Diversité des systèmes géothermiques

 

Aperçu

Par définition, les systèmes géothermiques utilisent le sol comme source d’énergie. Comme nous en avons fait la remarque précédemment, il existe deux moyens fondamentaux pour transférer l’énergie du sol à votre maison – un système à circuit ouvert ou un système de puits à eau ou un système à circuit fermé.

Dans un système à circuit fermé, une boucle est placée sous terre près de la maison ou étendue dans un lac ou dans un étang environnant. En pratique, toutes les boucles installées de nos jours sont formées de tuyaux de polyéthylène haute densité (PEHD). Ces tuyaux sont conçus spécialement pour être enfouis sous terre et portent le marquage « géothermique » ou « géo ». Ils ne doivent pas porter le marquage « potable ». Les raccords sont scellés en fusionnant ou en fondant le tuyau et les raccords, ce qui produit une connexion presque antifuites. Les raccords mécaniques ne sont pas utilisés dans le sol. Une boucle fait de PEHD peut durer 50 ans ou plus.

Un mélange d’antigel et d’eau circule constamment dans la boucle et dans la thermopompe, transférant la chaleur du sol ou vers lui selon qu’il est nécessaire de chauffer ou de climatiser. Dans un système en circuit fermé, le fluide n’entre jamais en contact avec le sol. Il est scellé à l’intérieur de la boucle et de la thermopompe.

Dans un système à circuit ouvert, l’eau souterraine est tirée d’un puits et transférée dans une thermopompe, puis versée dans un puits de retour. Une eau nouvelle est toujours pompée dans le système lorsqu’il fonctionne. Il est appelé système à boucle ouverte parce que l’eau souterraine est ouverte à l’environnement.

Circuit fermé

Un circuit fermé peut avoir plusieurs configurations, mais il en existe trois fondamentales : à la verticale, à l’horizontale et dans un lac (ou un étang). La catégorie de circuits et la configuration qui conviennent le mieux à votre maison dépendront de la taille de votre terrain, de ce que vous prévoyez y faire, de son sol et même de l’équipement de terrassement de l’entrepreneur. Trop souvent, la configuration de la boucle est choisie selon les coûts. Si la boucle est conçue et installée correctement, en tenant compte des besoins de chauffage et de refroidissement de la maison, une catégorie de boucle fonctionnera avec autant d’efficacité qu’une autre et elle fournira une énergie gratuite et renouvelable pendant des années.

Au fil des ans, l’industrie a élaboré des lignes directrices concernant l’installation d’un SG. En outre, la plupart des fabricants de thermopompes ont élaboré des instructions ou créé des logiciels privés pour expliquer leurs produits afin de s’assurer que les SG tirés de ces logiciels sont conçus et installés selon leurs spécifications. La CCÉG a également développé les meilleures pratiques et un logiciel GeoAnalyser pour faire la conception.

Si vous songez à installer un SG, demandez à votre entrepreneur une preuve de la formation qu’il a reçue, de son expérience et de la compétence de son personnel en conception et en installation de boucles. Depuis 2007, la Coalition canadienne de l’énergie géothermique forme et accrédite les professionnels de l’industrie. La meilleure façon de s’assurer de la compétence de votre entrepreneur est de vérifier s’il est accrédité par la CCÉG. Une liste de ces spécialistes est disponible au www.geoexchange.ca.

Boucles horizontales

Comme leur nom l’indique, ces boucles sont enterrées à l’horizontale, habituellement à une profondeur de 2 à 2,5 m, quoiqu’elle puisse varier de 1,5 à 3 m ou plus. Des fossés sont habituellement creusés par une pelle rétrocaveuse ; une excavatrice à chaînes peut également être utilisée selon la composition du sol. On peut parfois étendre du remblai pour couvrir une boucle placée dans une dépression du terrain. Le fossé peut mesurer entre 1 et 3 m de large. Quatre, voire six tuyaux, peuvent être placés au fond d’un large fossé, alors que les configurations de certaines boucles ne permettent que deux rangées de tuyaux empilés à différents niveaux dans un fossé. Les configurations de la boucle peuvent même être de type « ondulante » ou en spirale, ce qui permet d’ajouter un tuyau supplémentaire dans le fossé. De nombreuses configurations différentes ont été mises à l’essai, puis approuvées. N’oubliez pas de demander des références à l’entrepreneur. Il peut souvent vous montrer des photographies de boucles qu’il a déjà installées.


