Conception des Systèmes Géothermiques
Comment détermine-t-on les dimensions souhaitables pour la pompe à chaleur d’un bâtiment?Une évaluation de la déperdition thermique (ou de la charge thermique) permettra de déterminer l’approvisionnement en chaleur nécessaire au bâtiment. La pompe à chaleur et le système d’appoint doivent, ensemble, pouvoir satisfaire cette demande, conformément aux impératifs de la norme de la CSA. La taille de la boucle doit aussi être adaptée aux dimensions de la pompe à chaleur. En moyenne, un système de quatre tonnes est suffisant pour répondre aux besoins d’une maison de 1700 pi2.
Le système géothermique est-il conçu pour satisfaire 100 p. 100 de la demande de chauffage de l’air et de l’eau? Un calcul de la déperdition thermique permettra de déterminer combien de chaleur est nécessaire pour assurer chacune de ces fonctions, mais la plupart des systèmes sont sous-dimensionnés et misent sur un système de chauffage électrique d’appoint pour assurer la relève lors des journées particulièrement froides d’hiver. Par ailleurs, un système géothermique est en mesure de satisfaire tous les besoins de climatisation.
Existe-t-il une norme nationale ou locale qui régit la conception des systèmes géothermiques?La conception des systèmes géothermiques est assujettie aux normes C445 (systèmes résidentiels) et C447 (systèmes commerciaux) de la CSA. Depuis mars 2002, les deux types d’installations sont régis par la norme C488 de la CSA. Nous ne connaissons aucune réglementation provinciale pour les systèmes géothermiques, bien que certaines municipalités ou d’autres organismes de réglementation puissent avoir mis de l’avant des directives ou des règles pour l’installation de tels systèmes.
Qu’est-ce qu’un système à circuit ouvert?Un tuyau sert à puiser l’eau d’un lac, d’une rivière, d’un puits artésien ou d’un aquifère. La pompe à chaleur fait circuler l’eau dans le circuit d’extraction de la chaleur puis retourne l’eau à la source, par l’entremise d’un second tuyau. Selon les normes, la quantité d’eau extraite ne doit pas nuire à l’écosystème et le secteur d’évacuation de l’eau doit être pris en considération (p. ex., si l’eau légèrement plus chaude doit être retournée dans un lac en été, l’évacuation ne doit pas se faire dans un secteur écologiquement vulnérable).
Le tuyau en boucle est fixé au fond d’un lac ou d’une rivière, à une profondeur suffisante, et capte directement la chaleur de l’eau. Le tuyau doit être lesté afin d’éviter qu’il ne se déplace et doit être protégé à son point d’entrée dans le lac afin d’éviter qu’il ne soit endommagé par le mouvement des glaces au printemps. La position du tuyau est déterminée de manière à prévenir tout endommagement par les ancres de bateau. L’extraction de chaleur est si faible et si dispersée que la faune et la flore marines de même que les écosystèmes ne subissent aucun effet, même à proximité de la boucle.
On utilise un trépan pour effectuer un forage dans lequel sera inséré un des tuyaux qui constituera la boucle. Le circuit est scellé selon les règlements provinciaux. Il s’agit de la configuration la plus efficace puisque le système capte alors la chaleur solaire à la surface du sol et la chaleur magmatique, en profondeur. Cette configuration est particulièrement adaptée aux propriétés de faible surface.
Qu’est-ce qu’un circuit fermé horizontal?On creuse une tranchée profonde d’au moins quatre pieds. On y place un tuyau de polyéthylène haute densité et la tranchée est ensuite soigneusement remplie de manière à ne pas créer de poches d’air et à ne pas endommager le tuyau. Chaque tranchée peut loger jusqu’à six tuyaux dans la mesure où ceux-ci sont suffisamment espacés les uns des autres. Il n’est pas nécessaire que les tuyaux soient parfaitement horizontaux.
Pourquoi n’y a-t-il pas de consensus en matière de dimensionnement des systèmes?La plupart des consommateurs constateront un excellent rendement et d’enviables économies s’ils optent pour un système géothermique qui compense de 70 à 75 % de la déperdition thermique totale du bâtiment. Lorsque la température extérieure se situe dans la plage d’équilibre, le système géothermique satisfait tous les besoins thermiques du bâtiment; en deçà de cette plage, le système géothermique recourt à un chauffage d’appoint, assuré par une résistance électrique intégrée. La plupart du temps, la température extérieure se situe dans la plage d’équilibre. Un système dimensionné à 70 % peut assumer 95 % de la charge thermique; toutefois certains distributeurs préfèrent installer un système qui compense 100 % de la déperdition thermique, ce qui permet d’éliminer le recours à un système de chauffage auxiliaire mais ce qui fait aussi grimper les coûts (puisque la boucle doit être plus longue).
