La géothermie 2


Nous allons maintenant étudier les systèmes géothermiques afin de chauffer les habitations. Il va nous falloir déterminer où  l’énergie sera puisée: dans l’air, le sol ou les aquifères. Nous étudierons plus précisément le site afin de faire un choix viable pour cette région. Nous expliquerons succinctement le fonctionnement de la pompe à chaleur choisie, puis nous dimensionnerons l’installation. Une étude économique sera alors réalisée pour déterminer quelle est la viabilité de l’installation pour chaque bâtiment. Enfin, nous comparerons les émissions de gaz à effet de serre d’un tel système avec un chauffage électrique classique.

Les point traités sont les suivants:

I-Les choix

Le choix de la source d'énergie

Le fonctionnement de la pompe à chaleur

Le choix des capteurs

Le choix des émetteurs

II- Résultats du dimensionnement

Dimensionnement des PAC

Evalution économique

Emission de gaz à effet de serre

Conclusion

La bibliographie

Vous trouverez la feuille Excel, qui a été utilisée pour les calculs des lots libres en cliquant [ici]

I- Les choix


Le choix de la source d’énergie :

Il est possible de récupérer de l’énergie dans différentes sources comme l’air extérieur, l’air extrait, les eaux de nappes aquifères et le sol. La région où nous voulons installer notre PAC est très froide, avec une température de base hiver de -10°C. Nous pouvons d’ores-et-déjà exclure l’aérothermie utilisant l’air extérieur, puisque dès que les températures extérieures sont froides (<0°C), il y a des phénomènes de givrage au niveau de l’évaporateur de la PAC. Ceci entraîne un arrêt de l’installation et un surcoût d’énergie à fournir pour dégivrer [1]. L’aérothermie utilisant l’air extrait pourrait fonctionner mais il faut obligatoirement un chauffage d’appoint pour fournir la totalité d’énergie de chauffage. La ressource n’est pas inépuisable. Notre objectif étant de fournir la totalité de l’énergie de chauffage, nous avons exclu cette source.

Maintenant que l’aérothermie a été exclue, il nous faut étudier les données du sous-sol de la région afin de faire un choix entre les sources aquifères et le sol. Il faut cependant savoir que l’Auvergne est peut-être une des régions françaises les plus complexes et mal connues  en ce qui concerne la nature du sous-sol, comme on peut le voir sur la figure 1 ci-dessous, qui est un montage réalisé à partir de différentes cartes obtenues sur InfoTerre BRGM [1] :


Figure

1

. Figure comportant 2 cartes géologiques d'échelle et de précision différentes, obtenues grâce au visualiseur InfoTerre BRGM, ainsi que la légende de la carte au 1/ 1 000 000

On peut donc constater au travers de ces cartes que l’information est peu enrichissante pour le village de Champeix, car même si la carte au 1/1 000 000 nous dit que la zone sous le village date de l’Oligocène (zone g), dès que nous essayons de zoomer et de nous rapprocher du village les informations ne sont pas disponibles. Il existe cependant des cartes payantes plus complètes qui nous auraient sûrement fourni un peu plus de détails, mais cela n’aurait pas changé grand chose pour ce qui est de l’application de la géothermie dans la région.

D’après les renseignements qui nous ont été fournis lors de la visite de Champeix, il n’y aurait pas de nappe phréatique sous la zone de construction de l’éco-quartier. En effet, il y a un ruisseau qui coule l’hiver, mais l’été, celui-ci est asséché. On suppose que s’il y avait une nappe phréatique, le ruisseau serait alimenté toute l’année. Il faudrait tout de même faire un forage pour valider cette hypothèse. Nous avons donc appelé l’entreprise SOFATH, qui réalise des travaux de géothermie sur la parcelle  voisine, mais hélas il n’avait pas commencé les forages. Nous avons donc mis à l’écart les aquifères.

La source choisie est donc le sol. Cela constitue une valeur sûre puisque la température du sol est constante, environ 10°C toute l’année. Comme on peut le voir sur la figure 2 ci-dessous la température du sol est quasiment constante tous les mois de l’année à partir d’une certaine profondeur.

