Généralités sur la géothermie

Généralités sur la géothermie 

La géothermie est une science qui regroupe l’ensemble des techniques d’exploitation de l’énergie thermique souterraine. Dans le bâtiment, cette énergie thermique est utilisée pour chauffer ou climatiser grâce à une pompe à chaleur géothermique. On distingue trois types de techniques : la géothermie très basse énergie, la géothermie basse énergie et la géothermie haute énergie.

Géothermies très basse et basse énergie 

Encore appelée géothermie «superficielle», la géothermie très basse énergie consiste à capter la chaleur dans les premiers cent mètres sous terre. On extrait de la chaleur du sol à tempérautre inférieure à 30°C au moyen d’un liquide caloporteur qui est pompé puis passé à travers une pompe à chaleur qui agit un peu comme un réfrigérateur à l’envers en ce sens qu’elle extrait la chaleur du liquide caloporteur et la rehausse puis retourne le liquide refroidi dans le circuit sous la terre pour qu’il s’y réchauffe à nouveau et puis pomper. Cette technique est adaptée pour le secteur résidentiel. La géothermie «basse énergie» qui fonctionne selon le même principe que la précédente. Elle capte son énergie de chaleur au moyen de puits creusés à des profondeurs allant de 120 à 2000 mètres. La température du liquide caloporteur peut y atteindre 30 à 100°C et celui-ci sera pompé, puis circulé dans un échangeur de chaleur pour être ensuite retourné dans le circuit en boucle. Cette technique permet le chauffage de bâtiments de grandes dimensions ayant une vocation industrielle ou commerciale.

Géothermie haute énergie 

Cette dernière technique consiste à produire de l’électricité grâce à l’énergie de source thermale contenue sous la terre, surtout dans les régions volcaniques comme l’Islande. Dans les applications aux bâtiments, la pompe à chaleur géothermique est constituée de trois parties essentielles : l’échangeur de chaleur souterraine qui sert de source ou de puits de chaleur, la thermopompe et la boucle de distribution. L’idée est d’exploiter l’énergie gratuite disponible presque en tout temps sous la terre. Selon la configuration de la boucle souterraine, on distingue des systèmes à boucle ouverte et des systèmes à boucle fermée. Et selon la disposition de la boucle souterraine, on a des boucles verticales et des boucles horizontales.

Différents systèmes géothermiques à pompe à chaleur

• Système à boucle ouverte
Dans ce type de boucle, c’est l’eau souterraine de la nappe phréatique qui sert de fluide caloporteur pour les échanges de chaleur avec le sol et est directement pompée dans la thermopompe. C’est un système peu coûteux à l’installation mais moins sûr pour sa durabilité car il n’y a aucune garantie quant à la qualité, ni la quantité d’eau qu’on peut pomper au fils du temps (R.N.Canada, 2003). Ce système est de moins en moins utilisé à cause des règlements de protection de l’environnement et du coût d’entretien élevé.

• Système à boucle fermée horizontale
Dans ce type de système, la tuyauterie de l’échangeur au sol est disposée horizontalement et échange de la chaleur avec le sol grâce à un fluide secondaire comme eau+glycol. Ce système semble efficace mais nécessite une grande surface pour son installation, ce qui limite son utilisation en zone urbaine.

• Système vertical à boucle fermée
Dans ce cas, l’installation requiert moins de surface que pour les boucles horizontales. Ce système très efficace est très couteux car son installation requiert un forage de puits dont les équipements nécessaires sont très onéreux. La plus part de ces systèmes existants, utilisent aussi, comme ceux de la boucle horizontale, un fluide secondaire pour échanger de la chaleur avec le sol.

• Système fermé à boucle déposée au fond d’un lac
Les boucles d’échange de chaleur sont déposées au fond d’un lac. Ce système est souvent conseillé aux habitations qui sont situés près de lac sauf qu’il faut recourir à une autorisation gouvernementale.

