et/ou des panneaux solaires photovoltaïques.
  • Si l'installation est régulièrement suivie, et si on ne laisse pas le chauffe-eau s'entartrer.

 

www.geothermie.ch, Société suisse pour la géothermie

www.pac.ch, Groupement professionnel suisse pour les pompes à chaleur

www.pac-systeme-module.ch, garantie de performance pour que l'installation de chauffage fonctionne parfaitement