L’endroit où il faut installer une boucle horizontale dépend des besoins de votre maison, de la profondeur à laquelle la boucle est enfouie, de la nature du sol et de la quantité d’humidité qu’il contient, du climat, de l’efficacité de la thermopompe et de la configuration de la boucle. Un espace de 300 à 700 m2 sera nécessaire dans le cas d’une maison de 150 m2. Votre entrepreneur utilisera un logiciel spécialisé ou suivra les lignes directrices de conception d’une boucle fournies par le fabricant de la thermo - pompe pour déterminer la taille et la configuration de la boucle de votre terrain.

Boucles verticales

Les boucles verticales sont fabriquées au moyen de tuyaux de PEHD enfouis dans des trous creusés dans le sol. Selon les différentes conditions géologiques au Canada, et selon les équipements de forage utilisés, ces trous de forage mesurent entre 15 et 150 m de profondeur et leur circonférence varie habituellement de 10 à 15 cm. Deux longueurs de tuyau sont réunies en un « profilé en U » (deux coudes de 90° insérés dans le trou de forage. La grosseur des tuyaux de la boucle varie selon le coût des trous de forage et leur profondeur ; en certains endroits, on utilise fréquemment des tuyaux de 32 mm et dans d’autres, des tuyaux de 19 à 25 mm. Une fois les tuyaux placés dans les trous de forage, ils doivent être colmatés pour empêcher l’infiltration des eaux de surface potentiellement polluées dans les unités lithostratigra phiques et les aquifères traversés par le forage. Un coulis à base de bentonite sera normallement utilisé. Cette mesure est prise afin d’assurer une bonne adhésion au sol et d’empêcher l’eau de surface de contaminer l’eau souterraine. Les trous de forage qui reçoivent les tuyaux doivent être remplis à l’aide d’une trémie, ou un tuyau placé au fond du trou de forage et retiré au fur et à mesure que le trou se remplit de coulis. Ce procédé a pour objet d’éliminer les poches d’air autour des tuyaux et d’assurer une bonne adhésion au sol.

Le fait qu’une boucle verticale puisse être installée dans un endroit beaucoup plus petit que la boucle horizontale est son principal avantage. Quatre trous de forage dans un espace de 9 m2 – installation convenant bien à une cour arrière moyenne dans une ville – peuvent fournir l’énergie renouvelable nécessaire pour chauffer une maison moyenne de 150 m2.

Les frais d’installation d’une boucle verticale peuvent varier énormément, les conditions du sol étant le seul grand facteur. Le forage dans le granit nécessite un équipement plus lourd, donc plus coûteux, et exige beaucoup plus de temps que le forage dans une argile molle. Il faut même y consacrer plus de temps lorsque le sol est composé de matériaux divers, tels que des strates de galets, de gravier et de sable.

L’installation d’une boucle verticale dans cette catégorie de sol est trois ou quatre fois plus coûteuse que celle d’une boucle horizontale. Toutefois, dans certaines régions du sud du Manitoba et de la Saskatchewan, où le lac glaciaire Agassiz a laissé entre 15 et 50 m de dépôts d’argile molle, il faut consacrer à peu près le même temps pour installer une boucle verticale ou une boucle horizontale.