Généralités sur les pompes à chaleur 

Les différents types de pompe à chaleur 

Une pompe à chaleur doit aller puiser des calories. Différents milieux contiennent de la chaleur, on peut citer par exemple :
• L’air extérieur : la chaleur contenue dans l’air extérieur est prélevée par la pompe à chaleur pour être restituée dans l’air ambiant du logement ou dans l’installation de chauffage à eau chaude.
• L’eau : la chaleur contenue dans l’eau d’une nappe phréatique, d’un lac, etc., est prélevée par la pompe à chaleur. Elle est ensuite transférée par la pompe à chaleur dans l’installation de chauffage à eau chaude. Il est important de noter que l’exploitation des eaux est soumise à une réglementation.
• Le sol : la chaleur est prélevée dans la terre par l’enfouissement de tubes. Elle est ensuite transférée par la pompe à chaleur dans l’installation de chauffage à eau de chauffe. Il existe deux solutions techniques pour installer ces tubes : capteur horizontal ou sonde géothermique verticale.

Pour nommer et classer les pompes à chaleur, on cite en premier la source de chaleur, appelée aussi capteur (eau, eau glycolée, air, gaz etc.) et en second la partie chaude, c’est -à- dire le mode de restitution de la chaleur (eau, air, gaz, etc.). Les principaux types de systèmes de pompe à chaleur sont :
• Pompe à chaleur eau-eau : Les calories sont prélevées dans l’eau (nappe phréatique) et, côté utilisation, elles sont restituées dans un circuit contenant de l’eau (plancher chauffant, radiateurs, ventilo-convecteurs, etc.).
• Pompe à chaleur air-eau : Les calories sont prélevées dans l’air, et côté utilisation, elles sont restituées dans un circuit contenant de l’eau (plancher chauffant, radiateurs, ventilo-convecteurs, etc.)
• Pompe à chaleur air-air : Les calories sont prélevées dans l’air, et côté utilisation, elles sont restituées dans l’air comme dans les ‘’splits’’.
• Pompe à chaleur géothermique : on peut citer dans cette catégorie, les PAC eau glycolée-eau, PAC sol-eau (DX à capteur à fluide frigorigène) et PAC sol-sol (DX à capteur et émetteur à fluide frigorigène). La solution technique de géothermie la mieux maîtrisée est celle des pompes à chaleur géothermique à boucle secondaire ou PAC fluide caloporteur-eau (Figure 0.1). Dans ce cas, les calories sont prélevées dans la terre au moyen d’un circuit contenant un fluide caloporteur comme de l’eau glycolée, du propylène glycol, etc. du côté utilisation, elles sont restituées dans un circuit contenant par exemple de l’eau (plancher chauffant, radiateurs, ventiloconvecteur, etc.). La nouvelle technologie est à détente ou expansion directe (Figure 0.2) (PAC sol-sol ou PAC sol-eau). Le réfrigérant circule directement dans l’échangeur de chaleur géothermique.

Les principaux éléments d’une PACG DX 

Les éléments incontournables

Les composants indispensables pour constituer une boucle de pompe à chaleur DX comme d’ailleurs pour les autres types sont: le compresseur, l’évaporateur, le condenseur et le détendeur. Nous présentons pour chacun d’eux leur rôle tout en décrivant le phénomène thermodynamique dont ils sont le siège.

Le compresseur
Il aspire le fluide frigorigène à l’état gazeux puis le comprime, ce qui permet d’élever sa température et sa pression (il passe en haute pression). Dans les pompes à chaleur destinées aux maisons individuelles et aux petits immeubles résidentiels, les compresseurs sont généralement de type hermétique c’est-à-dire que le moteur électrique et le compresseur sont montés ensemble dans la même enveloppe qui est ensuite soudée. De cette manière, le fluide frigorigène ne peut pas s’échapper dans l’atmosphère. Les compresseurs utilisant la technologie scroll sont les compresseurs les plus courants pour les pompes à chaleur. Ces compresseurs à spirale présentent plusieurs avantages significatifs sur les autres types de compresseurs : ils comportent peu de pièces mobiles, ce qui permet une longévité supérieure et surtout un comportement du compresseur relativement silencieux. Les compresseurs à spirale ont donc permis l’installation de pompes à chaleur dans des endroits où elles auraient autrement été interdites en raison du bruit et des contraintes acoustiques. Un autre avantage du compresseur à spirale est sa bonne résistance à la pénétration de gouttes de liquide à l’intérieur de celui-ci.

