Conception de systèmes géothermiques : un guide mondial complet

Les systèmes géothermiques exploitent la température souterraine constante de la Terre pour fournir le chauffage, le refroidissement et l'eau chaude pour les applications résidentielles, commerciales et industrielles. Ce guide offre un aperçu complet des principes de conception des systèmes géothermiques et des meilleures pratiques, destiné à un public mondial avec des conditions climatiques et des besoins énergétiques divers.

Comprendre l'énergie géothermique

L'énergie géothermique est une ressource renouvelable dérivée de la chaleur interne de la Terre. Contrairement à l'énergie solaire ou éolienne, l'énergie géothermique est disponible 24h/24, 7j/7, 365 jours par an, ce qui en fait une source d'énergie fiable et durable. La température de la Terre reste relativement constante en dessous d'une certaine profondeur (généralement 1,8 à 3 mètres), fournissant un puits de chaleur stable pour le refroidissement et une source de chaleur pour le chauffage.

Types de systèmes géothermiques

Les systèmes géothermiques sont généralement classés en deux catégories principales :

Pompes à chaleur géothermiques (PACG) : Ces systèmes utilisent la Terre comme source de chaleur en hiver et comme puits de chaleur en été. Ils sont généralement utilisés pour les bâtiments résidentiels et commerciaux.
Systèmes géothermiques à utilisation directe : Ces systèmes utilisent directement les ressources géothermiques à haute température pour diverses applications, telles que le chauffage urbain, les processus industriels et le chauffage de serres.

Conception de système de pompe à chaleur géothermique (PACG)

Les systèmes PACG sont le type de système géothermique le plus couramment utilisé dans le monde. Ils se composent de trois composants principaux :

Échangeur de chaleur souterrain (ECS) : Un réseau de tuyaux enfouis sous terre qui fait circuler un fluide caloporteur (généralement de l'eau ou un mélange eau-antigel).
Unité de pompe à chaleur : Un dispositif de cycle frigorifique qui transfère la chaleur entre l'ECS et le bâtiment.
Système de distribution : Un réseau de conduits ou de tuyaux qui distribue de l'air ou de l'eau chauffée ou refroidie dans tout le bâtiment.

Conception de l'échangeur de chaleur souterrain (ECS)

L'ECS est un composant essentiel d'un système PACG, et sa conception a un impact significatif sur les performances et l'efficacité du système. Plusieurs facteurs doivent être pris en compte lors de la conception d'un ECS, notamment :

Propriétés thermiques du sol : La conductivité thermique et la capacité thermique volumique du sol ou de la roche entourant l'ECS. Ces propriétés déterminent l'efficacité avec laquelle la chaleur peut être transférée vers ou depuis le sol.
Température du sol : La température du sol non perturbé à la profondeur de l'ECS. Cette température varie en fonction de l'emplacement et de la profondeur.
Besoins de chauffage et de refroidissement du bâtiment : La quantité d'énergie de chauffage et de refroidissement requise par le bâtiment.
Configuration de l'ECS : Le type d'ECS (horizontal, vertical ou étang/lac) et sa disposition.
Fluide caloporteur : Le type de fluide circulant dans l'ECS (eau, mélange antigel ou réfrigérant).

Types d'échangeurs de chaleur souterrains

Il existe plusieurs types de configurations d'ECS, chacune avec ses avantages et ses inconvénients :

ECS vertical : Se compose d'un ou plusieurs trous de forage creusés dans le sol, avec des tuyaux en forme de U insérés dans les trous de forage. Les ECS verticaux conviennent aux sites avec une superficie de terrain limitée. Exemple : Un ECS vertical installé dans une zone urbaine densément peuplée à Tokyo, au Japon.
ECS horizontal : Se compose de tuyaux enterrés horizontalement dans des tranchées. Les ECS horizontaux nécessitent plus de superficie de terrain que les ECS verticaux, mais sont généralement moins coûteux à installer. Exemple : Un ECS horizontal installé sur une grande propriété rurale en Alberta, au Canada.
ECS d'étang/lac : Se compose de tuyaux immergés dans un étang ou un lac. Les ECS d'étang/lac sont l'option la plus rentable si une étendue d'eau appropriée est disponible. Exemple : Un ECS d'étang utilisé pour chauffer et refroidir un complexe hôtelier au bord d'un lac en Suisse.
ECS en serpentin : Utilise des tuyaux enroulés dans une tranchée horizontale pour augmenter la surface d'échange thermique. Cela permet des profondeurs de tranchée moins profondes et une utilisation moindre du terrain par rapport aux boucles horizontales droites.

