Stocker pour contrer le coût d’énergie croissant
Le refroidissement passif aide à régénérer la source
Une nouvelle maison moderne n’a plus de raccordement au gaz. La devise pour l’avenir est d’opter pour le tout électrique. Les pompes à chaleur sol-eau y sont fort bien adaptées et offrent encore de nombreux avantages: nettement moins d’émission de CO2 (nécessaire pour lutter contre le réchauffement climatique), idéal pour l’utilisation du refroidissement passif et pour terminer, idéal en combinaison avec les collecteurs solaires pour le stockage de la chaleur.
Comment cela fonctionne?
Dans le fonctionnement d’une pompe à chaleur géothermique, l’évaporateur extrait la chaleur de sa source (air-eau-sol) et la restitue au condenseur. Via un ou plusieurs puits de forage jusqu’à une profondeur maximale de 150 m, la pompe à chaleur sol-eau extrait la chaleur du sol via un système de tubes et un mélange de glycol-eau. Cette profondeur de 150 m est importante car dès que l’on fore plus profond, on est régi par une rubrique de classe 2 et il y a obligation de déclaration et obligation de permis. Ce genre de puits de forage est appelé un réseau de captage vertical.
Une plainte fréquente est la consommation électrique en hausse chaque année
Les avantages d’un réseau de captage vertical
En comparaison d’un réseau de captage horizontal – où les tubes sont posés à une profondeur entre 0,8 m et 1,5 m –, ce système avec réseau de captage vertical a bel et bien quelques avantages: il faut moins de surface au sol et le plus haut rendement est obtenu car plus la température de condensation (la température d’émission de l‘eau cc de, p.ex. le chauffage par le sol) et la température d’évaporation (température de la source) sont proches l’une de l’autre, plus le rendement de la pompe à chaleur est élevé. Quoique nous parlions en fait de valeurs COP au lieu de rendements pour les pompes à chaleur. Un autre avantage très important est que nous pouvons appliquer le refroidissement passif dans le captage vertical et ceci n’est pas sans importance en ces temps de réchauffement climatique. On lit aussi plus loin dans le texte qu’il est très souhaitable d’utiliser le refroidissement passif pour continuer de garantir une valeur COP élevée (haut rendement).
Possibilité de refroidissement passif
A une profondeur de 100 m, on suppose dans les calculs que la température moyenne du sol en Flandre se situe autour des 10 °C. Toutefois lorsque nous extrayons la chaleur du sol, en hiver, il est logique que cette température baisse.
Lors de l’hiver suivant, nous démarrons donc avec une température de sol plus basse, l’hiver suivant encore plus basse et il se crée chaque hiver une différence de température encore plus grande entre la température de la source et la température d’émission. En raison de ce plus grand écart de température, l’énergie dont a besoin le compresseur pour amener le réfrigérant de la basse pression (basse température de source) à une pression plus élevée (température d’émission) augmente aussi.
Une plainte fréquente des clients qui ont choisi une pompe à chaleur géothermique avec un réseau de captage vertical est la consommation électrique en hausse chaque année.
Un exemple en guise d’explication
Dans une maison très simple d’une superficie au sol utilisable de 240 m², avec une perte thermique calculée de 12.000 watts et un fonctionnement supposé de 1.500 heures, on calcule une consommation d’énergie annuelle de 18.000 kWh (12 kW * 1.500 heures). On n’utilise pas en premier lieu le refroidissement passif. Le logiciel utilisé est Earth Energy Designer version 3 (plus tard abrégé en EED – voir encadré). Comme le but de cet article est de montrer que le refroidissement passif est quasi une nécessité avec les pompes à chaleur sol-eau, on n’approfondira pas ici le fait qu’une durée de fonctionnement de 1.500 heures est bonne ou pas pour une pompe à chaleur sol-eau.
Par souci de simplification, on adopte une valeur SCOP (Seasonal coefficient of performance) de 4. Cela signifie que le compresseur a besoin de 4.500 kWh d’énergie électrique car COP = énergie de condensation divisée par l’énergie de compresseur. Si une maison a une perte thermique de 18.000 kWh, le condenseur devra fournir également 18.000 kWh sur base annuelle. Ce faisant, nous savons que la puissance extraite du sol doit atteindre 13.500 kWh par an. On adopte également une répartition normale de la demande de chaleur (voir tableau A).
Le graphique 1 montre la puissance du chauffage (blocs bleu foncé) et la puissance que nous extrayons du sol (ligne jaune). La partie au-dessus de la ligne jaune est donc l’énergie du compresseur. Aucun refroidissement passif n’est présent.
Que ressort-il?
Après simulation de cette maison dans le logiciel EED, la température moyenne du mélange de glycol atteint 8,04 °C fin janvier. Ce n‘est pas grave en soi car en l’été, ceci remonte quelque peu; ce qui est pire, c’est que cette température a baissé à 7,65 °C après deux ans et à 7,36 °C après 5 ans. Cette température baisse donc chaque année, si bien que la pompe à chaleur a besoin de plus d’énergie électrique pour fournir la chaleur nécessaire dans la maison.
