Comprendre les systèmes de chauffage et de refroidissement géothermiques

Avec un accent accru sur la réduction des émissions d'énergie et de l'empreinte carbone qui occupe le devant de la scène, les systèmes de chauffage et de refroidissement géothermiques sont devenus populaires auprès des propriétaires à travers les États-Unis. Les systèmes géothermiques sont en place depuis les années 1940, en commençant par fournir le chauffage de base de l'eau. Au fil du temps, l'intégration de nouvelles technologies et des avancées dans les systèmes de traitement de l'air a fait des systèmes géothermiques une alternative commercialement viable aux systèmes de CVC plus conventionnels.

Les systèmes de chauffage et de refroidissement géothermiques, également appelés pompes à chaleur géothermiques (GSHP), assurent le chauffage et le refroidissement en échangeant de la chaleur avec le sol. Ces systèmes tirent parti du fait que la température du sol reste relativement constante tout au long de l'année, allant de 45 à 75 F. Selon la saison, le sol peut servir de source de chaleur ou de dissipateur de chaleur.

Le principal avantage des thermopompes géothermiques est qu'elles consomment de 25 à 50 % moins d'électricité que les autres systèmes de chauffage ou de refroidissement. De plus, même si les coûts d'installation initiaux peuvent être élevés, la période de récupération relativement courte de 6 à 7 ans compense l'investissement initial. Après cette période, il s'agit d'un système de CVC à faible entretien et économe en énergie pour votre maison.

Tous les systèmes de refroidissement et de chauffage géothermiques ont quelques composants communs. Il s'agit notamment d'un mécanisme de transfert du fluide caloporteur vers le sol et inversement, d'une pompe à chaleur pour déplacer le fluide et d'un système de distribution.

Jetons un coup d'œil à chacun de ces sous-systèmes et à leurs rôles.

Systèmes de boucle géothermique

Tous les types de systèmes géothermiques utilisent un maillage de tuyaux interconnectés utilisés comme échangeurs de chaleur placés sous terre. En hiver, lorsqu'il fait froid dans l'air mais chaud dans le sol, le réfrigérant contenu dans ces serpentins absorbe la chaleur du sol et la transfère dans le bâtiment. Le même processus est inversé pour les étés lorsque la chaleur est absorbée par le bâtiment et rejetée dans le sol.

Ce système de boucle se connecte à la pompe à chaleur géothermique. Il comprend le compresseur, la pompe et une unité de traitement de l'air en option si le système chauffe l'air. Cet air est ensuite distribué dans toute la maison à l'aide d'un système de conduits et d'évents.

Les systèmes géothermiques sont classés en fonction de la conception des échangeurs de chaleur. Ils peuvent être des boucles fermées, des boucles ouvertes, des boucles verticales, horizontales, des boucles d'étang ou des boucles slinky. Les systèmes en boucle fermée font recirculer le réfrigérant déjà présent dans le système. D'autre part, les systèmes en boucle ouverte rafraîchissent constamment le réfrigérant, en utilisant un lac d'eau douce ou un aquifère souterrain puisque le réfrigérant est principalement de l'eau dans ce cas.

Systèmes géothermiques en boucle fermée

Les systèmes en boucle fermée sont le type couramment utilisé pour les systèmes géothermiques. De l'eau, mélangée à de l'antigel ou à un autre réfrigérant approprié, est utilisée dans les serpentins de l'échangeur de chaleur pour servir de milieu d'échange de chaleur. Il n'est pas nécessaire de reconstituer le fluide dans le système en continu. Ce système peut être divisé en fonction de l'orientation des boucles d'échange de chaleur dans le sol.

Boucles verticales

Comme on le voit, les échangeurs de chaleur de ce type sont orientés verticalement. Des trous sont forés jusqu'à 400 pieds de profondeur et des tubes en U y sont placés. Plusieurs tubes en U dans différents trous sont ensuite connectés pour former un réseau fermé, qui est ensuite connecté à la pompe et au compresseur (s'il y en a un).

Le trou de forage est ensuite rempli de coulis pour fournir une meilleure conductivité thermique entre les tubes en U et le sol. Le nombre de forages, leur espacement, leur profondeur et le volume de fluide dans les tubes en U dépendent des caractéristiques du sol, des besoins de chauffage et de refroidissement de la maison, des variations de température.