Considérations de conception de l'ECS

Conductivité thermique du sol : Une détermination précise de la conductivité thermique du sol est cruciale. Cela peut être réalisé grâce à des tests de réponse thermique (TRT). Le TRT consiste à faire circuler un fluide chauffé à travers un trou de forage d'essai et à mesurer le changement de température au fil du temps.
Espacement des trous de forage : Pour les ECS verticaux, un espacement approprié des trous de forage est essentiel pour éviter les interférences thermiques entre les trous de forage. L'espacement optimal dépend des propriétés thermiques du sol et de la profondeur des trous de forage.
Matériau de tuyauterie : Le polyéthylène haute densité (PEHD) est le matériau de tuyauterie le plus couramment utilisé pour les ECS en raison de sa durabilité, de sa flexibilité et de sa résistance à la corrosion.
Matériau de scellement : L'annulus du trou de forage (l'espace entre le tuyau et la paroi du trou de forage) doit être rempli d'un coulis thermiquement amélioré pour améliorer le transfert de chaleur et empêcher la contamination des eaux souterraines.

Sélection de l'unité de pompe à chaleur

L'unité de pompe à chaleur est responsable du transfert de chaleur entre l'ECS et le bâtiment. La sélection de l'unité de pompe à chaleur dépend des besoins de chauffage et de refroidissement du bâtiment, de la conception de l'ECS et des performances souhaitées du système.

Types de pompes à chaleur

Pompes à chaleur eau-air : Ces pompes à chaleur transfèrent la chaleur entre l'ECS et le système de distribution d'air du bâtiment. Elles sont généralement utilisées pour les systèmes de chauffage et de refroidissement à air pulsé.
Pompes à chaleur eau-eau : Ces pompes à chaleur transfèrent la chaleur entre l'ECS et le système de distribution hydronique du bâtiment (par exemple, chauffage par le sol radiant, chauffage par plinthes à eau chaude). Elles peuvent également être utilisées pour fournir de l'eau chaude sanitaire.
Pompes à chaleur à échange direct (DX) : Ces pompes à chaleur font circuler le réfrigérant directement à travers l'ECS. Les systèmes DX sont plus efficaces que les pompes à chaleur à source d'eau, mais sont plus susceptibles aux fuites et nécessitent une installation plus soignée.

Capacité et efficacité de la pompe à chaleur

La capacité de la pompe à chaleur doit correspondre aux besoins de chauffage et de refroidissement du bâtiment. Un surdimensionnement de la pompe à chaleur peut entraîner des cycles courts et une efficacité réduite, tandis qu'un sous-dimensionnement peut entraîner un chauffage ou un refroidissement insuffisant.

L'efficacité d'une pompe à chaleur est mesurée par son coefficient de performance (COP) pour le chauffage et son taux d'efficacité énergétique (EER) pour le refroidissement. Des valeurs de COP et d'EER plus élevées indiquent une plus grande efficacité.

Conception du système de distribution

Le système de distribution distribue de l'air ou de l'eau chauffée ou refroidie dans tout le bâtiment. La conception du système de distribution dépend du type de pompe à chaleur et de la disposition du bâtiment.

Systèmes de distribution d'air

Pour les pompes à chaleur eau-air, le système de distribution se compose d'un réseau de conduits et de registres qui distribuent l'air conditionné dans tout le bâtiment. Le réseau de conduits doit être correctement dimensionné et isolé pour minimiser les pertes d'énergie.