C’est pourquoi le refroidissement passif entre en lice
Le grand avantage et peut-être même une nécessité d’une pompe à chaleur sol-eau est le refroidissement passif. Le refroidissement passif est aussi qualifié de refroidissement durable ou naturel parce que nous utilisons le froid stocké dans le sol. Le compresseur de la pompe à chaleur est à cet instant débranché et le seul fonctionnement d’une pompe de circulation suffit pour refroidir la maison de façon passive.
Puisque la consommation d’énergie d’un compresseur est maintes fois plus élevée que la consommation d’énergie d’une pompe de circulation, le refroidissement passif a une action très économe en énergie. Avec le refroidissement passif, la température peut baisser de 2 à 4 °C. Songez bel et bien que le refroidissement passif n’est pas une climatisation. Le refroidissement est limité mais suffisant pour un climat intérieur confortable.
Refroidissement passif avec refroidissement du plafond
Le refroidissement passif avec une pompe à chaleur sol-eau est possible en faisant circuler une eau à environ 18 °C à travers le chauffage par le sol. Certainement ne pas prendre une température plus basse pour éviter la condensation de la surface sur le sol. Des convecteurs pourraient aussi être utilisés mais alors on perd les grands avantages du chauffage par le sol, à savoir que les éléments de chauffage sont invisibles et que toute la surface au sol peut être utilisée.
D’autre part le refroidissement du plafond offre aussi une très bonne solution vu que l’air froid a tendance automatiquement à descendre et que l’effet sera plus important avec le refroidissement du plafond qu’avec le refroidissement du sol. Songez bel et bien que la puissance frigorifique est limitée et que souvent on ne peut pas refroidir plus de 4 à 7 °C sous la température extérieure. Avec un très chaud 30 °C, ceci signifie une température intérieure de 23 à 26 °C, tout de même un confort très agréable.
Le refroidissement passif ne suffit pas à générer la source
Outre le refroidissement passif, une pompe à chaleur sol-eau offre encore un avantage: puisqu’on refroidit en été, la chaleur stockée dans la maison est amenée dans le sol. Le grand avantage est que la température du sol se réchauffe à la fin de l’été. On appelle ceci la régénération de la source. Entamer l’hiver avec une source sol plus chaude signifie un rendement plus élevé pour chauffer. Les règles empiriques nous apprennent qu’une hausse de la température d’évaporation de 1 °C procure un gain énergétique de 3 à 4%.
Les collecteurs solaires ont un bien meilleur rendement pour la préparation d'eau chaude
Le refroidissement passif dans les maisons résidentielles est souvent insuffisant pour réchauffer entièrement le sol à sa température initiale. Ceci signifie que les résidents sont encore confrontés chaque année à un coût énergétique en légère hausse. Donc une autre solution s’impose.
Stockez la chaleur solaire dans le sol
Ne serait-ce pas intéressant de stocker la chaleur excédentaire des collecteurs solaires dans le sol en été? De cette manière, cette chaleur n’est pas perdue, ce qui résulte dans une température source plus élevée après l’été et dans un rendement nettement meilleur.
Techniquement, cette méthode de travail est parfaitement possible et la chaleur solaire peut ainsi être utilisée à 100%.
Aller encore un pas plus loin avec toutes ces connaissances signifie travailler avec le stockage de la chaleur. Il est généralement admis que les collecteurs solaires offrent un rendement nettement meilleur pour la préparation d’eau chaude que les panneaux PV pour la production d’électricité et cette différence est considérable, à savoir quelque 80% pour les collecteurs solaires contre 20% pour les panneaux PV.
Pendant les mois d’été, le soleil est présent en abondance, souvent même à tel point qu’une suroffre se crée. Supposons que trois collecteurs solaires se trouvent sur le toit, chacun de 2,4 m², ainsi qu’un réservoir de stockage de 150 litres.
Lors d’une journée estivale ensoleillée, ceci sera vite à température et rien ne se produit avec la chaleur excédentaire. Ne serait-il pas intéressant de stocker cette chaleur excédentaire dans le sol? De cette façon cette chaleur n’est pas perdue, ce qui résulte dans une température du sol plus élevée après l’été et un rendement nettement meilleur. Techniquement, cette méthode de travail est parfaitement possible et la chaleur solaire peut être utilisée à 100%. Mais il convient de faire attention à un aspect important.
Le Vlarem mentionne que la température d’injection maximale de l’eau chaude dans le sol doit être limitée à 25 °C. Bien entendu l’eau provenant des collecteurs solaires est bien plus chaude et on devra donc placer une vanne de mélange, de telle sorte que l’eau à 25 °C est guidée vers le sol et la chaleur restante vers le réservoir d’approvisionnement ou éventuellement vers un réservoir tampon.
Attention: d’un point vue économique, cela n’est d’aucune utilité de couvrir entièrement un toit de collecteurs solaires. Toutefois le coût de ces collecteurs solaires n’est pas justifié par l’économie d’énergie mais un panneau en plus vous permet d’utiliser nettement plus la chaleur solaire.
