Les capteurs
Partout, la température croît depuis la surface vers l'intérieur de la Terre. Selon les régions l'augmentation de la température avec la profondeur est plus ou moins forte, et varie de 3 °C par 100 m en moyenne jusqu'à 15 °C ou même 30 °C.
Cette chaleur est produite pour l'essentiel par la radioactivité naturelle des roches constitutives de la croûte terrestre. Elle provient également, pour une faible part, des échanges thermiques avec les zones internes de la Terre dont les températures s'étagent de 1 000 °C à 4 300 °C.
Cependant, l'extraction de cette chaleur n'est possible que lorsque les formations géologiques constituant le sous-sol sont poreuses ou perméables et contiennent des aquifères (nappe souterraine renfermant de l'eau ou de la vapeur d'eau).
Puisage de la chaleur
Le sol l’eau et l’air sont les sources disponibles permettant une utilisation rationnelle de la chaleur contenue dans la nature. Tous emmagasinent l’énergie solaire.
Le sol présente la propriété de stocker la chaleur solaire sur une période assez longue.
La température des couches supérieures varie avec les saisons. Dès que la température est descendue en dessous de zéro, ces variations diminuent fortement.
La chaleur emmagasinée dans le sol sera puisée au travers d’échangeurs de chaleur horizontaux enterrés appelés capteurs horizontaux enterrés, ou, au travers d’échangeurs de chaleur verticaux, les sondes verticales (forage).
46%
énergie absorbée par la Terre
6 % énergie réfléchie par la surface de la terre
17 % énergie réfléchie par
les nuages 8%
énergie dispersée dans l'atmosphère
4 % énergie absorbée
par les nuages 19 %
énergie absorbée par la vapeur, l'ozone,
la poussière etc...
SOLEIL
Courbe annuelle de la température dans le sol.
Nous remarquerons une chute importante en dessous de 3,5/4 mètres, été comme hiver.
Dans tous les cas, le capteur enterré horizontal devra être hors gel.
Le capteur enterré horizontal reste donc tributaire de la température extérieure et se trouve dans la zone classée froide de la croûte terrestre.
0 5 10 15 20 0
5
10
15
20
Température en °C
Profondeur en m.
Température le 15 février
0 5 10 15 20 0
5
10
15
20
Température en °C
Profondeur en m.
Température le 15 mai
0 5 10 15 20 0
5
10
15
20
Température en °C
Profondeur en m.
Température le 15 août
0 5 10 15 20 0
5
10
15
20
Température en °C
Profondeur en m.
Température le 15 novembre
Les capteurs enterrés horizontaux.
Le terrassement sera exécuté par un professionnel qui décidera d’un travail en tranchées ou par décaissage.
La chaleur sera soutirée du sol par des tuyaux de polyéthylène (PE).
Dans le cadre d’un travail par décaissage, les tubes seront placés dans une fouille de 1,00 à 1,60 m de profondeur pour 2 niveaux et parallèlement les uns aux autres avec un écart de 0,60 m environ de façon à ce qu’il y ait 2 m de tube en place par m² de surface de captage. Les boucle de PE ne devront pas dépasser 100 m de longueur afin d’éviter que les pertes de charge et donc la puissance à fournir par la pompe ne soit excessive.
Les extrémités des tubes sont raccordées à des collecteurs de départ et de retour placés un peu plus haut afin de permettre le dégazage des tubes.
Une pompe assure la circulation de l’eau glycolée dans les tubes. Elle captera ainsi la chaleur emmagasinée dans le sol.
La quantité de chaleur pouvant être soutirée du sol est fonction de différents facteurs.
L’expérience montre qu’il est possible de compter avec une quantité annuelle moyenne de chaleur soutirée de 5 à 35 watts par m² de surface de sol selon les régions. La chaleur montant par convection des couches plus profondes n’est que de 0, 060 à 0,1 w par m² et peut donc être négligée comme source de chaleur au profit des couches supérieures. La quantité de chaleur qu’il est possible d’utiliser et donc la grandeur de la surface nécessaire sont fortement fonction des propriétés thermophysiques du sol et de l’énergie contenue dans les rayonnements, c'est-à-dire des conditions climatiques. Les propriétés thermiques comme la capacité thermique volumique et la conductibilité calorifique dépendent fortement de la composition et de la nature du sol. Les paramètres influant sont en premier lieu le degré d’humidité, la teneur en composés minéraux comme le quartz ou le feldspath ainsi que la propriété et la taille des spores remplis d’air. Pour simplifier, on peut dire que la capacité thermique et la conductibilité calorifique seront d’autant plus grandes que le sol est humide, contient plus de composées minéraux et moins de spores.