Un avantage de cet agencement est qu'il peut être placé dans une petite surface par rapport aux boucles horizontales. Cela le rend idéal pour les petits propriétaires ou les écoles dans les zones bâties, où l'immobilier peut souvent être une prime. Mais des mesures préventives doivent être prises pour que les forages soient suffisamment solides pour ne pas s'effondrer. De plus, le sous-sol foré doit encore pouvoir retenir les bâtiments à proximité.

Boucles horizontales

Un système de boucles horizontales se compose de tuyaux qui sont placés dans une orientation horizontale le long du sol. Une tranchée peu profonde et longue, plus profonde que la ligne de gel, est creusée et des tubes en U y sont placés. Généralement, la profondeur est comprise entre 1 et 3 mètres. La longueur peut aller jusqu'à 400 pieds, selon les exigences spécifiques.

La profondeur peut avoir un effet profond sur les caractéristiques de chauffage et de refroidissement d'un système à boucle horizontale. Si elles sont trop peu profondes, les boucles peuvent absorber la chaleur du soleil lors du passage de l'hiver à l'été, lorsque le sol est encore relativement froid. Cela augmente la capacité de chauffage du système. Mais un effet négatif est que pendant les mois d'hiver, les boucles seront refroidies à un rythme plus rapide en raison de leur proximité avec la surface.

Ce problème peut être éliminé en augmentant la profondeur des boucles, l'augmentation du coût d'installation étant compensée par l'économie d'énergie. Une autre solution consiste à utiliser une couche supérieure thermiquement non conductrice au-dessus des boucles. Cela évite que les boucles ne soient affectées par la couche arable ou les changements atmosphériques de température.

Les systèmes de boucle horizontale sont plus adaptés aux zones avec une grande quantité de terrain disponible pour être creusé, comme les grandes fermes, les domaines de campagne, etc.

Boucles moulantes

Tout comme les boucles horizontales, les boucles slinky sont utilisées là où des boucles horizontales doivent être utilisées, mais il n'y a pas assez d'espace disponible. Les tuyaux en forme de serpentin sont placés dans des tranchées peu profondes semblables à des boucles horizontales. Ces boucles se chevauchent lorsqu'elles sont placées au fond de la tranchée. Cela fournit la même distance pour le passage du fluide dans les tuyaux, mais avec une longueur de couverture raccourcie de l'ensemble du système.

Boucles d'étang

Ces systèmes sont utilisés là où il y a un plan d'eau approprié à proximité. Les boucles peuvent être immergées sous l'eau ou placées sur le lit du plan d'eau. Un tel système n'a aucun coût de creusement ou de forage associé et, en cas de défaut ou de fuite, il permet une extraction facile du système de boucle. Le plan d'eau doit être suffisamment profond pour que les effets de surface de la température ne se traduisent pas dans les boucles.

Systèmes géothermiques en boucle ouverte

Les systèmes en boucle ouverte sont les plus simples de toutes les formes de systèmes de chauffage géothermique. Un tuyau à extrémité ouverte est utilisé pour puiser l'eau d'un aquifère souterrain, d'une source chaude ou d'une autre source d'eau appropriée. Cette eau est ensuite passée à travers les échangeurs de chaleur à l'intérieur de la pompe à chaleur. L'eau usée est ensuite rejetée au sein de la même source d'eau, à une distance appropriée de la prise d'eau. Les systèmes en boucle ouverte présentent toutefois quelques difficultés.

Une grande attention doit être portée pour s'assurer que l'eau d'entrée est suffisamment propre et a une composition minérale appropriée pour ne pas endommager la pompe à chaleur ou les échangeurs de chaleur. Les produits chimiques ou les solides dissous dans l'eau peuvent réagir avec le matériau des échangeurs de chaleur et servir d'accélérateur de corrosion. Du calcaire peut se former à l'intérieur des tuyaux, réduisant ainsi le débit d'eau.

De plus, les réglementations environnementales à certains endroits exigent que l'eau de sortie soit traitée avant d'être rejetée. Des réglementations encore plus strictes peuvent interdire complètement le rejet d'eau, nécessitant ainsi des systèmes en boucle fermée.