Quelle est la différence entre un circuit fermé et un circuit ouvert?Un circuit fermé recourt à une boucle continue dans laquelle circule un fluide (souvent un mélange d’antigel) pour extraire la chaleur du sol ou de l’eau à proximité de la boucle. Dans un circuit ouvert, un tuyau est utilisé pour puiser de l’eau dont la chaleur est destinée à être captée par une pompe à chaleur. Un second tuyau sert à évacuer l’eau, habituellement en aval du tuyau d’extraction.
Faut-il installer des conduits d’air?Un système géothermique se prête au chauffage à air pulsé et au chauffage à eau chaude. S’il s’agit d’un système à air pulsé, il faut prévoir des conduits d’air qui serviront à faire circuler l’air chauffé dans l’ensemble du bâtiment. Étant donné que la vitesse de conditionnement de l’air est plus faible dans un système géothermique que dans un système classique, le volume d’air qui doit circuler est supérieur à celui d’un système à combustible, aussi les conduits doivent-ils afficher une capacité supérieure (mesurée en pieds cubes par minute).
Quelle est la différence entre une boucle souterraine et une boucle submergée?Ces deux types de boucle extraient la chaleur de la terre (sol ou eau) et cette chaleur est transférée à l’aide d’une pompe à chaleur. Les fluctuations de température sont habituellement plus marquées dans l’eau que dans le sol (p. ex., si la boucle submergée est située près d’une décharge glaciaire). De plus, le niveau d’eau est plus vulnérable aux variations climatiques (p.ex., sécheresse).
Que faire s’il n’y a pas suffisamment d’espace pour installer une boucle horizontale?On peut opter pour une boucle verticale (tuyaux insérés dans des forages). On peut aussi opter pour un système à circuit ouvert s’il existe une source d’eau suffisante. Enfin, on peut installer un serpentin ou plusieurs tuyaux dans une même tranchée.
Quels sont les éléments d’un système géothermique?Un système compte sur trois fonctions fondamentales: le captage de l’énergie à l’aide de la boucle souterraine (ou de la boucle verticale ou d’un circuit de lac); la conversion de la chaleur à l’aide de la pompe à chaleur et du compresseur; et la diffusion de l’énergie thermique grâce au système de circulation (conduits ou plancher chauffant).
Un système géothermique peut-il satisfaire tous les besoins thermiques sans recourir à un système de chauffage d’appoint?Un système peut être conçu pour satisfaire 100 % des besoins thermiques même les jours d’hiver les plus froids du Canada, mais le coût d’un tel système serait prohibitif. Un système conçu pour assurer 70 % de la charge thermique calculée est idéal dans la mesure où un élément de chauffage électrique y est intégré. Dans le passé, certaines erreurs de calcul de la déperdition thermique se sont traduites par un dimensionnement insuffisant, mais la nouvelle norme de la CSA (C448) a été élaborée de manière à éviter ce genre de problème.
Quelle doit être la longueur de la boucle souterraine?La longueur du tuyau est fonction de deux facteurs: les besoins thermiques du bâtiment (plus les besoins thermiques sont élevés, plus la pompe doit être grosse et plus la boucle doit être longue) et les caractéristiques de transfert de chaleur du sol (un sol sec, léger et poreux peut exiger une boucle trois fois plus longue qu’un sol humide et dense). Des logiciels de conception permettent de déterminer la longueur de tuyau nécessaire à chaque installation. L’industrie a déterminé qu’un système de quatre tonnes est habituellement suffisant pour approvisionner une maison typique. Pour chaque tonne attendue d’un système géothermique, il faut prévoir de 400 à 500 pieds de boucle horizontale ou de 300 à 350 pieds de boucle verticale. On peut installer jusqu’à six tuyaux dans une tranchée horizontale dans la mesure où ils sont suffisamment séparés les uns des autres.
Quels sont les avantages d’un système à circuit ouvert par rapport à un système à circuit fermé?Les systèmes à circuit ouvert sont moins coûteux à l’installation (étant donné l’absence d’excavation ou de forage) et sont plus efficaces (la chaleur de l’eau est transmise sans le recours à un intermédiaire, tel qu’une solution antigel). Pour leur part, les systèmes à circuit fermé sont plus fiables (ils ne dépendent pas d’un approvisionnement en eau suffisant) et n’ont pas de répercussions sur l’écologie. Souvent, les systèmes à circuit fermé sont moins coûteux à l’exploitation parce que la pompe n’est pas aussi sollicitée que dans un système à circuit ouvert.
