[Photo : Schéma de principe d'une GSHPS (in Geothermal energy - Verlag C.F. Muller - Karlsruhe)]
Le sigle anglo-saxon définit des systèmes de boucles fermées ou ouvertes enterrées dans le sol ou immergées, verticalement ou horizontalement.
Ces boucles permettent la circulation d’un fluide connecté à une pompe à chaleur située dans le bâtiment concerné. La pompe à chaleur est capable de fournir de la chaleur.
*GSHPS « Ground Source Heat Pump System »
Boucle ouverte puits unique
Boucle ouverte en doublet
Puits d'injection
Puits de production
valeurs nominales.
Boucle fermée horizontale Boucle fermée spirale
En raison de l’inertie beaucoup plus grande des masses d'eau ou du sol, la température fournie par ce type de milieu au long de l’année est infiniment plus stable et en conséquence une PAC basée sur l’énergie du sous-sol, plus performante.
Dans le cas d'une PAC utilisant l’eau d’une nappe aquifère en boucle ouverte (puits unique ou doublet), la localisation géographique a une importance capitale puisque les ressources en eaux ne sont pas présentes partout. En revanche, dans le cas d'un système enterré sec, la situation du projet importe peu. Les considérations conduisant à installer une GEOPAC se réduisent alors à deux questions :
- - Est-ce que le ratio coût/complexité du projet permet un temps de retour acceptable ?
- - Est-il possible d'installer géométriquement une boucle (volume de sol disponible, espace libre, etc.) ?
Le coefficient de performance
En général, le coefficient de performance (COP) d’une PAC est une valeur affichée par le constructeur pour un fonctionnement dans des conditions idéales. Pour mesurer leur efficacité moyenne sur une année complète, un autre coefficient peut être utilisé, le FPA (Facteur de Performance Annuelle).
Les GEOPAC qui sont à leur stade juvénile de développement technologique sont déjà capables de délivrer des FPA d’environ 4 (voir figure 2 - Coefficient de Performance pour le chauffage et la fabrication de froid).
Description d’une installation
Nous ne traiterons pas ici des boucles utilisant les eaux de nappes souterraines en puits unique ou en doublet (un puits de production - un puits d’injection), qui est un type répandu dans l’hexagone (40000 TEP économisés par an sur ce type d'installation - données ADEME 1992).
Nous ne décrirons pas non plus les systèmes immergés en étangs ou lacs qui nécessitent des plans d'eau de grande dimension. Nous nous limiterons aux boucles fermées horizontales ou verticales, mettant en jeu la circulation d’eau dans un circuit clos sans interaction autre que thermique avec l’environnement.
Les GSHPS à faible profondeur, tube en U ou coaxial, sont installées dans des forages entre 30 et 150 m de profondeur. Le fluide extracteur donne son énergie au pôle froid de la PAC (évaporateur) et le pôle chaud (compresseur) est relié lui au système de chauffage basse température (type panneaux de sol ou radiateur de grande surface).
Figure 2 : Coefficients de performance pour le chauffage et la fabrication de froid
FROID
GEOPAC boucle fermée
GEOPAC EAU boucle ouverte
PAC sur air
Air conditionné centralisé
Air conditionné décentralisé
Moyenne air conditionné conventionnel
CHAUFFAGE
GEOPAC boucle fermée
GEOPAC EAU boucle ouverte
PAC sur air
Chauffage électrique
Chaudière gaz haute performance
Chaudière FOD haute performance
Chaudière GAZ/FOD conventionnelle
N° 208 - L’EAU, L'INDUSTRIE, LES NUISANCES = 37
[Photo : Figure 3 : Coût du chauffage et du froid par kWh incluant l'amortissement de l'installation]
Pour dimensionner correctement l'installation, il faut tenir compte de l'influence de paramètres tels que la profondeur du forage, son diamètre, l’espacement entre les forages, la nature du tube échangeur dans lequel circule le fluide caloporteur, la vitesse de circulation du fluide dans le circuit fermé (photo 2).
L'intérêt de ce type d’installation réside dans le fait que l'on peut les installer partout en France quel que soit la nature des terrains sous-jacents, exception faite des alluvions qui en général présentent des conductivités thermiques trop basses pour assurer une puissance suffisante.
Les paramètres remarquables principaux sont les suivants :
- baisse de température de 0,8 °C sur toute la longueur de l’échangeur enterré après la première année d’exploitation pour une chute de température négligeable les années suivantes ;
- l'influence importante de la température extérieure est mesurée jusqu’à 10-15 m de profondeur, au-delà, l’effet du flux géothermique prédomine ;
- en moyenne, chaque mètre d’échangeur souterrain peut assurer 45 W de puissance thermique.
