Chauffage Climatisation Énergies

Comprendre la géothermie

Capter la chaleur de la terre ou des nappes phréatiques pour chauffer sa maison… Le principe est simple, mais les techniques sont multiples et complexes. Lisez et vous saurez!

Géothermie à la Maison du Développement Durable. Photo Bernard Fougères
Chantier de la géothermie à la Maison du Développement Durable. Photo Bernard Fougères, Creative Commons.

Vous êtes nombreux à nous questionner sur la géothermie lorsque vous nous rencontrez dans les salons, les formations ou les conférences… Cette technologie est séduisante, mais complexe et coûteuse.  Alain Nguyen, de l’école Polytechnique de Montréal, a rédigé cet article pour vous. Et lève le voile sur une technique encore peu connue mais qu’il juge particulièrement efficace et possible en milieu urbain : les systèmes à puits à colonne permanente (PCP). Bonne découverte!

Qu'est-ce que la géothermie?

Les systèmes géothermiques utilisés pour le chauffage et la climatisation des bâtiments s'appuient sur le principe qu'en profondeur (6-10 m) la température de la terre n'est plus influencée par les variations de température en surface et qu’elle est relativement constante (8-10°C). La température du sous-sol terrestre est donc plus chaude que celle de l'air en hiver, et plus fraîche que celle de l’air en été.

 

Fonctionnement de la géothermie. Graphique Alain Nguyen.
Exemple d'un système géothermique à boucle fermée verticale en mode chauffage. Graphique Alain Nguyen pour Écohabitation.

 

Un système géothermique est composé de trois éléments:

1) l'échangeur de chaleur souterrain (ECS)

2) la pompe à chaleur (PAC) et

3) le système de distribution de chaleur.

En mode chauffage, l'échangeur capte la chaleur du sol qui est ensuite recueillie par la pompe à chaleur. Cette chaleur est ensuite acheminée vers le bâtiment par l'entremise d'un système de distribution de chaleur. Inversement, en mode climatisation, la chaleur du bâtiment est acheminée vers le système de distribution de chaleur, puis captée par la pompe à chaleur, et finalement rejetée dans le sol par l'échangeur. Ainsi, un kilowatt d'électricité consommé par la pompe permet de produite en moyenne 3 à 5 kilowatts d'énergie. Le graphique ci-dessus présente le principe de fonctionnement d'un système géothermique.

Contrairement aux pompes à chaleur conventionnelles qui utilisent l'air extérieur comme source d'énergie, les PAC géothermiques exploitent la terre comme point de source/point de rejet de chaleur, ce qui leur permet d'atteindre des coefficients de performance (COP) élevés  (le COP est le rapport entre l'énergie produite par le système géothermique et la puissance électrique consommée par celui-ci). Un échangeur de chaleur souterrain requiert néanmoins une longueur minimale pour puiser/rejeter la chaleur du sol.

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Les différents types de systèmes géothermiques

Il existe plusieurs types d'échangeurs de chaleur souterrains pour effectuer le transfert de chaleur avec le milieu géologique. On distingue entre autres :

– les systèmes à boucle fermée verticale (qui captent la chaleur du sol en profondeur);

– les systèmes à boucle ouverte (qui captent la chaleur dans un lac ou une  nappe phréatique, avec deux puits) ;

– les systèmes à puits à colonne permanente (PCP) (qui captent la chaleur dans les calories venues d’un lac ou d’une nappe phréatique, avec un seul puits);

-les systèmes à boucle fermée horizontale (qui captent la chaleur du sol en surface) .

 

Les systèmes géothermiques à boucle fermée verticale: les plus répandus au Québec

 

Système à boucle fermée verticale, Alexandre Gilbert pour Écohabitation.
Système à boucle fermée verticale, Alexandre Gilbert pour Écohabitation.

Les systèmes géothermiques à boucle fermée verticale sont généralement composés d'un forage dans lequel une boucle en U de polyéthylène haute densité (PEHD) et un coulis de bentonite (figure 2) sont aménagés. Un fluide caloporteur (généralement du propylène glycol) circulant continuellement  à l'intérieur de la boucle permet un échange de chaleur par conduction (transfert thermique sans déplacement global de matière provoqué par une différence de température entre deux milieux en contact) avec le milieu géologique. La longueur typique d'un tel échangeur est de l'ordre de 100 à 150 m de profondeur (figure 2).

Ces systèmes sont à ce jour les plus populaires et les mieux documentés. Selon la Coalition Canadienne de l'Énergie Géothermique (CCÉG), ils représentent 82,9% des systèmes installés au Québec en 2010. Par contre, la faible conductivité thermique de ces puits (tuyaux en PEHD et coulis de bentonite) ainsi que celle du milieu géologique fait en sorte que ces systèmes requièrent d’importantes longueurs de forages, ce qui entraine un coût de construction élevé. Un rapport de la CCÉG en 2012 indique que le coût unitaire moyen d'un tel système s'élève jusqu'à 8 263$/tonne (soit 1 tonne = 12 000 BTU/heure = 3.52 kW).

Autres systèmes de boucle fermée verticale: boucle fermée verticale à échangeur cylindrique, système à expansion directe.

 

Les systèmes géothermiques à boucle ouverte : capter la chaleur des eaux souterraines

 

Système à boucle ouverte, dessin Alexandre Gilbert pour Écohabitation.
Système à boucle ouverte, dessin Alexandre Gilbert pour Écohabitation.

