Pompe géothermique

Figure 1. Une pompe à chaleur géothermique dans un sous-sol, avec la boucle souterraine qui sort du mur.

Les pompes à chaleur géothermiques sont des technologies de chauffage et refroidissement des locaux. Elles extraient la chaleur du sol et sont très efficaces. Parfois, la source de cette chaleur est le soleil (qui réchauffe la surface et conduit sous terre), et d'autres fois, la chaleur provient de l'énergie géothermique. Les pompes à chaleur géothermiques pompent littéralement la chaleur du sol dans un espace, souvent une maison. La chaleur peut être extraite de n'importe quelle température, aussi froide soit-elle, cependant des températures plus chaudes entraînent un meilleur performance.

Les pompes à chaleur géothermiques peuvent être installées dans le jardin d'une maison presque partout dans le monde, mais certains endroits sont mieux adaptés à leur utilisation. Par exemple, plus la température disponible sous terre est élevée pendant les mois d'hiver, moins la pompe à chaleur a besoin de travailler.

L'un des avantages principaux de ces systèmes est qu'ils utilisent la chaleur déjà disponible qui est stockée dans la terre, de sorte que le chauffage ou le refroidissement d'une maison ne nécessite pas l'utilisation de gaz naturel ou de chauffage électrique. Les pompes à chaleur géothermiques tirent l'énergie nécessaire au chauffage du sol, contrairement aux systèmes classiques qui nécessitent la combustion de combustibles fossiles ou l'utilisation d'électricité, elles ont des coûts de combustible et des émissions de dioxyde de carbone plus faibles pendant le fonctionnement du système, ce qui sera examiné dans la section sur les impacts environnementaux ci-dessous.

Terminologie

Figure 2. Un système en boucle ouverte échange de l'eau avec la nappe phréatique.

Figure 3. Une pompe à chaleur géothermique dans un sous-sol, avec la boucle souterraine qui sort du mur.

L'énergie géothermique provient de la Terre, mais il faut atteindre une profondeur importante (10-20 mètres ou plus) avant que la température commence à augmenter en réponse à la température interne de la Terre. C'est pourquoi le terme pompe à chaleur géothermique peut être trompeur puisque la chaleur utilisée par ces pompes n'est pas nécessairement d'origine géothermique, mais provient plutôt du soleil ou de la chaleur stockée dans le sous-sol peu profond, et le terme source souterraine est souvent préféré.

Systèmes en boucle ouverte et en boucle fermée

Les systèmes en circuit ouvert, comme celui de la figure 2, puisent de l'eau dans le sous-sol (eau souterraine) et la remettent dans le sol (eau plus froide, dont la chaleur a été retirée), en utilisant la chaleur de l'eau pour chauffer la pièce. En revanche, les systèmes en circuit fermé, comme dans la figure 3, utilisent le même fluide de manière répétée, ce fluide ne se mélangeant jamais avec l'eau souterraine.

Les deux systèmes présentent des avantages et des inconvénients. Pour en savoir plus, consultez le site Ressources naturelles Canada.

Utilisation

Comme les systèmes en circuit fermé ne dépendent pas d'une source d'eau souterraine comme les autres systèmes d'énergie géothermique, ils peuvent être installés presque partout. Même si le prix d'installation peut être plus élevé que les technologies de chauffage concurrentes, leur performance compense ce coût en 5 à 10 ans. Avec une durée de vie typique du système de 25 ans, et peu ou pas de besoin d'entretien tout au long de sa durée de vie, ces systèmes entraînent généralement des économies de coûts.

Environ 50 000 de ces systèmes sont installés chaque année aux États-Unis, et plus de 3 millions sont installés actuellement dans plus de 70 pays du monde.

Comment ils fonctionnent

En hiver, les températures souterraines fournissent une source de chaleur constante, ce qui signifie qu'avec l'aide de l'électricité, une pompe à chaleur géothermique peut être utilisée pour le chauffage. En été, la chaleur de l'intérieur de la maison peut être évacuée par le sous-sol et les pompes peuvent être utilisées pour le refroidissement.

Figure 4. La figure montre que l'air de la pièce circule dans le système et qu'on lui ajoute ou lui retire de la chaleur. Cette chaleur est ensuite soit déposée (si l'air est plus chaud que souhaité) dans le sol. Si l'air est plus froid que souhaité, la chaleur est prélevée du sol.

Elles diffèrent des autres technologies d'énergie géothermique, car elles acquièrent leur chaleur par conduction directe, alors que les centrales géothermiques acquièrent leur chaleur en pompant d'abord de l'eau chaude à la surface.

Pour obtenir la chaleur du sol, une boucle de tuyau fonctionnant comme un échangeur de chaleur est enterrée horizontalement ou verticalement, selon l'espace dont dispose l'utilisateur. Elle contient un fluide (soit de l'eau, soit un mélange eau-antigel) qui absorbe la chaleur en hiver ou la dissipe en été. Ce fluide circule jusqu'à la pompe à chaleur, qui prend la chaleur du tuyau souterrain et l'utilise pour le chauffage en hiver, tandis qu'en été, elle prend la chaleur de la maison et la transfère sous terre.

Une expérience de 20 ans avec ces systèmes a montré que quelques kilowatts de puissance thermique peuvent être extraits pendant la saison de chauffage, ce qui convient à l'échelle domestique.

La vidéo ci-dessous montre le processus d'installation d'une pompe géothermique, ainsi que son fonctionnement. Pour apprendre comment fonctionne la pompe à chaleur elle-même, visitez la page pompe à chaleur.

Impacts environnementaux

Les pompes à chaleur géothermiques utilisent l'énergie de manière efficace, et sont souvent des systèmes rentables et propres. Elles consomment 25 à 50 % d'électricité en moins que les systèmes de chauffage et de refroidissement classiques, et pour chaque unité d'électricité, elles peuvent produire plus de trois unités de chaleur (un COP supérieur à 3).

Les émissions de CO₂ de ces systèmes peuvent être inférieures de 40 % à celles des autres systèmes de chauffage ou de climatisation. Mieux encore, si l'électricité est produite par une source d'énergie renouvelable, comme les panneaux solaires d'une maison, les émissions de gaz à effet de serre sont nulles pendant le fonctionnement du système (cependant, il y a bien des GES associés à la fabrication, à l'installation, au déclassement, etc.)

Même si l'électricité n'est pas toujours produite à partir d'une source sans GES, les émissions associées aux pompes à chaleur géothermiques sont presque toujours inférieures à celles des systèmes de chauffage et de refroidissement classiques. Les pompes à chaleur géothermique produisent toujours moins d'émissions de dioxyde de carbone que les climatiseurs, les chaudières à mazout et les appareils de chauffage électrique, mais les appareils de chauffage au gaz naturel peuvent être plus propres selon la source d'approvisionnement en électricité locale (par exemple, l'électricité provenant de l'utilisation du charbon).