Chaque tube du capteur trouvera son apport en calories sur une zone active correspondant à un rayon égal à 30 cm. Un corps réchauffe toujours plus froid que lui. D’une façon naturelle l’énergie calorifique se dirige du chaud vers le froid. Il est donc théoriquement nécessaire d’espacer les tubes de 50 à 60 cm (pour le tube 20/24).
Un calcul non conforme du capteur conduit à un gèle certain du terrain collecteur. A cela il s’ensuit une formation de glace autour du tube. Il a été constaté des cavités de 15 cm autour des tubes et une dilatation du tassement de la terre provocant une ondulation du terrain. Ce phénomène est la cause du disfonctionnement des systèmes géothermiques de surface et conduit à un mode de chauffage non conforme et demandant réparation. Le problème ne peut être résolu sans intervention sur le dispositif de captage. L’expérience a prouvée que les tubes ne sont plus en contact avec la terre. Nous nous trouvons donc en présence d’un capteur « à air, enterré » et bien évidemment complètement inefficace.
Le travail en tranchées et parfois obligatoire dans le cas ou le stockage de la terre n’est pas possible lors du décaissage ou si le terrain présente des zones de faible enrochement.
Si la surface de captage le permet, il est toujours intéressant d’écarter les tranchées. Chaque tranchée fait 25 ou 50 mètres de long. On peut mettre 1 tube ou 2 par tranchée, voire 3 selon les régions. L’idéal étant de 1 tube à 1 mètre de profondeur. Les boucles de captage ne doivent pas être coupées ni diminuées. Elles seront toutes de la même longueur quelle que soit la forme adoptée en terre (droite ou en double v, triple v ou en zig zag). Néanmoins, dans le cas ou les boucles présenteraient des longueurs différentes, l’emploi d’équilibreurs est nécessaire. Le raccordement sur les collecteurs se fait au fur et à mesure de l’avancement et de la pose. Avant de remblayer, il est conseiller de mettre du sable au fond de la tranchée et sur les tubes capteurs. A moins d’avoir une terre exceptionnelle comme on peut le voir en Bresse, sachant que le pouvoir de transmission thermique du sable et peu satisfaisant.
Ne pas oublier la bande plastique avertisseuse. Il existe des kits de réparation pour les capteurs.
Pendant la pose, aucun raccord enterré ne sera utilisé. Les capteurs horizontaux devront être installés à une distance minimale de 2 m des arbres, 1,5 m des réseaux enterrés (eau, gaz, électricité, téléphone) et à 3 m des fondations, fosse septique, réseau d’eaux usées, puit.
Dimensionnement des sources froides pour pompe à chaleur eau glycolée/eau.
Capteur horizontal.
On entend par source froide sol, la couche la plus proche de la surface et d’une profondeur inférieure à 3,5 mètres.
Comme nous l’avons vu, les puissances qu’il est possible de soutirer du sol sont comprises entre 5 et 25 w/m² voire 35w/m² en sol aquifère selon la région.
Détermination de la puissance en watts par m²
Région 1
Région 2
Région 3
Région 4
Région 5
Région 6
Région 7
Région 8
Sol sableux sec 5 5 5 5 5 5 5 5
Sol sableux humide 10 9 11 13 9 9 13 12
Sol granuleux sec 11 10 12 14 9 10 15 13
Sol granuleux humide 13 12 14 16 13 13 17 15
Sol rocheux 15 13 16 18 15 14 19 16
Sol argileux sec 16 14 17 19 16 15 20 17
Sol argileux humide 18 17 19 20 17 17 22 18
Sol limoneux argileux 20 18 21 23 18 18 24 21
Sol limoneux 22 20 23 26 20 21 27 24
Limon +argile +tourbe 26 24 27 28 23 25 29 26
Sol aquifère 30 30 31 35 30 30 35 32
Détermination de la puissance par mètre de tube avec captage à un tube
Il en résulte une surface du sol en fonction des besoins calorifiques de l’habitation et de la nature du sol. La surface nécessaire sera déterminée selon la puissance frigorifique Qf de la pompe à chaleur. Qf est la différence entre la puissance de la pompe à chaleur (Qpac) et la puissance électrique absorbée (Ppac)
Qf = Qpac – Ppac
Exemple :
La pompe à chaleur ES SW 1-12 (compresseur ZR48K3E) présente à 0°C de température d’entrée de l’eau glycolée et 35°C de température de sortie de l’eau une puissance frigorifique de Qf= 8,4 kw.
