Article de référence | Réf : BE8591 v1

Techniques mises en œuvre
Géothermie de surface - Présentation et pompes à chaleur

Auteur(s) : Philippe LAPLAIGE, Jean LEMALE

Date de publication : 10 avr. 2010

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RÉSUMÉ

Réduire la consommation d'énergie et l'émission de gaz à effet de serre est une préoccupation et un engagement majeurs. La valorisation des ressources énergétiques du sous-sol situé à faible profondeur apparait depuis plusieurs années comme une alternative efficace aux méthodes classiques de chauffage. C'est ce que l'on appelle la géothermie de surface. Plusieurs dispositifs sont aujourd'hui disponibles pour extraire et utiliser la chaleur contenue dans les sols. Cet article propose ainsi de faire le tour des dispositifs actuels et de dresser un bilan des techniques. Le principe et le fonctionnement des pompes à chaleur dans la géothermie de surface y sont notamment décrits, ainsi que les performances observées.

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ABSTRACT

Reducing energy consumption and greenhouse gases emissions is a constant and major challenge. The valorization of low-depth subsurface energy resources has been considered for the last few years as an efficient alternative to traditional heating methods. This is called near surface geothermal science. many devices are currently available in order to extract and use the heat contained in soils. This article thus offers to review the current devises and assess the techniques. The principle and functioning of heat pumps in surface geothermal science are notably described as well as the performances observed.

Auteur(s)

  • Philippe LAPLAIGE : Docteur en énergétique - Ingénieur expert en charge des programmes de géothermie - Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (ADEME), Département Énergies renouvelables

  • Jean LEMALE : Ingénieur de l'École nationale supérieure des arts et métiers (ENSAM) - Ancien expert à l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (ADEME)

INTRODUCTION

Les pompes à chaleur permettent de valoriser des sources de chaleur à « basse température », comme l'air ambiant, l'eau des nappes souterraines, le sol... pour couvrir des besoins de chauffage et/ou de climatisation.

Ces systèmes de chauffage ont connu un développement important au début des années 1980, après le second choc pétrolier, en raison du coût élevé des énergies fossiles. Pendant quelques années, le nombre de pompes à chaleur vendues fut très important. Utilisant principalement l'air ambiant comme source de chaleur à valoriser, elles étaient généralement installées pour chauffer des maisons d'habitation en complément de chaudières au fioul existantes.

L'intérêt de cette technique énergétique originale, comme d'autres développées à la même époque (solaire thermique, géothermie, méthanisation...), s'est ensuite estompé avec l'effondrement du coût de l'énergie au milieu des années 1980. De plus, l'engouement suscité par les pompes à chaleur avait rapidement conduit aussi, à cette époque, à des effets pervers avec la mise sur le marché de certains produits mal installés, peu fiables et aux performances médiocres qui ont fini par porter atteinte à l'image de l'ensemble de la filière.

Il faudra attendre le début des années 1990 pour voir renaître le marché des pompes à chaleur dans le secteur de l'habitat dans des pays comme la Suisse ou la Suède où sont mises en place des politiques publiques volontaristes avec la promotion de démarches de qualité sur les produits et leurs installations portées par les professionnels. C'est ainsi que, grâce aux efforts techniques déployés, de nouveaux produits mieux conçus, plus fiables, plus performants prennent progressivement place. Mieux dimensionnés par rapport aux besoins, mieux installés, ils permettront au marché de se pérenniser. Dans le secteur des bâtiments tertiaires, l'essor de la climatisation au début des années 1990 favorise également le développement des pompes à chaleur réversibles.

Le marché se développant, de nouveaux concepts se dessinent à cette époque comme la valorisation des ressources énergétiques du sous-sol situé à faible profondeur par le biais de pompes à chaleur sur capteurs enterrés horizontaux ou verticaux. Ces nouveaux concepts donnent naissance à une nouvelle filière énergétique à part entière intéressant les usages thermiques des bâtiments : la géothermie de surface.

Plus généralisable du point de vue des ressources exploitables que la géothermie traditionnelle – limitée à la valorisation de ressources aquifères profondes par une utilisation directe de la chaleur prélevée – et nécessitant des investissements sous-sol moins lourds, la géothermie de surface offre des perspectives de développement prometteuses. Elle fait appel à des solutions techniques très variées :

  • puits canadiens et provençaux, pompes à chaleur sur capteurs enterrés – horizontaux, verticaux – champs de sondes géothermiques, qui font l'objet du dossier [BE 8 592] ;

  • géostructures et fondations thermoactives, pompes à chaleur sur nappes aquifères peu profondes, techniques de stockage thermique souterrain, qui font l'objet du dossier [BE 8 593].