Systèmes de distribution hydroniques

Pour les pompes à chaleur eau-eau, le système de distribution se compose d'un réseau de tuyaux qui font circuler de l'eau chauffée ou refroidie dans tout le bâtiment. Les systèmes hydroniques peuvent être utilisés pour le chauffage par le sol radiant, le chauffage par plinthes à eau chaude et les ventilo-convecteurs.

Conception de système géothermique à utilisation directe

Les systèmes géothermiques à utilisation directe utilisent directement les ressources géothermiques à haute température pour diverses applications, telles que le chauffage urbain, les processus industriels et le chauffage de serres. Ces systèmes nécessitent généralement un puits géothermique pour accéder à l'eau chaude ou à la vapeur.

Conception de puits géothermique

La conception d'un puits géothermique dépend de la profondeur et de la température de la ressource géothermique, du débit requis et des conditions géologiques. Le tubage de puits doit être conçu pour résister aux températures et pressions élevées du fluide géothermique.

Conception d'échangeur de chaleur

Un échangeur de chaleur est utilisé pour transférer la chaleur du fluide géothermique à l'application. Le type d'échangeur de chaleur dépend de la température et de la composition du fluide géothermique et des exigences de l'application.

Conception du système de distribution

Le système de distribution distribue le fluide chauffé aux utilisateurs finaux. La conception du système de distribution dépend de la taille et de la disposition du système de chauffage urbain ou de l'installation industrielle.

Considérations mondiales dans la conception de systèmes géothermiques

La conception de systèmes géothermiques doit tenir compte de divers facteurs mondiaux, notamment :

Climat : Différents climats ont des besoins de chauffage et de refroidissement différents. Les conceptions d'ECS doivent être adaptées aux conditions climatiques spécifiques pour garantir des performances optimales. Par exemple, dans les climats plus froids, un ECS plus grand peut être nécessaire pour fournir un chauffage suffisant. Dans les climats plus chauds, l'accent peut être mis sur une évacuation efficace de la chaleur.
Géologie : Les conditions géologiques, telles que le type de sol, le type de roche et le niveau des eaux souterraines, ont un impact significatif sur la conception et l'installation de l'ECS. Par exemple, les sols rocheux peuvent nécessiter des techniques de forage plus coûteuses pour les ECS verticaux.
Réglementation : La conception et l'installation de systèmes géothermiques sont soumises à diverses réglementations, qui varient selon les pays et les régions. Il est essentiel de se conformer à toutes les réglementations applicables pour assurer la sécurité et la protection de l'environnement. Exemple : Certains pays européens ont des réglementations strictes concernant l'utilisation de réfrigérants dans les pompes à chaleur.
Coût : Le coût de la conception et de l'installation de systèmes géothermiques peut varier considérablement en fonction de l'emplacement, du type de système et de la complexité du projet. Une analyse coûts-avantages approfondie doit être effectuée avant de procéder à un projet géothermique.
Durabilité : Les systèmes géothermiques sont intrinsèquement durables, mais il est important de tenir compte de l'impact environnemental à long terme du système. Par exemple, l'utilisation d'antigel dans les ECS doit être minimisée pour éviter la contamination des eaux souterraines.
Sources et coûts de l'énergie : L'économie des systèmes géothermiques est étroitement liée au coût et à la disponibilité des sources d'énergie traditionnelles. Les régions où les coûts de l'électricité et des combustibles fossiles sont plus élevés peuvent constater un retour sur investissement accru pour les mises en œuvre géothermiques.