Pour une puissance spécifique soutirée de 18 w/m², il en résulte une surface nécessaire pour la puissance soutirée (Se) de :
Qf Se =---m² qe
8400
Se =---= 466 m² de sol 18
Le nombre de circuits nécessaires, de 100 mètres de longueur chacun, en PE de 20/25 est de :
Se x 2 466 m² x 2
X = --- = --- = 9,32 soit 10 circuits 100 100 m
Nous mettrons donc 10 circuits sur une surface de 466 m².
Diamètre du PE
espacement
en m Tube/m² Puissance en W/m² en fonction de la nature du sol
10 15 20 25 30 35
16x20 0,30-0,35 3 3,33 5 6,66 8,33 10 11,66 20x25 0,45-0,50 2,2 4,556,80 9,09 11,3613,6315,90 26x32 0,60-0,75 1,66 6,029,0312,0415,0618,0721,08
Puissance en W/m
Dans le cadre d’un travail en tranchées, 10 tranchées de 50 m de long chacune.
En cas de capteur à 2 tubes, les valeurs chutes de 27 %
Quantité de fluide caloporteur
Un collecteur sera à prévoir en fonction du nombre de boucles du capteur. Le diamètre de la conduite d’alimentation sera supérieur à celui des circuits. Nous recommandons du PE de 32 (32 x2,9) de diamètre intérieur.
Conduite d’alimentation : 10 mètres (2x5m) de PE 32
m = nombre de circuits x 100 m x volume des conduites + longueur des conduites d’alimentation x volume de la conduite
= 10 x 100 x 0,201 litre/m + 10 m x 0,531 litre/m = 201 litres + 5,31 litres = 206,31 litres.
A cela nous ajoutons la contenance de l’échangeur de la PAC et du collecteur soit 208 litres au total.
0,201 et 0,531 correspondent au volume par mètre de tube selon tableau ci-dessous
Dimension du tube et épaisseur 20x2,0 25x2,3 32x2,9 40x2,3 50x2,9 63x5,8 63x3,6 Volume par mètre de tube 0,201 0,327 0,531 0,984 1,595 2,070 2,445
Perte de charge du capteur horizontal enterré
Voir les caractéristiques du débit de la pompe à chaleur sur la feuille technique.
Exemple 1600 litres/h
1600 litres/h
Débit par circuit = --- = 160 litres/h par circuit 10 circuits
∆ p = valeur R x longueur des tubes
Valeur R pour PE 20 x 2 à 160 litres/h = 123,88 pa/m selon tableau ci-après.
Valeur R pour PE 32 x 2,9 à 1600 litres/h = 520,61 pa/m selon tableau ci-après.