Pompes à chaleur géothermiques

Presque tous les types de systèmes géothermiques sont équipés d'une pompe à chaleur. Il est généralement installé dans une armoire, quelque part hors de vue. Une pompe à chaleur géothermique se compose d'un compresseur, d'un échangeur de chaleur et d'autres systèmes de contrôle connexes. Si le système de chauffage et de refroidissement utilise de l'air pour climatiser les espaces intérieurs, une unité de traitement d'air fait également partie de l'ensemble.

Les pompes à chaleur fonctionnent en échangeant de la chaleur entre le réfrigérant (généralement de l'eau) dans les boucles souterraines et le milieu dans les conduits. Pendant les mois d'hiver, l'eau absorbe la chaleur du sol et se dirige vers l'échangeur de chaleur de la pompe à chaleur. Le réfrigérant est ensuite comprimé, augmentant sa température et le transformant en gaz. La chaleur contenue dans le réfrigérant est ensuite extraite à l'aide d'échangeurs de chaleur et transmise à travers un système de conduits ou de tuyaux dans toute la maison. La dernière étape est généralement effectuée avec des centrales de traitement d'air si l'air est utilisé pour distribuer la chaleur.

Ce processus est inversé pendant les mois d'été. Avec le refroidissement géothermique, le réfrigérant absorbe la chaleur de l'intérieur et la rejette dans le sol à travers les boucles souterraines.

Système de distribution géothermique

Comme pour les systèmes de climatisation canalisés, les systèmes géothermiques utilisent également un système de conduits. Cela rend les systèmes géothermiques particulièrement adaptés aux projets de rénovation dans les maisons avec des conduits déjà installés. Les conduits existants peuvent alors être utilisés à cette fin.

Cela vaut pour les systèmes qui transfèrent la chaleur dans tout le bâtiment à l'aide d'air, appelés systèmes liquide-air. Les unités de traitement d'air, qui sont de gros ventilateurs, déplacent de grands volumes d'air à travers les conduits. Mais dans certains systèmes, l'eau est directement pompée dans les maisons à l'aide de tuyaux intégrés dans la structure de base de la maison ou via des radiateurs de chauffage - un tel arrangement est appelé eau-eau.

Les systèmes eau-eau peuvent également être utilisés comme chauffe-eau à usage domestique. Une pompe à chaleur géothermique peut maintenir l'eau courante à une température confortable de 120 F, ce qui est inférieur aux 150-200 F requis obtenus par les chaudières. Mais le préchauffage de l'eau par un système géothermique entraîne des économies d'énergie avec la chaudière.

Les arrangements eau-eau sont une option populaire pour les systèmes de distribution d'eau pour le chauffage et le refroidissement. Les boucles sont intégrées sous le sol ou dans les murs. Ces boucles restent invisibles et ne font aucun bruit tout en assurant le chauffage et le refroidissement. Un autre choix consiste à utiliser des systèmes de chauffage par plinthes en conjonction avec des systèmes géothermiques. Mais soyez prudent avec cette option et consultez un professionnel pour le bon dimensionnement de votre maison et les besoins en chauffage.

Coûts d'installation pour le chauffage et le refroidissement géothermiques

Les systèmes géothermiques présentent un investissement initial plus élevé que les systèmes de chauffage et de refroidissement domestiques contemporains, bien que ces coûts diminuent progressivement. Avec un taux de croissance d'environ 12 % par an sur le marché des systèmes géothermiques, de plus en plus de fabricants renforcent la concurrence et font baisser les prix.

En moyenne, les systèmes géothermiques domestiques peuvent coûter entre 10 000 $ et 30 000 $. La quantité exacte dépend des caractéristiques du sol, de la zone à creuser, qu'il s'agisse d'un système à boucle verticale ou à boucle horizontale, de la zone de conditionnement dans la maison, des conduits antérieurs et de la qualité de l'installation. Les versions haut de gamme peuvent coûter encore plus cher.

De plus, le choix entre eau-air et eau-eau peut également avoir une incidence sur le coût. Les pompes à chaleur eau-air sont le choix le plus économique entre les deux.

Le forage et le creusement peuvent représenter plus de la moitié du coût total d'installation d'un système géothermique. L'installation d'une pompe à chaleur géothermique pour l'ensemble du système peut également être coûteuse. Selon le Département américain de l'énergie, les coûts de chauffage et de refroidissement géothermiques s'élèvent en moyenne à 2 500 $ par tonne.