Le fonctionnement de la pompe à chaleur :

En faisant le choix de la source d’énergie, nous avons fait le choix de la PAC en même temps. C’est la source d’énergie qui détermine la technologie à utiliser. Nous allons donc utiliser une pompe à chaleur eau glycolée/eau.

Il y a deux types de PAC, les PAC à compression et les PAC à absorption. Ici nous avons à faire à une PAC à compression. Celle-ci est constituée d’un circuit fermé et étanche dans lequel circule un fluide frigorigène à l’état liquide ou gazeux suivant son évolution dans le cycle thermodynamique. Les différents composants de la pompe à chaleur sont les suivants : l’évaporateur, le compresseur, le condenseur et le détendeur [3]. On peut voir sur la figure 3 ci-dessous le fonctionnement de la PAC ainsi que son cycle thermodynamique.

Les paramètres importants à connaître pour une PAC peuvent être déterminés grâce au diagramme de Mollier ci-dessus, on a :

Energie prélevée : Segment 7,6

Energie récupérée : Segment 3,4

Energie dépensée : Segment 7,3

Coefficient de performance (COP) : Segment 3,4/Segment 7,3

Coefficient de réfrigération : Segment 6,7/Segment 7,3

Choix des capteurs :

Pour récupérer l’énergie du sol, il faut utiliser des capteurs enterrés. Il y a deux façons de disposer ces capteurs dans le sol: soit sous la forme de conduites enterrées horizontalement, soit sous celle de conduites en U engagées dans des forages verticaux (géosondes) [7]. Comme on peut voir sur la figure 4 ci-dessous, les capteurs disposés à l’horizontale nécessitent beaucoup plus de surface de sol que les capteurs verticaux.

Comme nous l’avons dis précédemment, nous nous trouvons dans une région froide,  il faudra donc enterrer les capteurs horizontaux assez profond pour éviter tout risque de gel. Un problème de mort du sol est souvent constaté avec les capteurs horizontaux. En captant la chaleur du sol, il va y avoir une dénaturation du sol impliquant des problèmes au niveau des minéraux présents.

Nous avons donc fait le choix d’équiper nos installations avec des capteurs verticaux afin que les habitants de l’éco-quartier puissent profiter pleinement de leur terrain (ex : planter des arbres) et afin d’éviter la mort du sol. De plus, nous avons contacté l’entreprise AUVERGNE FORAGE qui nous a donné quelques renseignements supplémentaires sur le terrain et sur les forages. Cette entreprise a réalisé un bon nombre de forages dans la région et a pu nous renseigner sur le sol. Le sol est notamment composé d’argile et de limon. Le sol peut fournir en moyenne 40W/mlinéaire. Le prix des forages est de 55€/mlinéaire.

Quelques préconisations pour l’implantation des forages : l’implantation des sondes les unes aux autres doit être réalisée dans le souci de limiter les interférences entre les sondes et également d’assurer l’exploitation dans la durée sans baisse significative des performances. Il faudra qu’il y ait une distance entre les sondes comprises entre 7 et 10 m [3]. Les sondes en U utilisées auront un diamètre de 32mm [9]. C’est généralement le diamètre utilisé pour de tel type de forage.

Le choix des émetteurs :

Les émetteurs vont permettre de chauffer effectivement les locaux. Il y a trois types d’émetteurs : les planchers chauffant, les radiateurs et les ventilo-convecteurs. Les radiateurs et les ventilo-convecteurs sont généralement utilisés pour les maisons rénovées. Dans l’éco-quartier, toutes les maisons seront neuves, donc nous allons utiliser un plancher chauffant.

Les planchers chauffant ont beaucoup d’avantages par rapport aux deux autres émetteurs. Il y aura un gain de place, puisque le système est installé dans le sol. Le chauffage sera plus  agréable, puisque la chaleur sera rayonnante et qu’il n’y aura pas de stratification de l’air. De plus la température de l’eau qui circule dans les tuyaux est de l’ordre de 35°C, cela assurera un coefficient de performance (COP) élevé pour notre pompe à chaleur, car en général les meilleurs COP sont obtenus quand la température de l’émetteur est faible [1].