Diamètre du PE
espacement
en m Tube/m² Puissance en W/m² en fonction de la nature du sol
16 24 31,5 40 47 55
16x20 0,30-0,35 6 2,7 4 5,25 6,7 7,8 9,2 20x25 0,45-0,50 4,4 3,6 5,4 7,1 9,1 10,7 12,5 26x32 0,60-0,75 3,3 4,8 7,2 9,6 12,1 14,2 16,7
Puissance en W/m
∆ p circuit = 123,88 pa/m x 100 m = 12 388 pa
∆ p conduite d’alimentation = 520,61 pa/m x 10m = 5 206,1 pa
∆ p pac (voir feuille technique pac) = 32 900 pa
∆ p = ∆ p circuit + ∆ p conduite d’alimentation + ∆ p pac = 12 388 pa + 5206,01 pa + 32 922 pa = 50 516,10 pa = 505,16 mbar = 5,05 mCE
Dimensionnement du vase d’expansion pour capteur enterré
Vz + Vv
Vn = --- x (Pe + 1) Pe - Pst
Vn = volume nominal du vase d’expansion en litres Va = volume total de l’installation (eau glycolée) en litres
Vz = diminution de volume lors de la montée en température en litres = Va x β (β = coefficient de dilatation, produit standard = 0,01, voir fiche fabricant) Vv = réserve de sécurité de fluide en litres = Va x 0,005, minimum 3 litres Pe = surpression finale maximale en bars = Psi – 0,5 bar
Psi = pression de tarage de la soupape de sécurité = 3 bars Pst = pression d’azote (0,5 bar dans ce cas)
Vz = 20 litres x 0,01 = 2,08
Vv = 208 x 0,005 = 1,04 choisi 3 litres (réserve de sécurité) Pe = 3 bars – 0,5 bar = 2,5 bars
Pst = 0,5 bar
2,08 + 3 5,08
Vn = --- x (2,5 + 1) = --- x 3,5 = 8.89 soit 10 litres 2,5 – 0,5 2
Perte de charge
Tube en PE de 20mm intérieur
Débit L/h
Coefficient R perte de charge/m
Débit L/h
Coefficient R perte de charge/m
Débit L/h
Coefficient R perte de charge/m
Débit L/h
Coefficient R perte de charge/m
Débit L/h
Coefficient R perte de charge/m
Débit L/h
Coefficient R perte de charge/m 100 77.43 600 954.36 1100 2756.66 1580 5195.13 2060 8264.46 2540 11923.56 120 92.91 620 1010.72 1120 2844.97 1600 5310.76 2080 8405.38 2560 12088.34 140 108.40 640 1068.47 1140 2934.47 1620 5427.58 2100 8547.33 2580 12254.10 160 123.88 660 1127.58 1160 3025.16 1640 5545.28 2120 8690.30 2600 12420.82 180 139.37 680 1188.06 1180 3117.02 1660 5664.17 2140 8834.27 2620 12588.50 200 154.85 700 1249.88 1200 3210.07 1680 5784.13 2160 8979.27 2640 12757.15 220 170.34 720 1313.04 1220 3304.28 1700 5905.17 2180 9121.27 2660 12926.76 240 185.83 740 1377.03 1240 3399.65 1720 6027.28 2200 9272.28 2680 13097.33 260 201.31 760 1443.35 1260 3496.19 1740 6150.47 2220 9420.29 2700 13268.85 280 216.80 780 1510.47 1280 3593.89 1760 6274.71 2240 9569.31 2720 13441.33 300 232.28 800 1578.90 1300 3692.73 1780 6400.03 2260 9719.33 2740 13614.77 320 247.77 820 1648.62 1320 3792.72 1800 6526.40 2280 9870.35 2760 13789.16 340 263.25 840 1719.63 1340 3893.86 1820 6653.83 2300 10022.37 2780 13964.49 360 278.74 860 1791.92 1360 3996.13 1840 6782.32 2320 10175.38 2800 14114.78 380 294.22 880 1865.48 1380 4099.54 1860 6911.82 2340 10329.39 2820 14318.01 400 309.71 900 1940.31 1400 4204.08 1880 7024.44 2360 10484.38 2840 14496.19 420 325.20 920 2016.39 1420 4309.74 1900 7174.07 2380 10640.36 2860 14675.31 440 554.61 940 2093.73 1440 4416.53 1920 7306.74 2400 10797.33 2880 14855.38 460 599.48 960 2172.31 1460 4524.43 1940 7440.46 2420 10955.28 2900 15036.38 480 645.83 980 2252.12 1480 4633.45 1960 7575.21 2440 11114.22 2920 15218.32 500 693.66 1000 2333.17 1500 4743.58 1980 7711.00 2460 11274.13 2940 15401.20 520 742.94 1020 2415.44 1520 4854.82 2000 7847.82 2480 11435.03 2960 15585.02 540 793.66 1040 2498.94 1540 4967.16 2020 7985.68 2500 11596.90 2980 15769.77 560 845.82 1060 2583.64 1560 5080.60 2040 8124.55 2520 11759.74 3000 15955.45
Tube en PE de 32
Débit L/h
Coefficient R perte de charge/m
Débit L/h
Coefficient R perte de charge/m