Économie d’une installation
Le tableau I montre le coût comparatif d'une installation (Suisse – Rybach) conventionnelle au fioul et une Geopac.
Le surinvestissement Geopac est de l’ordre de 25 % pour une maison individuelle neuve. L’économie réalisée sur l’énergie peut être évaluée à environ 3000 F/an. Le temps de retour brut de l'opération est donc d’environ 10 ans. Il est donc bien inférieur à la durée de vie de l'installation (30 ans minimum) mais apparaît pour l'instant insuffisamment attractif pour permettre le développement important de telles installations.
Aux USA (figure 3), les statistiques réalisées sur plusieurs types d’installation (8) montrent que le coût du chauffage et de la fabrication de froid par kWh y compris l’amortissement de l’installation sont en moyenne plus élevés lorsque les GSHPS sont utilisés pour le chauffage seul et en revanche compétitifs dans tous les cas lorsque le système est établi pour une application combinée froid/chaud.
En Europe, il en est de même et avec le coût actuel des énergies conventionnelles (fuel – gaz), il est donc nécessaire, pour que ce type d’installation offre un temps de retour de l’ordre de 5 à 6 ans, d’assurer en plus du chauffage la climatisation de la maison.
Tableau I : Coût comparatif d’installation pour le chauffage d’une maison individuelle (demande de 7 kW – COP moyen PAC de 3)
| * Forage (130 m) y compris tubing, installation, remplissage et tests – GEOPAC : 44,6 kF HT |
| * Pompe à chaleur y compris installation et tests – GEOPAC : 40,2 kF HT |
| * Chaudière haute performance (émission NOx basses y compris brûleur et régulation) – Chaudière fuel : 31,2 kF HT |
| * Régulation du système de chauffage – GEOPAC : 9,0 kF HT |
| * Matériels divers et installation – GEOPAC : 16,4 kF HT |
| * Réservoir fuel avec bassin de rétention ou bâche imperméable, connexion et installation – Chaudière fuel : 23,4 kF HT |
| * Cheminée complète – Chaudière fuel : 27,3 kF HT |
| TOTAL : GEOPAC 110,2 kF HT – Chaudière fuel 81,9 kF HT |
[Photo : Installation du système d’échangeur vertical dans un forage (Grundag A6)]
Économie d’énergie
Dans les zones où les producteurs d’énergie sont confrontés à l’obligation de réduire la pollution par kWh livré, les GSHPS offrent des avantages significatifs, comparé à un chauffage électrique par résistance.
Les GSHPS peuvent délivrer 3 fois plus d'énergie thermique qu’un kW électrique.
Si l'on compare ces systèmes aux PAC sur l’air, la réduction de consommation d’électricité est de l’ordre de 25 %.
Impact environnemental
Le bénéfice majeur pour l'environnement lié à l'utilisation de ce type de système réside dans leur capacité à réduire la consommation d’énergie primaire nécessaire au chauffage, à la climatisation et à la fabrication d’eau chaude.
Tous les types de pompes à chaleur permettent une réduction forte des émissions de CO2 (figure 4). De plus et dans le cas précis des PAC électriques (Laue 1994), les
[Photo : Figure 4 : Émission de CO2 (en Kg CO2/KWh)]
[Photo : Figure 5 : Émissions de substances nocives]
Les réductions en dioxyde de soufre, oxyde d'azote, monoxyde de carbone, hydrocarbures et poussières (figure n° 5) sont importantes, et surtout liées au fait que ces pollutions sont centralisées à la station de production électrique et non décentralisées dans un système de chauffage individuel.
Deux autres avantages importants de ces systèmes sont :
- pas d’impact visuel ou sonore sur l’environnement comparé aux PAC sur l’air par exemple,
- pas d'interférence avec les eaux souterraines surtout dans le cas de puits unique.
Conclusion
Les GSHPS représentent une technologie maîtrisée sur le marché des énergies alternatives. Elles sont plus efficaces énergétiquement que les résistances électriques, les PAC sur l’air et les systèmes utilisant les énergies fossiles. Elles nécessitent en général des investissements plus élevés mais offrent des durées de vie analogues et assurent des économies modestes mais qui ne peuvent pas être amputées par des coûts d'exploitation et de maintenance qui sont extrêmement faibles.
S'agissant d'unités souvent de petites tailles bien adaptées aux habitations particulières, les avantages réels fournis par ces systèmes sont très importants au plan environnemental.
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