Avantages des systèmes de chauffage et de refroidissement géothermiques

Les avantages offerts par les systèmes géothermiques sont nombreux. Voyons-en quelques-uns :

• Efficacité énergétique

En ce qui concerne l'efficacité, les systèmes de chauffage et de refroidissement géothermiques surpassent de loin la climatisation conventionnelle. La raison principale en est qu'un système de pompe à chaleur géothermique n'éjecte pas de chaleur dans un environnement extérieur chaud, mais la transfère plutôt dans un environnement frais.

Comme indiqué précédemment, un système géothermique peut fournir des économies d'énergie allant jusqu'à 50 %. Cela peut sembler être une aubaine pendant les chauds mois d'été. Cela est dû en partie aux ratios d'efficacité énergétique élevés des systèmes géothermiques, atteignant jusqu'à 25, contre 15 pour les systèmes conventionnels. Le refroidissement géothermique peut donc avoir un impact majeur sur vos factures d'été.

• Commodité

Un système géothermique n'a pas beaucoup de pièces à prendre en charge, comme un système CVC conventionnel. Il n'y a pas de conduits; il n'y a pas de registres ou de persiennes ; aucun carburant ne doit être contrôlé. Vous n'avez pas à entretenir une fournaise l'hiver et une thermopompe l'été. Les deux principaux composants des systèmes géothermiques sont les boucles souterraines et la pompe à chaleur. Les boucles de masse sont installées dès le début et ont rarement besoin d'être entretenues à nouveau.

• Maintenance réduite

La durée de vie moyenne d'un climatiseur conventionnel est d'environ 10 à 15 ans. Mais ce n'est qu'après les soins et l'entretien nécessaires. Si vous négligez les soins CVC appropriés, la durée de vie peut être raccourcie.

Un système de chauffage ou de refroidissement géothermique, en revanche, peut durer de 20 à 50 ans. Un minimum d'entretien est nécessaire. Les boucles de masse n'ont pas besoin d'être vérifiées périodiquement et le système peut continuer à fonctionner pendant longtemps. En effet, un système géothermique n'est pas exposé à des éléments agressifs toute l'année. Un système CVC conventionnel est exposé au vent et aux variations de température, ainsi qu'aux polluants nocifs présents dans l'air.

Économies grâce au système de chauffage et de refroidissement géothermique

Assez parlé des coûts, parlons des économies ! À l'heure actuelle, les maisons installées avec des systèmes géothermiques sont admissibles à un crédit d'impôt fédéral de 30 %. En plus de cela, la plupart des États ou des services publics d'électricité offrent des rabais ou des subventions aux maisons utilisant des systèmes d'énergie géothermique. Cela peut également réduire considérablement les coûts de la pompe à chaleur géothermique. Pour savoir si vous êtes éligible à la remise, rendez-vous sur la Base de données des incitations de l'État pour les énergies renouvelables et l'efficacité.

Vos factures de services publics d'électricité vont également chuter. On estime que 42 % de la consommation d'énergie domestique est destinée aux besoins de chauffage. L'utilisation de systèmes géothermiques peut réduire cette utilisation de 50 %, selon les spécificités du site. Il en va de même pour les émissions de gaz à effet de serre.

Avec une durée de vie moyenne de 20 à 25 ans, les systèmes de chauffage et de refroidissement géothermiques peuvent entraîner jusqu'à 75 000 $ d'économies d'énergie au cours de leur durée de vie. La période de remboursement est beaucoup plus courte que cela, allant de 5 à 8 ans en moyenne. Comme vous pouvez le constater, même si les coûts de chauffage et de climatisation géothermiques peuvent être élevés au départ, ils seront rentables à plus long terme.

Devez-vous envisager des systèmes géothermiques ?

Absolument oui. Les économies d'énergie et les réductions d'émissions obtenues grâce aux systèmes géothermiques en font une proposition attrayante. Même si les systèmes géothermiques ne fournissent pas le package complet, ils peuvent être utilisés comme systèmes supplémentaires.

Le choix final dépend de votre situation spécifique :s'il s'agit d'une maison neuve ou ancienne, des capacités de chauffage et de refroidissement requises, et bien plus encore. Les finances doivent également être prises en compte. Les coûts des pompes à chaleur géothermiques peuvent sembler prohibitifs. Mais, comme toujours, avec les systèmes CVC, assurez-vous de consulter un professionnel chevronné avant de dépenser votre argent !