Améliorer la performance des pompes à chaleur géothermique

Par Emmanuelle Brière
juin 2013

Des scientifiques cherchent des moyens d’améliorer la performance des pompes à chaleur géothermique, un mécanisme prometteur pour puiser l’énergie thermique renouvelable du sol.
Photo d’une maison unifamiliale avec pompe à chaleur géothermique

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Maison unifamiliale avec pompe à chaleur géothermique

En toute saison, la température de la croûte terrestre à une profondeur dépassant dix mètres environ est quasi constante (environ 10 °C dans la région de Montréal). À l’aide d’une pompe à chaleur géothermique, l’énergie thermique du sol peut être puisée pour chauffer des habitations. Il est également possible d’inverser le procédé, en transmettant la chaleur dans le sol pour refroidir les maisons ou bâtiments au cours des périodes chaudes.

En puisant la chaleur du sol, les pompes à chaleur géothermique consomment jusqu’à 65 % moins d’énergie que les thermopompes à air classiques. Cependant, cette technologie a un coût d’installation élevé par rapport aux technologies de chauffage traditionnelles, particulièrement dans le cas des maisons unifamiliales.

Afin de rendre les pompes à chaleur géothermique abordables, les scientifiques de Ressources naturelles Canada (RNCan) recherchent de nouvelles façons d’améliorer la performance des pompes à chaleur géothermique et de réduire leur coût d’installation. Le but est de transférer ces connaissances vers l’industrie afin que celle-ci puisse concevoir des pompes à chaleur géothermique qui satisferont les constructeurs et les propriétaires de maisons.

Photo d’une pompe à chaleur géothermique à boucle fermée verticale

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Pompe à chaleur géothermique à boucle fermée verticale, un système constitué d'une série de puits verticaux creusés dans le sol en forme de U

Le CO2 : un réfrigérant de remplacement

Les pompes à chaleur géothermique comportent trois parties : un échangeur de chaleur souterrain, une thermopompe et un système de distribution d’air. L’échangeur de chaleur souterrain consiste en un réseau de tuyaux enfouis et reliés à la thermopompe. Les réfrigérants circulent dans les tuyaux et, selon la saison, libèrent ou extraient la chaleur, ce qui chauffe ou refroidit la maison, respectivement. Les réfrigérants les plus souvent utilisés dans les pompes à chaleur géothermique sont constitués de produits de synthèse qui peuvent être nuisibles pour l’environnement.

RNCan explore actuellement la possibilité d’utiliser des fluides plus efficaces que ces réfrigérants de synthèse, dont le dioxyde de carbone (CO2). « Le CO2 possède d’excellentes propriétés thermophysiques », dit Mohamed Ouzzane, chercheur scientifique au centre de recherche de RNCan à Varennes. « Et il nécessite moins d’énergie pour assurer sa circulation, ce qui signifie que la boucle souterraine de l’échangeur de chaleur peut être plus courte, réduisant ainsi le forage requis. »

Mohamed et son équipe travaillent actuellement au développement d’un modèle numérique destiné à étudier les phénomènes liés au débit de réfrigérant et à son transfert de chaleur avec le sol. Ce modèle servira à déterminer les paramètres clés de conception qui permettront de réduire la profondeur des puits et, par conséquent, le coût des pompes à chaleur géothermique.

Combiner les énergies solaires et géothermiques

Photo d’une pompe à chaleur géothermique combinée à un système solaire

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Pompe à chaleur géothermique combinée à un système solaire avec puits contenant du sable saturé entourant deux tubes en U (stockage en rouge et extraction de la chaleur en bleu).

Les chercheurs de RNCan collaborent aussi avec l’École de technologie supérieure et Polytechnique Montréal pour étudier une nouvelle configuration des pompes à chaleur géothermique qui réduira la pointe de la demande d’énergie et les coûts d’installation. Cette équipe teste actuellement une nouvelle configuration de forage, qui consiste en un double tube en « U » et à du sable saturé d’eau, combinés avec l’énergie solaire pour permettre le stockage d’énergie thermique autour du puits.

Le système utilise deux boucles souterraines, au lieu de la configuration traditionnelle à une seule boucle. Les deux boucles sont entourées d’un anneau de sable saturé d’eau utilisé pour le stockage d’énergie thermique. La boucle de la thermopompe extrait l’énergie du sol, ce qui abaisse la température au point de faire geler l’eau dans l’anneau de sable (en bleu sur la figure). La boucle d’énergie solaire emmagasine l’énergie dans l’anneau de sable en faisant fondre la glace et en élevant la température sous la surface du sol (en rouge sur la figure).

En permettant le gel et le dégel de l’anneau de sable et d’eau on augmente la densité d’énergie autour de la boucle. Cela a pour effet de diminuer la longueur de puits requise et, par conséquent, de réduire les coûts de forage (installation), tandis que le stockage d’énergie thermique permet de réduire la demande de pointe.

« Le stockage d’énergie solaire devrait contribuer à diminuer le forage requis, puisque la profondeur des puits dépend de la perte de chaleur lors des pointes de chauffage », dit Mohamed. « Cela permettrait de réduire le coût d’installation puis, nous espérons, d’attirer de nouveaux clients. De plus, ces activités de recherche permettront d’établir des guides et pratiques destinés aux entrepreneurs et concepteurs de pompes à chaleur géothermique. »

Pour plus de renseignements sur la recherche sur les pompes à chaleur géothermique, veuillez visiter le site de CanmetÉNERGIE.

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