Les systèmes à boucle ouverte présentent une très grande efficacité thermique. Lorsque l'eau souterraine de bonne qualité est suffisamment abondante, l'installation d'un système à boucle ouverte peut être jusqu'à 50% moins dispendieuse que celle d'un système à boucle fermée verticale. Cependant, les conditions hydrogéologiques nécessaires à l'installation de ces systèmes sont rarement présentes en milieu urbain, ce qui en limite leur utilisation. Il est fortement conseillé de faire des recherches avant d'entreprendre l'installation d'un tel système.Les systèmes à boucle ouverte se servent directement de l’eau souterraine pompée d’un puits d'approvisionnement (25 à 40 m de profondeur) afin d'y puiser/injecter de la chaleur. L'action du pompage entraîne alors un rabattement et amène une infiltration d'eau dans le puits, créant ainsi un apport d’énergie par advection (transport d'énergie provoqué par le mouvement d'un fluide). Une fois l'échange de chaleur effectué, l'eau est réinjectée dans un second puits. 

Autres systèmes à boucle ouverte : boucle ouverte en lac, boucle fermée en lac.



 

Les systèmes géothermiques à puits à colonne permanente (PCP): peu connus mais efficaces

Les systèmes à PCP pompent l’eau souterraine d’un puits  à sa base et réinjectent par la suite une partie ou la totalité de cette eau à son sommet une fois l'échange de chaleur effectué. 

 

Graphique Intelligent Heat and Power
Géothermie à PCP. Graphique Intelligent Heat and Power.

Ceux-ci présentent une meilleure efficacité thermique que les systèmes à boucle fermée verticale, et ne sont pas restreints à de conditions hydrogéologiques exceptionnelles comme les systèmes à boucle ouverte. De plus, durant les périodes de grande demande énergétique, les systèmes à PCP peuvent créer un apport d'énergie supplémentaire en forçant l'infiltration d’eau souterraine dans le puits. Cette opération, appelée saignée, améliore momentanément l’efficacité thermique de l’ECS. Cela permet donc de réduire considérablement la longueur et par conséquent les coûts de construction de l’ECS.

 

Des études menées par l'American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) ont montré que la taille de l’échangeur géothermique pouvait être de l'ordre 49% à 78% inférieure avec des systèmes à PCP, comparativement à des systèmes en boucle fermée verticale de puissance comparable.

 

Les systèmes géothermiques à boucle fermée horizontale: pour un grand terrain à la campagne

Système à boucle  horizontale, dessin Alexandre Gilbert pour Écohabitation.
Système à boucle fermée horizontale, dessin Alexandre Gilbert pour Écohabitation.

Pour une même longueur de conduite, les systèmes à boucle horizontale sont moins performants que les systèmes à boucle verticale. En effet, la température du sol à cette profondeur est plus influencée par la température en surface, ce qui diminue le coefficient de performance du système.Les systèmes à boucle fermée horizontales nécessitent de creuser des tranchées dans le sol à environ 6 pieds de profondeur (1,8 m) afin de faire passer un réseau de conduits dans lequel circulera un liquide caloporteur (eau + antigel) pour y puiser/rejetter de la chaleur.

Ces systèmes nécessitent une emprise au sol relativement importante, de deux à trois fois la surface du bâtiment à chauffer ! On ne peut donc l’envisager que dans des zones périurbaines ou à la campagne.

 

Les subventions disponibles

Hydro-Québec encourage l'installation de systèmes géothermiques certifiés par la CCÉG, en accordant un appui financier selon certaines conditions. Par exemple, dans le cas d'une maison existante, vous devez participer au programme Rénoclimat.

MAISON NEUVE

Aide financière d'Hydro-Québec

4 000 $

MAISON EXISTANTE

Aide financière d'Hydro-Québec

6 375 $

Subvention au titre du programme Rénoclimat

1 300 $

Aide financière totale pour une maison existante

7 675 $

 

 

Maison neuve

• Il doit s’agir d’une maison individuelle située au Québec.

• L’installation géothermique doit avoir été effectuée après le 1er avril 2012 par des entrepreneurs accrédités par la Coalition canadienne de l’énergie géothermique et être certifiée par celle-ci.

Maison existante

• Il doit s’agir d’une maison individuelle située au Québec.

• Le propriétaire doit avoir participé au programme Rénoclimat du Bureau de l'efficacité et de l'innovation énergétiques du ministère des Ressources naturelles et de la Faune.

• Au moment de l’évaluation préalable aux travaux dans le cadre du programme Rénoclimat, la maison doit être entièrement chauffée à l’électricité ou au moyen d’un système biénergie au tarif DT depuis au moins un an.

• L’installation géothermique doit avoir été effectuée après le 1er avril 2012 par des entrepreneurs accrédités par la Coalition canadienne de l’énergie géothermique et être certifiée par celle-ci.

* Les données suivantes sont tirées directement du site Internet d’Hydro-Québec, voir lien ci-bas.

Un petit lexique

Advection: transport d'énergie provoqué par le mouvement d'un fluide.

Coefficient de performance: rapport entre l'énergie produite par le système géothermique et la puissance électrique consommée par celui-ci.

Conduction: transfert thermique sans déplacement global de matière provoqué par une différence de température entre deux milieux en contact.

Pompe à chaleur: dispositif permettant de transférer la chaleur du sol vers le bâtiment en hiver (chauffage) et, inversement,  transférer la chaleur du bâtiment vers le sol en été (climatisation).

Tonne: Unité de puissance du système. 1 tonne = 12 000 BTU/heure = 3.52 kW. Les demandes thermiques d'un bâtiment résidentiel sont de l'ordre de 2 à 3 tonnes.

 

Pour en savoir plus

La Coalition Canadienne de l'Énergie Géothermique

Subvention d'Hydro-Québec

Rénoclimat

 

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