Technologies de chauffage et de refroidissement géothermiques

La géothermie vient des mots grecs geo (Terre) et therme (chaleur).La technologie géothermique exploite la chaleur de la Terre. À quelques mètres sous la surface, la Terre maintient une température quasi constante, contrairement aux extrêmes d'été et d'hiver de l'air ambiant au-dessus du sol. Plus loin sous la surface, la température du sol augmente en moyenne de 3,3 degrés Celsius tous les 100 mètres de profondeur. A 100 m de profondeur, cette température est de 16/17°C ; à 200 m de profondeur, elle est de 20°C, etc. La géothermie de surface permet d’exploiter le sous-sol peu profond, jusqu’à 200 mètres sous terre. La température du sous-sol varie alors de 10 à 20 degrés. La géothermie de surface est utilisée pour produire du frais, du froid et de la chaleur. La pompe à chaleur géothermique utilise la géothermie de surface.

Puis-je utiliser la technologie géothermique là où je vis ?

Les pompes à chaleur géothermiques peuvent être utilisées partout , tandis que l'utilisation directe et les systèmes profonds sont actuellement limités aux régions où l'activité géothermique est naturellement élevée.

Trois grands types de technologies tirent parti de la terre comme source de chaleur:

• Les pompes à chaleur géothermiques

• La géothermie à usage direct

• Systèmes géothermiques profonds et améliorés

L'énergie géothermique est considérée comme une ressource renouvelable. Les pompes à chaleur géothermiques et les technologies géothermiques à usage direct servent à des applications de chauffage et de refroidissement, tandis que les technologies géothermiques profondes et améliorées tirent généralement parti d'une ressource géothermique beaucoup plus profonde et à température plus élevée pour produire de l'électricité.

Pompes à chaleur géothermiques

Une pompe à chaleur géothermique tire parti de la différence naturelle entre la température de l'air en surface et la température du sol souterrain pour déplacer la chaleur en vue d'utilisations finales telles que le chauffage et le refroidissement des locaux (climatisation), voire le chauffage de l'eau. Un système géothermique ou géothermique consiste en une pompe à chaleur reliée à une série de tuyaux enterrés. On peut installer les tuyaux soit dans des tranchées horizontales juste sous la surface du sol, soit dans des trous de forage verticaux qui descendent à plusieurs centaines de pieds sous terre. La pompe à chaleur fait circuler un fluide caloporteur, parfois de l'eau, dans les tuyaux pour déplacer la chaleur d'un point à un autre.

Si la température du sol est plus élevée que celle de l'air ambiant, la pompe à chaleur peut déplacer la chaleur du sol vers le bâtiment. La pompe à chaleur peut également fonctionner en sens inverse, en déplaçant la chaleur de l'air ambiant d'un bâtiment vers le sol, ce qui a pour effet de refroidir le bâtiment. Les pompes à chaleur géothermiques nécessitent une petite quantité d'électricité pour faire fonctionner le processus de chauffage/refroidissement. Pour chaque unité d'électricité utilisée pour faire fonctionner le système, la pompe à chaleur peut fournir jusqu'à cinq fois l'énergie du sol, ce qui représente un avantage énergétique net.

Comment cela fonctionne-t-il ?

Les étapes ci-dessous décrivent le fonctionnement d'une pompe à chaleur en " mode chauffage ", qui prélève la chaleur du sol et la transmet à un bâtiment, et en " mode refroidissement ", qui retire la chaleur du bâtiment et la transmet au sol.

Mode chauffage

Diagramme montrant une pompe à chaleur géothermique en mode chauffage. Les composants sont étiquetés avec des numéros qui correspondent au texte.

1. Circulation : La pompe à chaleur hors sol fait circuler de l'eau ou un autre fluide dans une série de tuyaux enterrés ou de boucles souterraines.

2. Absorption de la chaleur : Lorsque le fluide passe dans la boucle souterraine, il absorbe la chaleur du sol, de la roche ou de l'eau souterraine plus chaude qui l'entoure.

3. Échange et utilisation de la chaleur : Le fluide chauffé retourne dans le bâtiment où il est utilisé à des fins utiles, comme le chauffage des locaux ou de l'eau. Le système utilise un échangeur de chaleur pour transférer la chaleur dans le système existant de traitement, de distribution et de ventilation de l'air du bâtiment ou, avec l'ajout d'un désurchauffeur, il peut également chauffer l'eau domestique.

4. Recirculation : Une fois que le fluide a transféré sa chaleur au bâtiment, il retourne à une température plus basse dans la boucle souterraine pour être chauffé à nouveau. Ce processus est répété, déplaçant la chaleur d'un point à un autre pour le bénéfice et le confort de l'utilisateur.

Mode Refroidissement

1. Échange de chaleur et absorption : L'eau ou un autre fluide absorbe la chaleur de l'air à l'intérieur du bâtiment par le biais d'un échangeur de chaleur, ce qui est le mode de fonctionnement d'un climatiseur typique.