La profondeur nécessaire d’un trou de forage pour y placer une boucle verticale dépend des mêmes facteurs qui déterminent l’espace de terrain requis pour installer une boucle horizontale. Cet espace nécessaire à une boucle verticale découle cependant de la profondeur à laquelle il faut creuser pour assurer la rentabilité des trous de forage. Par exemple, si un SG exige un forage global de 180 m et qu’il doit être réalisé en un endroit où l’on trouve un fond rocheux à 20 m, il sera habituellement moins coûteux de creuser neuf trous de forage de 20 m de profondeur plutôt que trois de 60 m. Neuf trous de forage nécessiteront un espace d’environ 150 m2 et trois, environ 60 m2.

Boucle de lac ou boucle d'étang

Ces deux boucles peuvent être installées de façon très rentable dans une propriété près d’un lac ou d’un étang. De nombreuses maisons du nord de l’Ontario ont été construites à proximité d’un lac qui absorbe l’énergie du soleil l’été durant. La température de l’eau au fond d’un lac couvert de glace se maintient à environ 4 ou 5 °C, même par temps très froid. En été, l’eau du lac peut facilement absorber la chaleur que vous essayez d’expulser pour rafraîchir votre maison. Tout ce dont vous avez besoin se résume à un plan d’eau d’une profondeur de 2 à 2,5 m à longueur d’année, ce qui permet de protéger la boucle des vagues et des amoncellements de glace.

Toutefois, à moins que vous soyez le propriétaire du lac, vous devez obtenir une autorisation du gouvernement provincial et, dans certains cas, du gouvernement du Canada, pour installer une boucle de lac, et certaines autorités peuvent la refuser. La destruction des zones de frai, l’érosion du littoral, l’obstruction de la circulation en eaux navigables et les dommages éventuels à l’environnement inquiètent plusieurs ministères. En certains endroits, le nombre de boucles de lac est tel qu’il suffit de remplir un formulaire pour obtenir une autorisation. Certains entrepreneurs en SG qui se spécialisent dans l’installation de boucles de lac peuvent remplir tous les formulaires pour leurs clients.

Dans les Prairies, des étangs de ferme sont souvent creusés afin d’obtenir de l’eau pour irriguer ou pour abreuver le bétail. Un étang de 750 à 1000 m2 ayant une profondeur de 2,5 m peut accomplir cette double tâche à titre de source pure d’énergie. Les océans peuvent fournir de vastes quantités d’énergie, mais il faut bien protéger une boucle d’océan des dommages causés par la marée et par les vagues. De nombreuses habitations de la côte Ouest tirent déjà avantage de l’énergie gratuite et renouvelable de l’océan.

Circuit ouvert

Le circuit ouvert, ou SG d’eau souterraine, puise sa chaleur d’un puits d’eau transférée directement dans une thermopompe au moyen d’un échangeur thermique.

L’alimentation nécessaire d’un puits d’eau est déterminée par la capacité de la thermopompe. Durant les froids les plus rigoureux de l’hiver, chauffer une maison de taille moyenne nouvellement construite nécessite entre 20000 et 30000 L par jour ou de 0,4 à 0,5 l par seconde (une piscine moyenne dans une cour arrière contient de 60000 à 70 000 L d’eau). Une maison plus vaste aura besoin, en proportion, d’une plus grande quantité d’eau et il vous faudra un puits fiable pour obtenir ce volume d’eau. En pratique, vous aurez également besoin d’un second puits de retour pour dégager l’eau en la refoulant dans le sol. La plupart des provinces ont légiféré concernant l’utilisation de puits et peuvent également vous conseiller sur l’utilisation de l’eau de puits pour un SG. C’est ainsi que vous devez faire en sorte de ne pas nuire aux puits de vos voisins lorsque vous pompez l’eau sans arrêt. Les règlements concernant l’utilisation de l’eau des puits comme source de chaleur pour un SG varient d’une province à l’autre. Vous devrez consulter le ministère compétent sur les ressources en eau souterraine pour connaître les règlements de votre province.