Débit L/h
Coefficient R perte de charge/m
Débit L/h
Coefficient R perte de charge/m
Débit L/h
Coefficient R perte de charge/m
Débit L/h
Coefficient R perte de charge/m 100 10.40 440 45.77 780 148.07 1120 278.89 1720 590.85 2400 1058.45 120 12.48 460 47.85 800 154.78 1140 287.66 1760 615.10 2440 1089.52 140 14.56 480 49.93 820 161.61 1160 296.55 1800 639.78 2480 1120.96 160 16.64 500 52.01 840 168.57 1180 305.56 1840 664.86 2520 1152.80 180 18.72 520 54.09 860 175.66 1200 314.58 1880 690.36 2560 1185.01 200 20.80 540 56.17 880 182.87 1240 333.26 1920 716.27 2600 1217.60 220 22.88 560 58.25 900 190.21 1280 352.20 1960 742.59 2640 1250.57 240 4.96 580 60.33 920 197.67 1320 371.80 2000 769.31 2680 1283.92 260 27.04 600 62.41 940 205.25 1360 391.74 2040 796.44 2720 1317.64 280 29.13 620 64.49 960 212.95 1400 412.12 2080 823.97 2760 1351.74 300 31.21 640 66.57 980 220.77 1440 432.95 2120 851.90 2800 1386.21 320 33.29 660 68.65 1000 228.72 1480 454.21 2160 880.23 2840 1421.05 340 35.37 680 70.73 1020 236.78 1520 475.91 2200 908.95 2880 1456.26 360 37.45 700 122.52 1040 244.97 1560 498.05 2240 938.07 2920 1491.84 380 39.53 720 128.72 1060 253.27 1600 520.61 2280 967.58 2960 1527.78 400 46.61 740 135.04 1080 261.69 1640 543.60 2320 997.48 3000 1564.10 420 43.69 760 141.49 1100 270.23 1680 567.01 2360 1027.77
La sonde verticale
Le captage peut aussi s’effectuer en vertical. Ce principe est alors pris en charge, en fourniture et en pose par le foreur, directement auprès du client. Les forages sont de diamètre 120 à 160 mm dans lesquels sont insérés deux allers et deux retours en polyéthylène haute densité (PEHD).
Les forages sont alors comblés par de la bentonite permettant une meilleures conduction des calories et assurant une bonne résistance mécanique du conduit. Ce type de captage présente le grand avantage de ne pas monopoliser le terrain extérieur. Leur profondeur est de 70 à 130 m.
On trouve des puits à simple boucle ou à double boucle en U.
L’énergie calorifique captée varie de 20 W/m à 80 W/m. dans les meilleurs cas, parfois 100 W/m.
La distance entre deux sondes verticale sera de 5 m minimum
On peut considérer qu’à partir de 15 mètres de profondeur, la température est stable et qu’on enregistre une augmentation de celle-ci de 1 °C par 33 mètres d’augmentation de la profondeur.
Le forage est soumis à autorisation.
Capacité thermique en fonction de la profondeur de forage.
Sous-sol
Capacité d’extraction, W/m Longueur des sondes par KW de puissance thermique en m.Roche friable sèche 20 36
Roche dure 50 14
Roche dure haute conduct. 70 10
Gravier, sable sec <20 >35
Terre glaise, argile/humide 30-40 18-24
Calcaire compact 45-60 12-16
Grès 55-65 11-13
Granit 55-70 10-13
Basalte 35-55 13-20
Gneiss 60-70 10-16
Tableau de dimensionnement
Le dimensionnement exact est fonction de la nature du sol et des couches aquifères et ne pourra être déterminé que sur place par la société effectuant le forage.
Exemple de calcul en tube double en U Remarque :
La réduction du nombre de forages au profit de la profondeur de la sonde augmente la puissance de pompe nécessaire ainsi que les pertes de charge à vaincre.
Puissance moyenne soutirée Qe = 50 W/m de longueur de sonde.
QF = 5,0 KW (puissance frigorifique).
QF 5000 W
Longueur de la sonde L = --- = --- = 100 m Qe 50 W/m
Tube choisi : PE 32 x 2,9 à 0,531 litres/m
Quantité de fluide caloporteur
Conduite d’alimentation 10 m (2 x 5m) PE de 32
M = 2 x longueur de la sonde x 2 x volume des conduites + longueur conduites d’alimentation x volume de la conduite
M = 2 x 100 m x 2 x 0,531 litres/m = 217,7 litres soit 220 litres.