Elle peut associer l'usage d'autres énergies renouvelables comme l'énergie solaire et intéresse pratiquement tous les types et tailles de bâtiments (de la maison individuelle aux grands bâtiments du tertiaire de plusieurs dizaines de milliers de mètres carrés). Enfin, grâce à la sobriété énergétique des solutions qu'elle met en œuvre, elle peut contribuer pleinement à la réduction des émissions de gaz à effet de serre dans le secteur du bâtiment – gros consommateur d'énergie et fort contributeur d'émissions de CO2  .

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-be8591


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1. Techniques mises en œuvre

La panoplie des solutions techniques disponibles pour valoriser la chaleur de la terre à faible profondeur est riche.

  • Les puits canadiens et les puits provençaux sont les techniques les plus anciennes. Elles ont été redécouvertes depuis peu avec la construction de bâtiments HQE (haute qualité environnementale) où elles sont généralement privilégiées pour leur faible coût. Il ne s'agit pas de techniques à même d'assurer en totalité le chauffage de bâtiments. Ce sont des solutions d'appoint, utilisées pour préchauffer de l'air ou le rafraîchir selon les saisons. Les puits canadiens ou provençaux peuvent équiper tous les types de bâtiment neuf, de la maison individuelle aux bâtiments tertiaires.

  • Le développement commercial des solutions avec pompes à chaleur sur capteurs enterrés horizontaux ou verticaux (on parle dans ce cas de sondes géothermiques verticales) remonte au début des années 1990. Il s'agit de techniques de chauffage ou de rafraîchissement à part entière. Les capteurs sont généralement constitués de boucles de polyéthylène enfouies dans le sol, dans lesquelles un fluide caloporteur circule en circuit fermé. Ce fluide prélève la chaleur du sous-sol, la transmet à la pompe à chaleur qui en élève le niveau de température et la restitue au milieu à chauffer. Ces techniques sont destinées au chauffage de maisons individuelles. L'implantation des capteurs horizontaux nécessite de disposer d'une surface de terrain équivalente à au moins une fois et demie à deux fois la surface à chauffer, alors qu'une sonde géothermique verticale d'une profondeur de 80 m suffit généralement pour chauffer une maison d'une surface d'environ 100 m carrés. La faible emprise des sondes géothermiques verticales permet assez facilement d'en multiplier le nombre et donc de satisfaire les besoins thermiques de bâtiments de taille importante. On parle dans ce cas-là de champs de sondes géothermiques. Le nombre de sondes est généralement compris entre quelques sondes et plusieurs dizaines. Les cibles concernées sont celles du résidentiel collectif et du petit et moyen tertiaire (maisons de retraite, bâtiments communaux, bâtiments industriels, immeubles de bureaux).

  • Les fondations thermoactives ou géostructures sont des systèmes qui fonctionnent selon le même principe que les sondes géothermiques...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -   Pompes à chaleur sur aquifères – État des lieux en Île de France – perspectives de développement.  -  ADEME (2000).

  • (2) - BERNIER (J.) -   La pompe à chaleur – Mode d'emploi.  -  Tome 1, PYC Éditions (1979).

  • (3) - LAPLAIGE (P.) -   Situation de la géothermie en France.  -  Document ADEME (2006).

  • (4) -   Les pompes à chaleur eau glycolée/eau sur plancher chauffant ou plancher chauffant-rafraîchissant sur capteurs horizontaux – Règles techniques et conseils de mise en œuvre.  -  Guide AFPAC, Deuxième édition (2005).

  • (5) - SANNER (B.), BECK (F.), DABRETEAU (V.), EUGSTER (W.J.), BOISSAVY (C.), TOUREILLE (A.), LAPLAIGE (P.) -   État de l'art de la technologie des pompes à chaleur géothermiques en Europe et en Amérique du nord.  -  Thermie B, Projet no DIS/1348/7-FR (1999).

  • (6)...

1 Sites Internet

ADEME-BRGM http://www.geothermie-perspectives.fr

Société Suisse pour la Géothermie http://www.geothermal-energy.ch/

Société Canada-clim http://www.canada-clim.com

Minewaterproject https://mijnwater.com/en/minewater-now

Site spécialisé pour la maison bioclimatique et le puits canadien http://www.batirbio.org

ADEME Chiffres clé du bâtiment http://www.ademe.fr

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