Géothermie sur Avignon dans le Vaucluse (84)

Schéma du cycle de réfrigération :

1. circuit de condensation (dégagement de chaleur)
2. goulot d'expansion du gaz réfrigérant
3. circuit d'évaporation (production de froid)
4. compresseur

Une PAC fonctionne comme un réfrigérateur, les principes et techniques en sont les mêmes.

Elle pompe des calories d'un milieu qui au sens courant est froid (un lac à 4°C, par exemple, comme pour le chauffage urbain de Zurich), mais qui au sens thermodynamique est "chaud" tout de même (277,15 kelvins). La consommation énergétique sert uniquement à mettre en mouvement les fluides (compression).

On définit l'efficacité d'une PAC par le rapport de ce qui est « utile », la chaleur reçue, sur ce qui est coûteux, le travail fourni à la PAC.

L'efficacité d'une pompe à chaleur décroît avec l'écart de température. L'efficacité d'une PAC est limitée par la deuxième loi de la thermodynamique.

Plus spécifiquement, les vendeurs de pompes affichent en général le rapport de puissance thermique entre leur machine avec la consommation électrique. On lui donne par convention le nom de coefficient de performance ou COP (de l'Anglais: coefficient of performance). En outre, des contraintes techniques limitent la température la plus basse et la différence de température.

Les températures T sont en Kelvin. Le cycle de Carnot est le cycle diatherme présentant la meilleure efficacité...

Certaines « PAC » travaillent sur la chaleur de l'air, d'autres avec la chaleur de l'eau, ou du sol. C’est l’énergie géothermique.

Les systèmes les plus performants se font par chauffage au sol dans l'habitation, et par des tuyaux enterrés en géothermie verticale, avec des forages de 50 à 150 mètres, ou en géothermie horizontale, en moyenne 2 mètres sous le sol, en général dans le jardin. Ces systèmes sont utilisés pour transférer de l’énergie du sol vers une habitation, pour les besoins en chauffage l'hiver. Mais ce sont des systèmes qui réclament un fort investissement financier. Aussi, certains modèles sont réversibles, capables de transférer de la chaleur de la maison vers le sol.

Il y a aussi d'autres pompes à chaleur qui utilisent l'air comme source (refroidissement de l'air pour chauffer de l'eau de piscine par exemple) mais le rendement est moins bon. L'investissement est par contre bien moins important.

Le COP est de l'ordre de 5 sur les modèles installés à l'heure actuelle (cela veut dire que pour 1 kW d'électricité consommé, la maison recevra 5 kW de chaleur).

Les systèmes les plus performants sont à 7 de COP. Les systèmes à air ont des COP de 4 à 5 maximums. Les systèmes vendus dans le commerce procurent une puissance thermique de 15 à 20 kW ce qui est l'équivalent d'une chaudière au gaz ou au fioul. Pour des raisons de confort, une cheminée à insert est utilisée très occasionnellement. L'autre avantage est que ces machines peuvent servir de climatisation.

Circuit de captage

Pour les habitations individuelles ou les petits immeubles, la plupart des pompes à chaleur géothermiques captent l'énergie du sol par un circuit constitué de tuyaux de polyéthylène. Il existe deux types de captage :

• capteurs horizontaux : enterré à environ 1 mètre sous le sol, le circuit est constitué de boucles (par exemple sous le jardin). Il occupe environ 150 à 200% de la surface à chauffer, soit par exemple de 300 à 400m² pour une surface à chauffer de 200m². Cet espace peut être planté de gazon ou de petits arbustes, mais ne peut accepter d'arbres aux longues racines.
• capteurs verticaux : le circuit comporte des tuyaux formant deux boucles verticales. Il nécessite un forage en profondeur (environ 80m). Plus coûteux, il présente l'avantage d'occuper moins de surface au sol. Les capteurs verticaux sont également appelés sondes géothermiques verticales.

Le circuit de chauffage

La température de l'eau chaude fournie par une pompe à chaleur est moins importante qu'avec une chaudière classique (30 à 40°C). Ce de fait on utilise principalement deux types de système de chauffage qui sont bien adaptés aux basses températures :

• Le plancher chauffant
• Les convecteurs surdimensionnés (par rapport à une installation chaudière classique)

La géothermie est surtout connue en France par ses applications dans le domaine du chauffage de maisons individuelles ou de chauffage collectif par réseaux de chaleur, et par celles du chauffage et du rafraîchissement d’immeubles du secteur tertiaire. Pourtant, Il existe un procédé encore inexploité en France qui utilise la « géothermie très basse énergie » pour le chauffage et le refroidissement de bâtiments : les fondations géothermiques. Il suffit pour cela d’équiper des pieux, dalles ou parois de tubes échangeurs de chaleur dès leur construction (la circulation d’un fluide caloporteur permet l’échange de l’énergie thermique avec le terrain). Ils permettent le chauffage du bâtiment comme son rafraîchissement. Nos pays européens voisins font état de nombreuses réalisations mettant en œuvre cette technique et particulièrement en Suisse, Cependant en France cela reste encore un domaine d’utilisation d’énergie renouvelable non exploité alors qu’il peut s’avérer être une alternative économique aux forages techniques, difficiles et coûteux.