Perte de charge de la sonde verticale
Débit pompe à chaleur : 1600 litres/h selon feuille technique
Débit par tube en U : 1600 L/h : 2 = 800 Litres/h
∆ p = valeur R x longueur tube. Valeur R pour PE 32 à 800 L/h = 154,78 pa/m Valeur R pour PE 32 à 1600 L/h = 520,61 pa/m
∆ p capteur = 154,78 pa/m x 2 x 100 m = 30 956 pa
∆ p conduite d’alimentation = 520,61 pa/m x 10 m = 5 206,1 pa
∆ p pac (voir fiche technique pac) = 9000 ,00 pa
∆ p = ∆ p capteur + ∆ p conduite alim. + ∆ p pac = 30 956 pa + 5 206 pa + 9 000 pa = 45 162 pa = 451,62 mbar = 4,5 mWs
Calcul de la capacité du vase d’expansion, sonde verticale
Va = capacité sonde verticale + conduite d’alimentation = 220 litres.
Vz = Va x β = 220 litres x 0,01 = 2,2 litres
Vv = Va x 0,005 = 220 litres x 0,005 = 1,1 litre, considéré 3 litres (car 3 litres minimum)
2,4 litres + 3 litres
Vn = --- x (2,5 + 1) = 9,45 litres 2,5 bars – 0,5 bar
Le puisage dans la nappe phréatique
L’utilisation des nappes phréatiques devra être autorisée par l’agence de l’eau.
On réalise un puit d’aspiration et un puit d’infiltration.
La qualité de l’eau devra correspondre aux valeurs limites indiquées dans le tableau ci-dessous.
Le cas échéant, il sera utilisé un échangeur de chaleur intermédiaire. Si l’eau provient de lac ou d’étang, un circuit intermédiaire est obligatoire. Dans ce dernier cas, un capteur à boucle à eau glycolée peut être mis en œuvre.
Tenue de l’acier inoxydable et du cuivre aux corps contenus dans l’eau
Corps Teneur en mg/litre Inox Cuivre
Corps organiques Si détectable 1 2
Hydrogénocarbonate < 70
70 – 300
> 300
1 1 1
2 1 2/1
Sulfates < 70
70 – 300
> 300
1 1 3
1 2/3
3
Hydrogénocarbonate/sulfates < 1
> 1
1 1
2/3 1
Ammoniaque < 2
2 – 20
> 20
1 1 1
1 2 3
Chlorures < 300
> 300
1 2
1 2/1
Sulfures, chlore libre gazeux < 1
1 – 5
> 5
1 1 2/1
1 2 2/3
Fer dissous < 0,2
> 0,2
1 1
1 2
Gaz carbonique libre agressif < 5
5 – 20
> 20
1 1 1
1 2 3
Manganèse dissous < 0,1
> 0,1
1 1
1 2
Aluminium dissous < 0,2
> 0,2
1 1
1 2
Nitrates dissous < 100
> 100
1 1
1 2
Acide sulfhydrique (H2S) < 0,05
> 0,05
1 1
1 2/3
Propriété Valeurs limites Inox Cuivre
Dureté totale 7 à 15 °f 1 1
PH < 6
6 / 7,5 7,5 / 9
> 9
2 2/1
1 1
2 2 1 2
Conductivité électrique < 10 µS/cm
10 – 500 µS/cm
> 500 µS/cm
1 1 1
2 1 3
1 – Bonne tenue dans des conditions normales 2 – Risque de corrosion
3 – Ne convient pas
Les nappes phréatiques constituent un très bon réservoir d'énergie car leurs températures restent constantes tout au long de l'année (7 à 12 ° toute l’année). Le problème réside dans le fait qu'elles ne sont pas disponibles partout et pour certaines à des profondeurs importantes où il est difficile de les pomper voir même interdit. L'autre problème, la qualité, car certaines nappes sont riches en oxygène et chargées en minéraux ce qui risque d'endommager les puits, de ce fait, l'eau de la nappe phréatique ne devra en aucun cas être en contact avec l'air extérieur. Il n'y a pas que les nappes phréatiques pour utiliser une PAC eau/eau, les lacs, rivières et étangs constituent aussi de très bons réservoirs d'énergie. Dans tous les cas, je conseille d'utiliser un échangeur intermédiaire à plaques démontables afin de protéger la PAC car la nappe phréatique peut être de bonne qualité pour l'utilisation en direct dans la PAC mais on n'est pas à l'abri d'un glissement de terrain qui pourrait modifier la qualité de cette nappe. Le petit problème, avec l'échangeur intermédiaire, mis à part le fait qu'il est prudent de le protéger avec un filtre, que son démontage est fastidieux et oblige l'achat d'une pochette de joint à chaque fois, est la petite perte de puissance car l'écart de température entre l'eau de la nappe phréatique ou autres (circuit primaire) et l'eau glycolée (circuit secondaire) sera environ de 2°C. L'utilisation d'un filtre à sable de piscine peut être judicieux car la vanne 6 voies permet le nettoyage du filtre à contre courrant sans aucun démontage. Un filtre à nettoyage à contre flux muni d'un tamis de 90 à 100 microns peut parfaire la filtration et de cette façon la température utilisée dans l'évaporateur sera celle de la nappe sans la perte des 2°C. L'avantage part contre est que le circuit intermédiaire va protéger la nappe ou autres source thermique contre tout risque de pollution de celle-ci par le fluide de travail.