Quel est le rapport entre les dimensions de la pompe à chaleur et la longueur de la boucle?Plus la charge thermique (demande de chaleur) est élevée, plus la pompe à chaleur doit être grosse. Plus la pompe à chaleur est grosse, plus la boucle doit être longue.
Combien d’énergie un système géothermique consomme-t-il?La pompe, le compresseur et le ventilateur de circulation d’air (dans le cas d’un système à air pulsé) fonctionnent tous à l’électricité. Le système d’appoint, qui entre en fonction lorsque la température extérieure est particulièrement basse, consomme également de l’électricité. Enfin, si un module chauffe-eau est installé, celui-ci consommera de l’électricité toute l’année. La quantité d’énergie consommée dépendra des heures d’exploitation et du dimensionnement, mais une habitation typique recourt à 11000 kWh/année, ce qui représente des frais annuels de 935 $ (selon les tarifs résidentiels de 2001).
Est-ce que n’importe quel étang peut servir de source de chaleur?Le plan d’eau doit avoir suffisamment d’énergie thermique potentielle pour répondre à la demande du bâtiment. Plus le plan d’eau est vaste et profond, mieux c’est. L’eau stagnante et les bassins glaciaires ne se prêtent pas à cette application.
Un système géothermique peut-il être utilisé avec des planchers chauffants ou avec une installation de chauffage à eau chaude?La pompe à chaleur peut produire une chaleur suffisante pour ces applications. Cependant, dans la plupart des cas, l’énergie thermique produite n’est pas suffisante pour le chauffage à l’aide des anciens systèmes à radiateur.
Où peut-on installer la boucle souterraine?La norme de la CSA interdit l’installation de la boucle à proximité d’une fosse septique ou de lignes de transport d’électricité. De plus, la boucle doit être située à une distance minimale de la limite de la propriété.
Comment faire circuler la chaleur si le bâtiment n’est pas équipé de conduits?Dans un bâtiment sans conduits, les seules installations possibles sont le plancher chauffant et le recours à de petits ventilateurs chauffants.
Combien d’eau un système à circuit ouvert exige-t-il?Selon la charge thermique du bâtiment, la plupart des systèmes exigent un débit qui oscille entre 8 et 12 gallons par minute. Il faut prévoir un débit supérieur si le système sert aussi aux impératifs d’eau potable et d’eau ménagère.
Si la température de l’eau chute, quel sera l’effet sur le système géothermique?La réduction de la température de l’eau (soit l’eau pompée directement d’un lac ou d’un puits ou la température du fluide à l’intérieur d’une boucle fermée) réduit la quantité de chaleur qui peut être transférée au bâtiment, c.-à-d. que l’air intérieur se refroidit. Si la température de l’eau à l’arrivée est inférieure à une certaine température, le système géothermique s’éteint.
Que fait-on de l’eau utilisée par un système géothermique à circuit ouvert?La norme de la CSA et la réglementation provinciale/locale exigent que l’eau retourne à sa source. Le système ne fait qu’extraire un peu de chaleur; c’est donc dire que l’eau évacuée ne constitue pas une «eau usée». On veillera à ce que les systèmes à circuit ouvert soient aussi respectueux de l’environnement que possible et à ce qu’ils soient conformes à tous les règlements, lois et normes en vigueur.
Les conduits déjà installés sont-ils adaptés à ce système?Votre entrepreneur déterminera les caractéristiques nécessaires à votre nouveau système et précisera si des modifications doivent être apportées.
Est-ce que des plinthes peuvent servir à faire circuler l’air?Les plinthes ne servent habituellement que de réceptacles aux éléments électriques. Un système géothermique nécessite normalement soit un réseau de conduits qui assurera la circulation de l’air chauffé ou un réseau de serpentins intégré au plancher qui assurera la circulation de l’eau chauffée.
Est-ce qu’un système géothermique exige que le bâtiment soit davantage isolé?Moins la demande en chaleur est élevée, plus la pompe à chaleur peut être petite et plus les coûts d’installation s’en trouvent réduits. L’isolation, tout comme les autres techniques de gestion de l’énergie et de conservation de la chaleur, constitue toujours le principal point d’intervention d’un système de chauffage.
Quelles sont les causes de panne possibles d’un système géothermique?La principale raison de panne d’un système géothermique est le sous-dimensionnement excessif. En effet, si le bâtiment exige plus de chaleur que ce que le système est en mesure d’offrir, la demande excessive risque de causer des bris de système.
Pourquoi les systèmes géothermiques incorporent-ils un chauffage d’appoint?Afin de réduire les coûts d’installation et d’assurer un rendement supérieur, des résistances électriques sont incorporées au système et sollicitées lors des grands froids. Il est également possible de greffer au système un appareil de chauffage qui carbure aux combustibles fossiles.
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