II - Résultats du dimensionnement

Le dimensionnement des PAC:


Dans le chapitre précédent, nous avons déterminé les pertes thermiques de la maison, donc nous avons aussi déterminer la puissance de la PAC à choisir. Comme on peut le voir sur la figure 5 ci-dessous, si nous avons des pertes de 20kW, il nous faudra fournir 20kW pour garder la température de la maison constante.

En reprenant les résultats des déperditions thermiques nous avons :

Nous avons donc recherché des pompes à chaleur qui pourraient convenir pour fournir la puissance de chauffe nécessaire. Nous avons utilisé la documentation de DIMPLEX, Manuel de conduite de projet pompes à chaleur de chauffage et chauffage de l’eau sanitaire [9]. Pour ce référer  à ce manuel [cliquez ici].

Nous avons choisi des pompes à chaleur qui peuvent fournir un peu plus d’énergie ainsi que des forages plus profonds. Les calculs ont été fait pour des conditions particulières et donc la puissance à apporter ne sera pas figée à cette valeur toute l’année. Si par exemple les habitants veulent avoir une température ambiante plus élevée, la PAC et les capteurs pourront subvenir à ces besoins. Il y a néanmoins un bémol: le prix de l’installation sera plus élevé. Pour faire un choix plus précis, il faudra faire une étude pour chaque cas particulier. Voici les choix que nous avons effectués pour que nos bâtiments soient autonomes en énergie de chauffage :

Les lots libres :

La pompe à chaleur choisie est la SI7ME. Ces caractéristiques sont répertoriées dans les tableaux 2 & 3 ci-dessous :

Le temps de fonctionnement de la PAC pour fournir 100% des besoins de chauffage dans ces conditions est de 18,7h.

Les lots locatifs :

La pompe à chaleur choisie est la SI5ME. Ces caractéristiques sont répertoriées dans les tableaux 4 & 5 ci-dessous :

Le temps de fonctionnement de la PAC pour fournir 100% des besoins de chauffage dans ces conditions est de 19,4h.

L’EPHAD :

Il n’y avait pas de pompe à chaleur assez puissante pour fournir suffisamment d’énergie. Nous avons donc installé quatre pompes à chaleur de type SI14ME: une dans chaque bâtiment de l’EPHAD. Ces caractéristiques sont répertoriées dans les tableaux 6 & 7ci-dessous :

Le temps de fonctionnement de chaque PAC pour fournir 100% des besoins de chauffage dans ces conditions est de 18h.

Evaluation économique :

Nous allons évaluer le prix des installations géothermiques, l’économie annuelle et le retour sur investissement des installations que nous avons dimensionnées en tenant compte de toutes les aides fournies par les différents organismes (ANAH, crédit d’impôt, Aides régionales).

Les aides :

Toutes les aides disponibles sont décrites sur le guide pratique de l’installation géothermique de l’ADEME à l’adresse suivante : http://www.ademe.fr/particuliers/fiches/pacg/rub6.htm. Nous les avons récapitulées dans le tableau 8 ci-dessous :

Remarques : Des aides peuvent aussi être demandées à la région. Nous n’avons pas trouvé d’information sur ces aides et donc elles ne sont pas prises en compte dans l’évaluation économique.

Le prix des installations :

Les prix des PAC n’étant pas fournis, nous les avons estimés en fonction des prix trouvés sur internet.

Les calculs réalisés :

Le coût de l’installation :

La facture annuelle :

Economie annuelle :

Le retour sur investissement :

Les résultats de l’évaluation économique :

Comme on peut le voir dans les résultats du tableau 10 ci-dessus, les retours sur investissement pour les lots libres et locatifs sont relativement longs (≈ 15 ans). La durée de vie prévue d'une PAC est de 15 ans. Il vaudrait donc mieux opter pour une autre solution de chauffage afin que celle-ci soit viable. En revanche, pour l’EPHAD, les résultats sont positifs: le retour sur investissement est de 6,5 ans et le pourcentage d’économie de facture d’électricité annuelle est de 94%. On peut donc conclure que ce moyen de chauffage serait adéquat pour la maison de retraite. Afin de donner un exemple comparatif (EPHAD), nous étudierons ultérieurement une autre solution de chauffage, comme le poêle à bois ou la chaudière à bois.

