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Pompes géothermiques
(systèmes à énergie du sol)

Fonctionnement des pompes géothermiques
Le cycle de chauffage
Eau chaude de consommation
Le cycle de refroidissement
Composition de l’installation

Les pompes géothermiques utilisent le sol, les eaux souterraines ou les deux comme source de chaleur durant l'hiver et comme évacuateur de la chaleur récupérée dans la maison pendant l'été. C'est d'ailleurs pour cette raison qu'on les appelle pompes géothermiques. La chaleur est puisée dans le sol au moyen d'un liquide, comme de l'eau souterraine ou une solution antigel. Le liquide est chauffé dans la thermopompe, puis la chaleur est libérée à l'intérieur de la maison. En été, le processus est inversé : la chaleur est retirée de l'air de la maison et transférée au sol par l'eau souterraine ou la solution antigel. Dans les systèmes géothermiques à détente directe, la solution antigel est remplacée par du frigorigène dans un échangeur de chaleur souterrain.

Les installations géothermiques peuvent être utilisées conjointement avec une installation de chauffage à air pulsé ou un système hydronique. Elles peuvent également être conçues et installées de manière à assurer le chauffage seulement, le chauffage combiné à un refroidissement passif ou le chauffage et un refroidissement actif. Les installations réservées au chauffage ne fournissent pas de refroidissement. Les systèmes de refroidissement passif pompent de l’eau froide ou de l’antigel sans avoir recours à la thermopompe.

Les appareils de refroidissement actif fonctionnent de la façon décrite ci après.

Fonctionnement des pompes géothermiques

Tous les systèmes géothermiques comportent deux parties :

  • un réseau de tuyaux souterrains situés à l'extérieur de la maison et
  • une thermopompe placée à l'intérieur.

Contrairement aux thermopompes à air – dont un échangeur de chaleur (et souvent le compresseur) est placé à l'extérieur –, les pompes géothermiques sont installées entièrement à l'intérieur de la maison.

Le réseau de tuyaux extérieurs peut être à circuit ouvert ou à circuit fermé. Le réseau à circuit ouvert capte la chaleur contenue dans une masse d'eau souterraine, un lac ou une rivière. L'eau est pompée d'un puits jusqu'à l'échangeur de chaleur, qui en extrait la chaleur. L'eau est ensuite déversée dans un plan d'eau de surface, par exemple un ruisseau ou un étang, ou acheminée au réservoir souterrain par un autre puits.

Les installations à circuit fermé retirent la chaleur du sol au moyen d'une boucle continue et enfouie. Une solution antigel (ou du frigorigène dans le cas des systèmes géothermiques à détente directe) est refroidie par le système de réfrigération de la thermopompe à une température sensiblement inférieure à celle du sol, elle circule dans la boucle et elle absorbe la chaleur du sol environnant.

Le cycle de chauffage

Au cours du cycle de chauffage, l’eau souterraine, la solution antigel ou le frigorigène sont acheminés vers l’appareil placé à l’intérieur de la maison. Dans le cas des systèmes utilisant de l’eau souterraine ou une solution antigel, le liquide traverse l’échangeur de chaleur primaire (rempli de fluide frigorigène). S’il s’agit d’un système à détente directe, le frigorigène entre directement dans le compresseur, sans passer par un échangeur de chaleur intermédiaire.

La chaleur se transmet au frigorigène, qui est porté à ébullition jusqu'à ce qu'il se transforme en vapeur à basse température. Dans les systèmes à circuit ouvert, l'eau souterraine est ensuite rejetée dans un étang ou un puits. Dans les systèmes à circuit fermé, la solution antigel ou le frigorigène est réacheminé vers le réseau de tuyaux souterrains afin d'être chauffé de nouveau.

Le robinet inverseur dirige le frigorigène sous forme de vapeur vers le compresseur. Celui-ci comprime la vapeur, ce qui a pour effet d'en réduire le volume et d'en augmenter la température.

Enfin, le robinet inverseur pousse le gaz ainsi réchauffé vers le condenseur, où la chaleur est libérée. L'air réchauffé est ensuite soufflé dans le serpentin et pulsé dans le réseau de conduites afin de réchauffer la maison. Après s'être départi de sa chaleur, le frigorigène traverse le détendeur, dans lequel sa température et sa pression sont abaissées. Il est ensuite acheminé soit au premier échangeur de chaleur, soit dans le sol s'il s'agit d'un système à détente directe, puis le cycle recommence.

Eau chaude de consommation

Dans certains types de pompes géothermiques, un échangeur de chaleur (aussi appelé désurchauffeur) extrait de la chaleur du frigorigène chaud qui quitte le compresseur De l’eau en provenance du chauffe eau de la maison est pompée dans un serpentin situé en amont du condenseur, de sorte qu’une partie de la chaleur qui aurait été dissipée dans le condenseur sert à chauffer l’eau. Il y a toujours un surplus de chaleur lorsque l’appareil fonctionne en été en mode refroidissement et par temps doux en mode chauffage, quand la thermopompe est au dessus du point d’équilibre et ne fonctionne pas à pleine capacité. D’autres installations géothermiques chauffent l’eau de consommation sur demande.

Si les pompes géothermiques peuvent servir au chauffage de l’eau, c’est parce que leur compresseur se trouve à l’intérieur de la maison. Ces appareils ayant une capacité de chauffage relativement constante, ils peuvent habituellement assurer du chauffage pendant beaucoup plus d'heures que nécessaire pour chauffer la maison.

Le cycle de refroidissement

Le cycle de refroidissement s'effectue essentiellement à l'inverse du cycle de chauffage. Le robinet inverse le sens de l'écoulement du frigorigène, qui récupère la chaleur contenue dans l'air de la maison. Dans le cas des systèmes à détente directe, la chaleur est transférée directement. Autrement, elle passe soit dans l'eau souterraine soit dans la solution antigel. La pompe achemine ensuite la chaleur vers l'extérieur – jusqu'à un plan d'eau ou un puits de retour (circuit ouvert) ou jusqu'aux tuyaux souterrains (circuit fermé). Ici encore, il est possible d'utiliser une partie de la chaleur excédentaire pour préchauffer l'eau de consommation.

Contrairement aux thermopompes à air, les pompes géothermiques n'exigent pas de cycle de dégivrage. La température du sous-sol est en effet beaucoup plus stable que celle de l'air et, comme la pompe elle-même est située à l'intérieur, le givre ne cause pas les mêmes ennuis.

Composition de l’installation

Éléments de la pompe géothemique typique

Les systèmes géothermiques se composent de trois éléments principaux :

  • la thermopompe proprement dite
  • le liquide servant à l'échange de chaleur (circuit ouvert ou fermé)
  • le réseau de transport de l'air (conduites)

Il existe différents types de pompes géothermiques. Dans les appareils monobloc, le souffleur, le compresseur, l'échangeur de chaleur et le serpentin sont logés dans un même boîtier. Quant aux systèmes bibloc, ils permettent d'ajouter un serpentin à un système de chauffage à air pulsé et d'utiliser le souffleur et le générateur d'air chaud.

Systèmes de chauffage supplémentaire

La plupart des thermopompes doivent être complétées par une installation de chauffage d'appoint. Ce surplus de chaleur peut provenir de n'importe quel genre de système de chauffage dont le fonctionnement peut être commandé par le thermostat de la thermopompe. De nombreuses nouvelles pompes géothermiques utilisent des chauffe conduits afin de produire de la chaleur auxiliaire au delà de la capacité nominale du système géothermique.