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novembre 2010 5 REVUE PÉRIODIQUE D’INFORMATIONS TECHNIQUES ET INDUSTRIELLES DES

novembre 2010 5 REVUE PÉRIODIQUE D’INFORMATIONS TECHNIQUES ET INDUSTRIELLES DES THERMICIENS INSTALLATIONS DE POMPES À CHALEUR GÉOTHERMIQUES Directeur de la publication : Marco Caleffi Responsable de la Rédaction : Fabrizio Guidetti Ont collaboré à ce numéro : Jérôme Carlier Roland Meskel Eloi Dujardin Renzo Planca Hydraulique est une publication éditée par Caleffi France Imprimé par : Poligrafica Moderna - Novara - Italie Dépôt légal : novembre 2008 ISSN 1769-0609 CALEFFI S.P.A. S.R. 229, n.25 28010 Fontaneto d’Agogna (NO) Tel. +39 0322 8491 Fax +39 0322 863723 info@caleffi.com www.caleffi.com CALEFFI FRANCE 45 Avenue Gambetta 26 000 Valence Tel. +33 (0)4 75 59 95 86 Fax +33 (0)4 75 84 15 61 infos@caleffi.fr www.caleffi.fr CALEFFI INTERNATIONAL N.V. Moesdijk 10-12 P.O. BOX 10357 - 6000 GJ Weert Tel. +32 89-38 68 68 Fax +32 89-38 54 00 info@caleffi.be www.caleffi.be Copyright Hydraulique Caleffi. Tous droits réservés. Il est strictement interdit de publier, reproduire ou diffuser une quelconque partie de la revue sans l’accord écrit de Caleffi France. 3 Installations de pompes à chaleur géothermiques 4 La chaleur contenue dans la terre - Énergie géothermique à haute température - Énergie géothermique à température moyenne - Énergie géothermique à basse température - Énergie géothermique à très basse température 6 Capteurs pour faibles profondeurs 8 Capteurs en serpentin et en escargot 10 Capteurs en anneau 12 Capteurs en spirale 14 Capteurs en corbeille 16 Capteurs pour moyennes profondeurs Sondes coaxiales Piliers de fondation 18 Capteurs pour grandes profondeurs 20 Circuits de raccordement entre capteurs de chaleur et PAC L’étude Le fluide caloporteur Les principaux composants 22 Rafraîchissement en été Le rafraîchissement actif Le rafraîchissement passif 24 Schémas d'application 36 Collecteur de distribution pour installations de pompes à chaleur géothermiques 39 Dispositifs d’arrêt et d’équilibrage pour collecteurs de distribution géothermiques 40 Appareil de mesure électronique de débit sur capteur à effet Vortex 41 Équilibrage des circuits avec l’appareil de mesure électronique 42 Collecteur porte-instruments 44 Groupe de Distribution Régulé motorisé 45 Bibliographie - Sites internet 46 Déjà Paru 47 Contactez-nous Sommaire novembre 2010 5 REVUE PÉRIODIQUE D’INFORMATIONS TECHNIQUES ET INDUSTRIELLES DES THERMICIENS INSTALLATIONS DE POMPES À CHALEUR GÉOTHERMIQUES 3 Installations de pompes à chaleur géothermiques Marco et Mario Doninelli, ingénieurs du bureau d’étude S.T.C. Version française par Jérôme Carlier, Eloi Dujardin et Roland Meskel de CALEFFI France Dans ce numéro, nous traiterons des installations de pompes à chaleur (PAC) et plus particulièrement des principaux aspects relatifs à l’étude et à la réalisation des installations de PAC, qui exploitent l’énergie thermique du sous-sol sans prélever l’eau de nappe. En peu d’année, l’évolution de ce domaine et de ses principaux composants a été très importante. Par exemple, concernant les PAC elles-mêmes, il existe désormais des modèles très silencieux, qui peuvent donc être installés à l’intérieur des habitations. On trouve aussi aujourd’hui des PAC à puissance thermique modulante. Il est ainsi possible de minimiser l’inertie thermique des circuits intérieurs : cela peut éviter de recourrir au ballon tampon. Il existe également de nouvelles géométries de pose pour le captage horizontal. Par exemple en spirale ou en corbeille : géométries qui, comme nous le verrons, donnent la possibilité d’aborder des solutions plus compactes et moins envahissantes que celles obtenues avec les géométries traditionnelles. Il faut aussi reconnaître que le marché offre désormais des composants conçus spécialement pour ces installations, permettant de rendre plus simple et plus sûr les opérations de montage, de tarage, de gestion et de maintenance. Nous diviserons ce thème en trois parties : dans la première nous étudierons les origines et la chaleur disponible contenue dans le sol ; dans la deuxième, nous examinerons les moyens possibles pour exploiter cette chaleur ; dans une troisième partie, enfin, nous proposerons quelques schémas d’installations de PAC qui exploitent la chaleur du sous-sol. 4 La terre contient une quantité considérable de chaleur. D’après les connaissances actuelles, environ 99% de sa masse se trouve à une température supérieure à 1.000°C, avec des valeurs comprises entre 6.000 et 6.500°C dans le noyau. Cette chaleur a deux origines : une externe, l’autre interne. roches du sous-sols : c’est la seule source de chaleur pour des profondeurs supérieures à 20 m. Et c’est la seule chaleur qui, littéralement, peut être défini comme géothermique (du grec : chaleur produite par la terre). Toutefois, même au niveau international, le terme géothermique est généralement utilisé pour caractériser toute chaleur (d’origine interne et externe) emmagasinée par la terre. Par la même logique, le