Exemples de systèmes géothermiques dans le monde

Islande : L'Islande est un leader mondial en matière d'énergie géothermique, une part importante de ses besoins en électricité et en chauffage étant satisfaite par les ressources géothermiques. Les systèmes géothermiques à utilisation directe sont largement utilisés pour le chauffage urbain, les serres et l'aquaculture.
États-Unis : Les États-Unis ont un grand potentiel géothermique, les PACG étant largement utilisées pour le chauffage et le refroidissement résidentiels et commerciaux. Le champ géothermique de Geysers en Californie est le plus grand complexe de production d'énergie géothermique au monde.
Nouvelle-Zélande : La Nouvelle-Zélande possède d'abondantes ressources géothermiques et les utilise pour la production d'électricité, les processus industriels et le tourisme. Rotorua est une destination touristique populaire connue pour ses attractions géothermiques.
Italie : L'Italie a été l'un des premiers pays à utiliser l'énergie géothermique pour la production d'électricité. Le champ géothermique de Larderello produit de l'électricité depuis 1913.
Kenya : Le Kenya est un important producteur d'énergie géothermique en Afrique. Les centrales géothermiques jouent un rôle de plus en plus important pour répondre à la demande croissante d'électricité du pays.
France : La France utilise l'énergie géothermique pour le chauffage urbain dans diverses villes. Le bassin parisien est une importante ressource géothermique.

Logiciels et outils pour la conception de systèmes géothermiques

Plusieurs outils logiciels sont disponibles pour aider à la conception de systèmes géothermiques, notamment :

GLD (Ground Loop Design) : Un logiciel pour la conception d'ECS.
EES (Engineering Equation Solver) : Un solveur d'équations à usage général qui peut être utilisé pour la modélisation de systèmes géothermiques.
TRNSYS : Un programme de simulation de systèmes transitoires qui peut être utilisé pour simuler les performances de systèmes géothermiques.
GeoT*SOL : Logiciel conçu spécifiquement pour la simulation et l'analyse de systèmes géothermiques.

Meilleures pratiques pour la conception de systèmes géothermiques

Pour assurer le succès d'un projet géothermique, il est essentiel de suivre les meilleures pratiques pour la conception de systèmes géothermiques, notamment :

Effectuer une évaluation approfondie du site : Évaluer les propriétés thermiques du sol, les conditions géologiques et les besoins de chauffage et de refroidissement du bâtiment.
Sélectionner la configuration d'ECS appropriée : Choisir la configuration d'ECS qui convient le mieux aux conditions du site et aux besoins énergétiques du bâtiment.
Concevoir l'ECS pour des performances optimales : Dimensionner correctement l'ECS et sélectionner les matériaux de tuyauterie et de coulis appropriés.
Sélectionner une pompe à chaleur à haut rendement : Choisir une pompe à chaleur avec un COP et un EER élevés.
Concevoir un système de distribution correctement dimensionné : S'assurer que le système de distribution est correctement dimensionné et isolé pour minimiser les pertes d'énergie.
Se conformer à toutes les réglementations applicables : S'assurer que la conception et l'installation du système géothermique sont conformes à toutes les réglementations applicables.
Surveiller les performances du système : Surveiller les performances du système pour s'assurer qu'il fonctionne efficacement.

L'avenir de l'énergie géothermique

L'énergie géothermique est une source d'énergie renouvelable prometteuse qui a le potentiel de jouer un rôle important dans la satisfaction des besoins énergétiques mondiaux. À mesure que la technologie progresse et que les coûts diminuent, les systèmes géothermiques deviennent de plus en plus attrayants pour un large éventail d'applications. La recherche et le développement continus sont essentiels pour améliorer encore l'efficacité et l'accessibilité financière des systèmes géothermiques et pour libérer tout le potentiel de cette précieuse ressource renouvelable.

Conclusion

La conception de systèmes géothermiques est un processus complexe qui nécessite un examen attentif de divers facteurs, notamment les propriétés thermiques du sol, les besoins de chauffage et de refroidissement du bâtiment, les conditions climatiques et la réglementation. En suivant les meilleures pratiques et en utilisant des outils logiciels appropriés, il est possible de concevoir et d'installer des systèmes géothermiques efficaces et durables qui peuvent permettre des économies d'énergie importantes et réduire les émissions de gaz à effet de serre. Ce guide complet a fourni une base pour comprendre les principes de conception des systèmes géothermiques et leurs applications dans divers contextes mondiaux. N'oubliez pas de consulter des professionnels qualifiés en géothermie pour la conception et l'installation spécifiques au site.