Les PAC eau/eau sont beaucoup plus performantes que les PAC air extérieur/eau car comme indiqué plus haut la chaleur spécifique de l'eau est de 1,1627 W/l soit pour 1 m3 l'eau apporte 3400 fois plus d'énergie que l'air. Le coefficient d'échange varie entre 150 et 500 W/(m².K) soit 10 fois plus que l'air et l'énergie nécessaire au transfert de chaleur est largement inférieure.
Avec l'exemple précédant, pour une récupération de 1 kW et en refroidissent l'eau de 5°C, le débit nécessaire sera de : 1000 / (1,1627 x 5) = 172 l/h, avec une perte de charge du circuit de l'ordre de 2500 mmCE et un rendement du circulateur d'environ 75%, la puissance du circulateur est donnée par la formule suivante :
P = 1 / r x D x pte / 360
P = puissance en W utilisée par le circulateur par rapport à la puissance récupérée r = rendement mécanique du circulateur
D = débit d'eau en m3/h
pte = perte de charge du circuit en mmCE
Soit pour l'exemple : 1 / 0,75 x 0,172 x 2500 / 360 = 1,59 W pour un transfert d'énergie de 1000 W ce qui représente 1,59 / 1000 x 100 = 0,16% de consommation d'énergie par rapport à l'énergie récupérée.
La condition pour l'utilisation de l'eau comme source froide est que sa température soit supérieure à 6°C pour éviter tout risque de gel dans l'évaporateur et donc la chute à adopter ne pourra pas être inférieure à 5°C, que son débit soit suffisant et sa qualité correcte. De toute façon une étude préalable est à faire.
Les pompes à chaleur sur nappe phréatique atteignent des coefficients de performance élevés grâce à une température de l’eau relativement constante toute l’année (7 à 12°).
En terme général, la profondeur de puisage n’excède pas 15 m de profondeur, sauf cas spéciaux ou débit industriel.
Une distance de 5 m minimum est à respecter entre le puisage et la réinjection. On devra en outre, prendre en compte le sens de circulation de l’eau de la nappe. Par ailleurs, le puit de réinjection sera réalisé de façon à ce que la sortie de l’eau soit à un niveau inférieur à celui du puisage (rapport 1,5 jusqu’à 15 m).
Une pompe de puisage véhicule l’eau de la nappe vers l’évaporateur de la PAC. Cette eau cède sa chaleur et est refroidie de 5 K selon le dimensionnement, sans que sa nature ne soit modifiée.
Elle est ensuite réinjectée dans la nappe phréatique. La qualité de l’eau peut exiger une séparation des circuits entre l’eau puisée et la PAC tel que défini plus haut.
Détermination du débit d’eau nécessaire.
Selon la formule suivante : Qf = m x Cp x (Tesf – Tssf) M = V x p
La puissance frigorifique Qf est la puissance de chauffage de la PAC Qpac moins l’énergie électrique motrice Ppac
Qf = Qpac – Ppac
Exemple :
Pour un débit d’eau de 2,5 m3/h et un refroidissement de 4 K, un débit de chaleur de 11,6 KW (puissance frigorifique) est fourni à l’évaporateur.
Qf = 2,5 m3/h x 1000 kg/m3 x 1,163 x 10-3 kw/h x K x 4 K
Qpac = puissance chauffage en KW Qf = puissance frigorifique en KW
m = débit massif en kg/h (voir fiche technique PAC) V = débit volumique en m3/h
p = densité en kg/m3
Tesf = température d’entrée en source froide en K Tssf = température de sortie en source froide en K
Cp = capacité calorifique ou chaleur spécifique en kwh/kg Ppac = puissance électrique absorbée en kw
Les dimensions de l’échangeur de chaleur circuit intermédiaire sont définies par le constructeur.
