Efficacité des systèmes de pompe à chaleur géothermiques

L’énergie géothermique est considérée comme la cinquième plus grande source d’énergie renouvelable et est disponible dans le monde entier. [1] L’énergie géothermique est dérivée de l’énergie thermique produite et stockée dans le sous-sol de la Terre. L’énergie est accessible parce que l’eau des nappes phréatiques transfère la chaleur des roches souterraines vers la surface, soit par des forages, soit par des fissures ou des failles naturelles. 

 

Les pompes à chaleur géothermiques (PACg) constituent la plus grande part des applications directes de l’énergie géothermique. Composés de pompes à chaleur et d’échangeurs de chaleur géothermiques, les systèmes de PACg sont utilisés en été pour extraire la chaleur des bâtiments et la transférer dans le sol, et en hiver pour extraire la chaleur du sol et la transférer dans les bâtiments. 

 

Les systèmes de PACg ont été décrits comme étant plus stables et plus efficaces en termes de consommation énergétique que les systèmes plus répandus de pompe à chaleur aérothermiques. Leur COP dépend de la différence de température entre la source de chaleur et le puits de chaleur.  Plus la différence de température est faible, plus la pompe à chaleur sera efficace. Il a été rapporté que les PACg ont généralement un COP de l’ordre de 3-4, mais qu’il peut atteindre une valeur de 6 lorsque le système est bien conçu. [2] 

 

Avec des puissances thermiques allant de moins de 10 kWth à plus de 500 kWth, les systèmes de PACg sont adaptés aussi bien pour les maisons individuelles que pour de grands ensembles d’immeubles d’habitation. [2] Toutefois, leur coût d’investissement élevé, qui prend en compte le coût de forage et la difficulté de sécuriser les sites pour l’installation du système, complique leur introduction dans de petits bâtiments. Une précédente étude avait estimé que pour un système de PACg en boucle fermée typique, les travaux de terrassement et de forage peuvent représenter à eux seuls environ 60 % du coût total de construction. [3] 

 

La profondeur d’un échangeur de chaleur géothermique varie de quelques mètres à plus de 200 m, selon la technologie utilisée, la situation géologique, le profil de la demande et d’autres considérations liées à la conception. Par conséquent, afin de pouvoir installer des systèmes de PACg dans de petits bâtiments, des échangeurs géothermiques qui peuvent utiliser efficacement la zone d’installation et réduire le coût d’investissement initial sont nécessaires. 

 

 

Les PACg peuvent être équipées de deux types d’échangeurs de chaleur géothermiques : verticaux et horizontaux. Les échangeurs géothermiques verticaux présentent de nombreux avantages par rapport aux échangeurs horizontaux, tels qu’une efficacité énergétique supérieure et une surface d’installation beaucoup plus réduite. 

 

Un récent article de synthèse a passé en revue des études numériques et expérimentales sur l’impact de différents paramètres de construction et de fonctionnement sur l’efficacité thermique de l’échangeur géothermique vertical dans un système de PACg. [1] 

 

Les auteurs ont mis en évidence les points suivants : 

• Effets des matériaux de coulis (par exemple ciment, sable, argile, etc.) sur la performance thermique des échangeurs géothermiques  
• Influence de différentes configurations de tuyauterie sur la performance thermique des échangeurs géothermiques  
• Effets de la profondeur et du diamètre de forage sur la performance thermique des échangeurs géothermiques  
• Diverses problématiques liées à la performance des échangeurs géothermiques (par exemple, les méthodes de calcul des caractéristiques de transfert de chaleur au sol, le temps de récupération, la performance en climat arctique/froid, etc.) 

 

Les auteurs suggèrent qu’une efficacité accrue des échangeurs de chaleur géothermiques permet de réduire la profondeur du forage, ce qui diminue le coût d’installation. Par conséquent, l’identification et l’optimisation des paramètres de construction et d’exploitation qui peuvent réduire la profondeur du forage sont des défis de conception cruciaux. 

 

Pour plus de détails, merci de télécharger l’article complet sur FRIDOC : https://iifiir.org/fr/fridoc/critical-review-on-efficiency-of-ground-heat-exchangers-in-heat-pump-143267

 

 

Sources 

[1] Eswiasi A, Mukhopadhyaya P. Critical Review on Efficiency of Ground Heat Exchangers in Heat Pump Systems. Clean Technologies. 2020; 2(2):204-224. https://doi.org/10.3390/cleantechnol2020014 

[2] Carrara, S., Shortall, R. and Uihlein, A., Geothermal Energy - Technology Development Report 2020. Publications Office of the European Union. https://op.europa.eu/s/oQMr 

[3] Kim J, Nam Y. Development of the Performance Prediction Equation for a Modular Ground Heat Exchanger. Energies. 2020; 13(22):6005. https://doi.org/10.3390/en13226005