2. Circulation : La pompe à chaleur hors sol fait circuler le fluide chauffé dans une série de tuyaux enterrés ou boucles souterraines.

3. Évacuation de la chaleur : Lorsque le fluide chauffé passe dans la boucle souterraine, il cède de la chaleur au sol, à la roche ou à l'eau souterraine relativement plus froide qui l'entoure.

4. Recirculation : Une fois que le fluide a transféré sa chaleur au sol, il retourne à une température plus basse dans le bâtiment, où il absorbe à nouveau de la chaleur. Ce processus est répété, déplaçant la chaleur d'un point à un autre pour le bénéfice et le confort de l'utilisateur.
   
   

La pompe à chaleur hors sol

est relativement peu coûteuse, l'installation souterraine des boucles souterraines (tuyauterie) représentant la majeure partie du coût du système. Les pompes à chaleur peuvent répondre aux besoins de chauffage et de refroidissement des locaux dans presque toutes les régions du pays, et elles peuvent également être utilisées pour la production d'eau chaude sanitaire. En augmentant la capacité des boucles de tuyauterie, on peut adapter cette technologie à des bâtiments plus grands ou à des endroits où le chauffage et le refroidissement des locaux, ainsi que le chauffage de l'eau, peuvent être nécessaires pendant la majeure partie de l'année.

L'eau des systèmes géothermiques directs est suffisamment chaude pour de nombreuses applications, notamment le chauffage de piscines à grande échelle, le chauffage, la climatisation et la production d'eau chaude à la demande pour des bâtiments de toutes tailles, le chauffage urbain (c'est-à-dire le chauffage de plusieurs bâtiments dans une ville), le chauffage des routes et des trottoirs pour faire fondre la neige, et certains processus industriels et agricoles. L'utilisation directe tire parti de l'eau chaude qui peut se trouver à quelques pieds seulement sous la surface, et généralement à moins d'un kilomètre de profondeur.

Cette faible profondeur signifie que les coûts d'investissement sont relativement faibles par rapport aux systèmes géothermiques plus profonds, mais cette technologie est limitée aux régions disposant de sources naturelles d'eau chaude souterraine à la surface ou à proximité.

Applications potentielles

• Chauffage de piscines

• Chauffage de locaux

• Chauffage de l'eau chaude

• Refroidissement des locaux

• Chaleur des procédés industriels
  
  

Principaux secteurs d'utilisation finale

• Maisons unifamiliales

• Logements collectifs

• Hébergement

• Brasseries

• Restaurants

• Processus industriels

• Écoles

• Gouvernements municipaux

Systèmes géothermiques profonds et améliorés

Les systèmes géothermiques profonds utilisent de la vapeur provenant de très loin sous la surface de la Terre pour des applications qui nécessitent des températures de plusieurs centaines de degrés .

Ces systèmes injectent généralement de l'eau dans le sol par un puits et ramènent l'eau ou la vapeur à la surface par un autre. D'autres variantes peuvent capter la vapeur directement du sous-sol ("vapeur sèche"). Contrairement aux pompes à chaleur géothermiques ou aux systèmes géothermiques à utilisation directe, les projets de géothermie profonde peuvent nécessiter un forage d'un kilomètre ou plus sous la surface de la Terre. À ces profondeurs, la pression élevée maintient l'eau à l'état liquide, même à des températures de plusieurs centaines de degrés .

Comment cela fonctionne-t-il ?

1. Pompage : L'eau chaude ou la vapeur est pompée dans un puits profond. Lorsque l'eau remonte à la surface, la pression diminue et l'eau se vaporise en vapeur surchauffée qui peut être utilisée pour des processus à haute température.

2. Livraison : La chaleur de l'eau chaude ou de la vapeur peut être utilisée pour chauffer un fluide secondaire (procédé "binaire"), ou l'eau chaude ou la vapeur peut être utilisée directement.

3. Recirculation : Une fois la chaleur transférée au système de distribution, l'eau maintenant refroidie est repompée sous terre.

4. Dispersion : Contrairement aux pompes à chaleur géothermiques, l'eau souterraine utilisée dans ce cas est simplement injectée et laissée se disperser dans le sol, plutôt que d'être pompée dans un circuit fermé de tuyaux.
   
   Les sources géothermiques profondes fournissent une chaleur efficace et propre pour les processus industriels et certaines utilisations commerciales et agricoles à grande échelle. En outre, la vapeur peut être utilisée pour faire tourner une turbine et produire de l'électricité. Bien que la vapeur géothermique ne nécessite pas de combustible et que les coûts d'exploitation soient faibles, les coûts d'investissement initiaux - notamment le forage de puits d'essai et de puits de production - peuvent représenter un défi financier. Les ressources en vapeur qu'il est économique d'exploiter sont actuellement limitées aux régions à forte activité géothermique, mais des recherches sont en cours pour développer des systèmes géothermiques améliorés avec des puits beaucoup plus profonds qui tirent parti du gradient naturel de température de la Terre et peuvent potentiellement être construits n'importe où.