Afin de vous assurer que le puits fournit de l’eau de façon durable et que le puits de retour peut recevoir l’eau après son passage dans la thermopompe, il vous faut effectuer un essai de pompage dans vos puits. Dans certains endroits, la capacité d’aquifère est bien connue et vous pouvez découvrir la capacité de votre nouveau puits en quelques heures. Ailleurs, il sera nécessaire de faire un test en mesurant la chute du niveau de l’eau à intervalles réguliers pendant que l’eau du puits est retirée à débit fixe pendant une période pouvant atteindre 24 heures.
Comme l’eau du puits circule à travers une thermopompe, l’eau corrosive peut, à la longue, endommager l’échangeur thermique. De plus, une eau à haute teneur en minéraux peut causer une accumulation graduelle. La plupart des fabricants peuvent fournir des thermopompes faites de matériaux résistants comme le cupronickel ou l’acier inoxydable qui conviennent mieux
à l’utilisation d’un système à circuit ouvert. Les fabricants préciseront la qualité de l’eau qui convient à leur équipement. Encore une fois, il vous faudra peut-être procéder à une analyse de l’eau pour vous assurer qu’elle respecte les lignes directrices. Le ministère qui réglemente les ressources en eau dans votre province peut vous indiquer les endroits où l’on analyse l’eau. Un équipement mécanique dure plus longtemps s’il n’a pas à être mis en marche ou à s’arrêter de façon répétitive et, en ce domaine, les pompes de puits ne font pas exception. Il faut avertir l’entrepreneur qui installe une pompe de puits et un système de pression que cet équipement servira à fournir de l’eau à un SG. Pour obtenir un fonctionnement efficace, la conception et la puissance nominale en HP de la pompe doivent être choisies en vue de fournir la bonne quantité d’eau. Une plus grosse pompe n’est pas nécessairement la meilleure. Il faut tenir compte des besoins en eau du système, de la profondeur où il faut la puiser et de la longueur de la tuyauterie entre le puits, la maison et le puits de retour. Pour éviter que la pompe de puits fonctionne en courts cycles, il se peut que vous ayez à installer un plus grand réservoir sous pression. Ces détails peuvent modifier de 25 à 30 % l’efficacité globale de votre SG.

La température de l’eau souterraine est très constante et se maintient entre 5 et 12 °C au Canada. La température du fluide qui passe dans un circuit fermé utilisé dans une maison descend légèrement sous le point de congélation durant l’hiver. Si l’eau de puits est utilisée comme source d’énergie durant l’hiver, la thermopompe produira plus de chaleur ; elle sera donc plus efficace. Toutefois, puisque l’eau doit être tirée du sol, quelquefois à une profondeur atteignant 15 à 30 m, vous devrez utiliser une pompe plus puissante que celle d’un système à circuit fermé. De plus, la même pompe fournit souvent de l’eau à la thermopompe et à la consommation générale de la maison. Les frais de fonctionnement d’une pompe de puits plus puissante compensent souvent l’efficacité du fonctionnement du SG avec de l’eau de puits. Demandez à des entrepreneurs en SG de votre région de vous faire part de leur expérience des systèmes à circuit ouvert avant de retenir une option pour votre maison. 

Lorsque vous planifiez des travaux d’excavation, vous devez vous assurer que le levé du terrain a été réalisé et que l’endroit où sont placés les autres services, comme les fils électriques, les canalisations de gaz et d’eau, les égouts, le champ d’épuration ou les réservoirs de stockage, est bien déterminé. De plus, avant de décider de l’endroit où installer une boucle sur votre terrain, rappelez-vous que l’équipement lourd ne peut travailler sous les fils électriques. Que vous installiez une boucle souterraine ou des puits d’eau et des conduits pour votre SG, il faut les ajouter à votre plan de situation, vous évitant ainsi des réparations coûteuses dans les années à venir. Les propriétaires doivent recevoir une copie des plans précisant l’endroit où se trouve le système à circuit fermé et faire enfouir un fil de traçage ou un ruban de traçage dans le sol au-dessus des tuyaux formant un circuit fermé afin de les retrouver plus facilement une fois enterrés. De plus, l’entrepreneur doit conserver une copie de la disposition

 

 

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