La sélection détermine la puissance, le débit volumique primaire, le débit volumique secondaire et les pertes de charge pour ces circuits.
Puisage de la chaleur dans l’air extérieur ambiant
PAC air extérieur/eau
Dans ce cas, on ne parle pas de géothermie mais d'aérothermie (même si le terme n'existe pas).
Le puisage de l'énergie dans l'air extérieur a l'avantage d'être le moins coûteux mais a l'inconvénient d'être le moins performant car les caractéristiques physiques de l'air ne sont pas très favorables et il est confronté au problème du givrage de l'évaporateur quand la température de l'air extérieure approchent des 5°C et qu'il est chargé d'humidité (le pire étant le brouillard givrant). L'humidité va rapidement se transformer en givre ou en glace et va obstruer l'évaporateur ce qui va demander un dégivrage donc une consommation d'énergie. Le dégivrage se fait généralement par inversion du cycle, l'évaporateur va devenir le condenseur et l'énergie nécessaire va être récupérée dans l'eau de chauffage qui va donc se refroidir. Le dégivrage va réduire le COP (coefficient de performance) de la PAC. Ceci est bien dommage car les performances augmentent avec le taux d'humidité et ceci est dû à la différence de chaleur spécifique, 1,1627 W/l pour l'eau (1m3 d'eau refroidie de 1°C représente un gain de 1162,7 W. 1kg d'eau condensée permet de récupérer environ 700 W) contre seulement 0,34 W/m3 pour l'air (1m3 d'air refroidi de 1°C représente un gain de 0,34 W). Cette faible chaleur spécifique de l'air va obliger à en véhiculer une quantité importante pour obtenir une bonne récupération d'énergie, car l'écart de température sur l'air ne pouvant pas être supérieur à 3 à 5°C. En général, le coefficient d'échange thermique varie entre 10 et 50 W/m²/°C de surface d'échange, donc pour obtenir un échange de chaleur important, il faudra développer la surface de l'évaporateur et faire circuler l'air à grande vitesse pour réduire l'écart moyen des températures entre l'air et l'évaporateur.
Pour pouvoir atteindre un coefficient de performance instantané élevé, il faut viser une température de départ la plus basse possible, 35° par exemple, avec un plancher chauffant. La majeure partie de la quantité d’énergie alimentant une installation de chauffage ne provient pas de l’énergie motrice du compresseur mais pour l’essentiel de l’énergie solaire emmagasinée dans le sol, l’air et l’eau. Cette part peut, selon le type de source d’énergie et en particulier sa température, être de 3 à 5 fois la quantité d’énergie alimentant le compresseur.
Le rapport chaleur utile/énergie électrique motrice du compresseur est appelé « coefficient de performance instantané ε »
ε = Qpac/Ppac
Qpac = puissance dégagée par la PAC au moment donné (KW)
Ppac = puissance électrique alimentant la PAC au moment donné (KW)
Une loi de base thermodynamique est valable pour chaque PAC : Plus la différence de température entre la source froide et la source chaude (installation de chauffage) est faible, plus le coefficient de performance sera élevé.
Le coefficient de performance annuel global β de la PAC est le rapport chaleur utile dégagée annuellement par la PAC/total de l’énergie électrique absorbée par la PAC.
β = Qpac/Wel
Qpac = chaleur dégagée en une année par la PAC (KW/h)
Wel = énergie électrique absorbée en une année par la PAC (KW/h).
Le grand avantage de la PAC air/eau est son absence de capteur physique car le captage se faisant dans l’air. Les paramètres principaux étant calculés par le constructeur.
La PAC couvre la totalité des besoins calorifiques jusqu’au point d’équilibre (voir graphique de performance de la PAC). En dessous de ce point, la PAC augmente la température de retour du chauffage et le second générateur de chaleur assure le reste du travail de chauffage.
Le dimensionnement sera effectué selon les graphiques de performance de la fiche technique
Par exemple, PAC AIR-CAL 11.85 :
Besoins calorifiques 7 KW
Température extérieure minimale – 7°
Température de départ maximale 55°
Le graphique de performance indique un point d’équilibrage de -4° à une puissance de 6,8 KW.
6800
- 4