terme géothermie est généralement utilisé pour déterminer la discipline et les techniques qui consistent à exploiter cette chaleur. L’intérêt actuel vis à vis de cette chaleur, est dû au fait qu’elle peut être une source importante d’énergie alternative, utilisable par exemple pour produire de l’énergie électrique, pour réaliser des processus technologiques, pour chauffer des bâtiments et produire de l’ECS (eau chaude sanitaire). Cependant, pour pouvoir être exploitée, cette forme d’énergie doit être acheminée à la surface. Dans certaines zones de la terre, la nature même fournit les moyens d’amener cette énergie en surface : c’est le cas des geyser et des thermes. Dans d’autres cas, en revanche, il faut recourrir à des systèmes capables de capter les fluides chauds du sous-sol ou à échanger de la chaleur avec le sol. L’énergie géothermique, par rapport à d’autres énergies, à l’avantage de ne pas dépendre des conditions atmosphériques (par exemple le soleil, le vent ou les marées) ni des réserves de substances combustibles (par exemple la biomasse). Ce type d’énergie est donc stable et fiable à l’échelle humaine. Selon la température d’utilisation, l’énergie géothermique se divise généralement ainsi : Énergie géothermique à haute température Pour l’utilisation d’eau surchaufée et des vapeurs, à des températures supérieures à 180°C. Cela permet de produire de l’énergie électrique. la première installation de ce type a été réalisé à Larderello (Pise) en 1818 par le français François Larderel, qui donna son nom au village. Énergie géothermique à température moyenne Pour l’utilisation d’eau surchauffée et des vapeurs, à des températures comprises entre 100 et 180°C. En chauffant un fluide secondaire plus volatile, on peut produire de l’énergie électrique. Énergie géothermique à basse température Pour l’utilisation de fluides à des températures comprises entre 30 et 100°C. Cela concerne les installations industrielles et les établissements thermaux. La source du Par, exploitée dans le Cantal dès 1330, en est un exemple. L’origine externe est due principalement au soleil et à la pluie, seules sources de chaleur significatives jusqu’à 15 mètres de profondeur. L’origine interne, en revanche, est due à la chaleur produite par la décroissance nucléaire de substances radioctives présentes dans les LA CHALEUR CONTENUE DANS LA TERRE 5 Énergie géothermique à très basse température Pour l’utilisation de fluides à des températures inférieures à 30°C. Les principales applications sont : 1. le chauffage des bâtiments et la production d’ECS. Dans ce cas, l’énergie thermique à très basse température provient du sol à l’aide d’un échangeur spécifique. Elle est ensuite cédée à un appareil (la PAC) capable d’en augmenter la température afin de rendre possible le chauffage des bâtiments et la production d’ECS. 2. le rafraîchissement des bâtiments. Dans ce cas, l’énergie thermique à très basse température provenant du sol, peut servir soit à alimenter la PAC qui travaille en mode rafraîchissement, soit à être directement distribuée (voir page 22) aux émetteurs de rafraîchissement : ce type de fonctionnement permet de limiter considérablement les coûts d’exploitation. Pour la suite, nous examinerons les principales caractéristiques de ces différentes installations, en les subdivisant selon les différentes techniques de prélèvement de chaleur, dans les installations avec capteurs pour faibles, moyennes et grandes profondeurs. Pompes à chaleur (PAC) Ce sont des appareils capable de capter de la chaleur d’une source de température plus basse. Ils sont essentiellement composés d’un circuit fermé, dans lequel est comprimé et détendu en permanence, un fluide spécifique. À chaque compression et à chaque détente (c’est à dire à chaque cycle de travail), le fluide prend un peu de chaleur à la source froide et la cède à la source chaude. En inversant le cycle de travail, ces appareils peuvent être utilisés aussi bien pour le chauffage que pour le rafraîchissement. Les performances des PAC sont généralement définies par deux coefficents données par les Constructeurs : (1) le coefficient ε correspondant au seul fonctionnement du compresseur et (2) le coefficient COP , correspondant au fonctionnement du compresseur et des organes auxiliaires. Par exemple, si la valeur du COP est égale à 4, cela veut dire que pour 1 kW d’énergie électrique absorbée par le compresseur, on récupère (de la source froide à la source chaude) 4 kW de chaleur. 6 Ces capteurs sont réalisés avec des tubes plastiques. Leur profondeur varie entre 0,8 et 4,0 m. Par rapport aux capteurs pour grandes profondeurs, ils ont un faible impact environnemental et un faible coût d’installation. En outre, étant donné qu’ils se posent à des profondeurs correspondant à d’autres structures de bâtiments (sous-sols, caves, etc..), il n’y a pas, en général, d’autorisation spécifique à demander aux Autorités compétentes pour procéder à leur pose. Par contre, ces capteurs requièrent des superficies d’exploitation uploads/Geographie/hydraulique5-caleffi.pdf