• Les pieux énergétiques sont tout d’abord des géostructures, c'est-à-dire des ouvrages mis en place dans le sol ou en contact avec lui. Ce sont les fondations d’un bâtiment lorsque la portance du sol est trop faible. Les pieux en béton armé sont généralement d'un diamètre de 0.4 à 1.5 m et atteignent une longueur de quelques mètres à plus de 30 m de longueur. Un pieu énergétique est un pieu de fondation équipé d’un tube ou réseau de tubes de manière à pouvoir échanger de la chaleur avec le terrain. Il assure donc une double fonction : celle de reporter en profondeur les charges d’un terrain et celle d’échangeur de chaleur avec le terrain.
• Les tubes à l’intérieur des pieux constituent un réseau de conduites en polyéthylène, souvent des doubles ou quadruples U, selon le diamètre des pieux. Ces tubes sont ensuite noyés dans le béton pour assurer un bon contact thermique. Un fluide caloporteur, souvent de l'eau claire uniquement, circule dans un réseau en boucle entre les pieux et la pompe à chaleur, afin de pouvoir échanger la chaleur ou le froid du terrain. Tous les pieux nécessaires aux fondations d'un bâtiment peuvent être équipés d'un système énergétique. La conductivité thermique et la capacité de stockage font du béton un matériau de construction idéal pour des absorbeurs d'énergie thermique. D'autre part, à quelques mètres sous la surface de la Terre (15-20 m), la température devient très rapidement constante (9 –11° C sous notre climat). Ce niveau de température peut être utilisé pour le refroidissement de bâtiments en été et pour le chauffage en hiver par des conduites en matière synthétique, pour échanger la chaleur ou le froid du terrain. Ces conduites rejoignent un collecteur qui alimente une ou plusieurs pompes à chaleur. Le fonctionnement de l'installation se déroule sur un cycle annuel, avec une extraction de la chaleur du terrain pendant la saison de chauffage (injection de froid) et une extraction de froid pendant la période de climatisation (injection de chaleur dans le terrain). Les puissances installées varient de quelques kW à près de 1000 kW thermiques.
• La détermination des performances énergétiques d'un système de pieux échangeurs (quantité d'énergie pouvant être extraite ou injectée dans le sol pour satisfaire tout ou partie des besoins thermiques du bâtiment) nécessite la maîtrise des données suivantes :
  • les caractéristiques du sol qui déterminent le potentiel énergétique du terrain (propriétés thermiques du terrain et hydrogéologie locale) ;
  • le type, les quantités, dimensions et profondeurs des éléments de fondations ;
  • les caractéristiques de la (ou des) pompe(s) à chaleur ;
  • les besoins énergétiques (chaud et froid) annuels du bâtiment et sa conception énergétique. *
• Cette technologie simple et rationnelle ne demande pas des surcoûts excessifs mais nécessite, d'une part son intégration dès le début du projet, et d'autre part une réflexion globale sur les aspects de la construction et de la consommation de l'énergie. Il existe actuellement plus de 350 installations de type géostructures énergétiques en Autriche et en Allemagne, dont la puissance installée va de quelques dizaines de kW pour des petits immeubles jusqu'à 800 kW pour des grands bâtiments industriels. Actuellement en Suisse fonctionnent une trentaine d'installations de géostructures énergétiques, presque toutes situées dans le nord-est du pays.

Pieux forés

• Leur exécution nécessite un forage préalable exécuté dans le sol avec les outils appropriés avec ou sans protection d’un tubage ou de boue permettant d’assurer la stabilité des parois du forage. Après mise en place, si nécessaire, de la cage d’armatures, le pieu est bétonné en utilisant une colonne de bétonnage, selon la technique du tube plongeur qui descend jusqu’à la base du pieu.
• Il faut noter que les pieux forés à la tarière creuse ont connu un très fort développement ces dix dernières années et sont très utilisées dans les fondations de bâtiment. Le principe consiste à visser dans le sol une tarière à axe creux sur une longueur totale au moins égale à la longueur du pieu à réaliser, puis à l’extraire du sol sans dévisser pendant que, simultanément, le béton est injecté par l’axe creux de la tarière. On distingue trois types de tarière creuse : les tarières creuses sans enregistrement des paramètres de forage et de bétonnage, les tarières creuses avec enregistrement des paramètres de forage et de bétonnage (profondeur, pression de béton, quantité de béton), et ces mêmes tarières équipées en plus d’un tube de bétonnage télescopable rétracté pendant la perforation et plongeant dans le béton pendant le bétonnage. Ces pieux ne peuvent, évidemment, être armés qu’après l’opération de bétonnage. La mise en place des armatures sous leur propre poids ou par vibration devient délicate pour des pieux d’une longueur supérieure à 12 -15m.
• Au-delà, des techniques de béton armé avec fibres en acier ont été développées et permettent d’injecter directement dans le sol les fibres mélangées au béton. Grâce à l’amélioration spectaculaire du matériel de forage on peut exécuter des pieux de 600 à 1200mm de diamètre jusqu’à des profondeurs allant jusqu’à 30-35m. Actuellement les pieux à la tarière creuse sont parmi les moins chers sur le marché français.
• La solution la plus courante pour la réalisation des pieux en France étant le forage à la tarière creuse, il faudra adapter l’intégration des tubes échangeurs de chaleur à ce mode de mise en œuvre. L’expérience des entreprises montre que l’insertion de la cage d’armature dans le béton une fois celui-ci coulé ne pose pas de problème particulier à partir du moment ou le béton est suffisamment fluide, ainsi l’intégration des tubes PEHD à la cage nécessite seulement qu’ils soient fixés correctement à celle-ci.
• Les nouvelles techniques de forage de type « TUBAGE à l’AVANCEMENT CONCENTRIQUE », sont des alternatives fiables, efficaces et économiques, notamment avec l’usage de tubes perdus qui assurent une maîtrise totale du forage et de ces coûts de conception ainsi qu’une une garantie de résultat.
• De même que pour les sondes géothermiques verticales, les sondes installées dans ces pieux de fondation seront raccordées par des collecteurs situés dans un local technique.