L’échangeur géothermique
Contrairement à l’échangeur géothermique d’une PACG à boucle secondaire, où le transfert de chaleur entre le réfrigérant et le sol se fait grâce à un fluide caloporteur (comme l’eau glycolée, la saumure, le propylène glycol), dans une pompe à chaleur géothermique à expansion directe, le transfert de chaleur dans l’échangeur géothermique s’effectue directement entre le réfrigérant et le sol. Le changement de phase se produit donc au sol et la circulation du réfrigérant est assurée par le compresseur. En mode chauffage, l’échangeur géothermique se comporte comme un évaporateur alors qu’en mode climatisation, il est un condenseur.

Table des matières

INTRODUCTION
0.1 Généralités sur la géothermie
0.1.1 Géothermies très basse et basse énergie
0.1.2 Géothermie haute énergie
0.1.3 Différents systèmes géothermiques
0.2 Généralités sur les pompes à chaleur
0.2.1 Les différents types de pompe à chaleur
0.2.2 Les principaux éléments d’une PACG DX
0.2.2.1 Les éléments incontournables
0.2.2.2 Les composants secondaires
0.2.3 Le cycle thermodynamique d’une pompe à chaleur
0.2.4 Le rendement d’une pompe à chaleur
0.3 Problématique
0.4 Objectifs de la thèse et méthodologie
0.5 Contenu de la thèse
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Modélisation d’une pompe à chaleur géothermique
1.1.1 Modélisation de l’échangeur géothermique
1.1.1.1 Modélisation de l’échangeur géothermique à boucle secondaire
1.1.1.2 Modélisation de l’échangeur géothermique à expansion directe
1.1.2 Modélisation des autres composants autre que l’échangeur géothermique
1.1.2.1 Modélisation d’un compresseur
1.1.2.2 Modélisation d’un échangeur réfrigérant-eau
1.1.2.3 Modélisation d’une valve de détente thermostatique
1.1.2.4 Modélisation des composants secondaires
1.1.3 Modèle global d’une pompe à chaleur
1.1.4 Quelques méthodes de dimensionnement d’une pompe à chaleur géothermique
1.2 Résumé des études sur l’analyse des PACG DX
CHAPITRE 2 ARTICLE#1 EXPERIMENTAL ANALYSIS OF A DIRECT EXPANSION GEOTHERMAL HEAT PUMP IN HEATING MODE
2.1 Abstract
2.2 Résumé
2.3 Introduction
2.4 Description of the experimental setup and operation
2.4.1 Description of the experimental setup
2.4.2 System operation
2.4.2.1 Operating in cooling mode
2.4.2.2 System operation in heating mode
2.5 Experimental methodology
2.6 Data reduction and uncertainty analysis
2.7 Results and discussion
2.8 Conclusion
CHAPITRE 3 ARTICLE#2: MODELING OF THE DIRECT EXPANSION GEOTHERMAL HEAT PUMP USING ARTIFICIAL NEURAL NETWORK
3.1 Abstract
3.2 Résumé
3.3 Introduction
3.4 Méthodology
3.4.1 Using of the model
3.4.2 Model inputs-output’s selection
3.4.3 Methodology of data collection
3.5 Experimental set up and results
3.5.1 Data Collection Procedure
3.5.2 Data reduction and experimental results
3.5.2.1 Data reduction
3.5.2.2 Experimental result and discussion
3.6 Modeling of DX heat pump using ANN
3.7 ANN Results and discussion
3.8 Conclusion
CHAPITRE 4 ARTICLE#3: A COMPARATIVE PERFORMANCE STUDY OF A DIRECT EXPANSION GEOTHERMAL EVAPORATOR USING R410A, AND R407C AS REFRIGERANTS ALTERNATIVES TO R22
4.1 Abstract
4.2 Résumé
4.3 Introduction
4.4 Model used
4.5 Methodologylids
4.6 Results and discussion
4.6.1 Case #1
4.6.2 Case #2
4.6.3 Case #3
4.7 Conclusion
CONCLUSION

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