Economie d’émission de carbone :

Nous allons comparer les émissions de carbone intervenant lors de l'utilisation d’un chauffage géothermique et d’un système électrique classique, afin de connaître le bénéfice écologique d’une telle installation. Pour réaliser cette étude nous nous sommes servis de la méthode présentée dans le livre de Jacques BERNIER intitulé « les pompes à chaleur » [1].

Nous allons considérer que la durée de vie de la PAC est de 15 ans. Il y a une perte de 3% de fluide frigorigène sur 15 ans et un taux de  récupération 75%  en fin de vie. Le fluide frigorigène qui est utilisé dans les PAC est le R-407C. L’impact direct de ce fluide sur l’effet de serre est quantifié de telle sorte qu’un kilogramme  de fluide frigorigène perdu  représente une quantité de 1600 kg de CO2. Maintenant il nous faut calculer l’effet de serre global (ESG) de la PAC par la formule suivante :

Avec l’effet de serre direct (ESD) calculé par la relation suivante :

et l’effet de serre indirect (ESI) calculé par la relation suivante :

Les résultats que nous avons obtenus sont répertoriés dans le tableau 11 suivant :

On peut voir que la diminution d’émission de CO2 est très importante, de l’ordre de 70% par rapport à un chauffage électrique classique. Le chauffage géothermique est donc clairement recommandé pour les personnes désirant diminuer l’émission des gaz à effet de serre de leur système  de chauffage.

Conclusion :

Pour conclure, nous avons pu voir que le chauffage par géothermie n’est pas très rentable pour les lots libres et les lots locatifs avec un temps de retour sur investissement de l’ordre de 15 ans. Malgré tout ce système permet de limiter notablement les émissions de gaz à effet de serre (70% en moins). Pour l’EPHAD, le chauffage par géothermie semble une option convenable puisque le temps de retour sur investissement est faible (6,5 ans), et comme dit précédemment, l’effet sur l’environnement est positif. Néanmoins il faudrait faire une étude beaucoup précise du sol de l’éco-quartier afin de connaître exactement le potentiel géothermique du sol. Il faudrait aussi récupérer les prix réels des PAC et de la pose en faisant des devis plus précis que l’étude économique que nous avons réalisée. Le travail effectué donne une vision d’ensemble sur le chauffage par géothermie et des ordres de grandeur de l’opération. Il nous semble intéressant de comparer le chauffage par géothermie avec le chauffage au bois, car la région est très riche en bois  et les installations sont moins coûteuses et tout autant écologiques.

La bibliographie:


·        

[1] : BERNIER Jacques, La pompe à chaleur, 2004

·        

[2] : http://www.mtcr.fr/Images/temperature%20moyenne%20du%20sol.jpg

·        

[3] : LEMALE Jean, La géothermie, 2009

·        

[4] : ADEME, Guide pratique des pompes à chaleur géothermique, http://www.ademe.fr/particuliers/fiches/pdf/pac_geo.pdf

·        

[5] : http://www.chaleurterre.com/forum/images/uploads/ummolae/Diag-Mollier_139.jpg

·        

[6] : http://www.climamaison.com/images/articles/550/capteurs-geothermiques.jpg

·        

[7] : GUILHENEUF, comprendre et dimensionner les installations domestiques à énergie renouvelables, 2009

·        

[8] : LE BART Jaques, Formation aux économies d’énergie pour le bâtiment, 2009 (Cours des compagnons du devoir)

·        

[9] : DIMPLEX, Manuel de conduite de projet pompes à chaleur de chauffage et chauffage de l’eau sanitaire, 2009