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La géothermie

La géothermie est de loin le mode de chauffage et de climatisation le plus efficace au monde et le Québec est bien placé pour profiter de ses avantages. En effet, la présence d'eau et un sol de roc facilitent l'utilisation et l'efficacité de la géothermie. Comme ce système fonctionne à l'électricité, notre réseau électrique très performant est aussi un avantage pour la géothermie.

Le principe général

La géothermie utilise l'énergie solaire emmagasinée dans l'écorce terrestre et les nappes d'eau phréatiques. Contrairement à la croyance populaire, la surface de l'écorce terrestre n'est pas réchauffée par le centre de la terre mais par le rayonnement solaire. De manière générale, la température du sol et de la nappe phréatique est constante à 48'F (8,9'C) durant toute l'année dans la région de Montréal et le long du 45ème parallèle. Cette température ne baisse que de 1'F (0,45'C) par parallèle, ce qui fait qu'au 50ème parallèle (Chibougameau, Sept-îles) la température se maintient à environ 43'F (6,1'C). À ces températures, il est facile de récupérer l'énergie contenue dans le sol par une thermopompe pour chauffer la maison. La climatisation est aussi facilitée par la température fraîche du sol en été.

Le circuit ouvert

Les premiers systèmes géothermiques utilisés au Québec vers la fin des années 70 étaient des circuits ouverts, une technologie importée de Scandinavie.
Ce système utilisait simplement la pompe submersible d'un puits artésien pour approvisionner la thermopompe en eau à 48'F pour ensuite la rejeter à 38'F dans un fossé, un ruisseau ou un lac. En été, en mode de climatisation, l'eau est pompée à 48'F et rejetée dans la nature à 63'C. Ce système est aujourd'hui interdit car il a le désavantage d'assécher les puits artésiens et de modifier la température des ruisseaux et des petits lacs intervenant ainsi sur l'écosystème.

Les nouveaux circuits ouverts

Au Québec, les systèmes ouverts doivent être munis d'un second puits d'absorption qu'on installe à environ 50 pieds (15 m) du puits artésien de manière à réalimenter la nappe phréatique en eau potable. Lors de la percée des deux puits (de 5 ou 6 pouces de diamètre), le puits qui produit le plus d'eau devrait être choisi comme puits d'absorption. En effet, si la capacité du puits d'approvisionnement d'eau est plus grande que celle du puits d'absorption, ce dernier ne pourra pas fournir suffisamment et débordera sur le terrain.

Le système ouvert est généralement le système le plus économique lorsqu'on dispose d'une très grande quantité d'eau à une faible profondeur. Il faut en effet une capacité de 2 gallons à la minute par tonne de chauffage ou de réfrigération pour alimenter le système. Malheureusement, on ne peut pas toujours connaître la profondeur qu'il faudra creuser pour obtenir ce débit et s'il durera 25 ans.

S'il faut creuser plus de 150 pieds le système n'est plus économique car il faut creuser un puits d'absorption équivalent. La qualité de l'eau cause aussi un problème d'entretien annuel car le fer, le souffre, le calcaire créent des dépôts qui diminuent l'efficacité de transfert de chaleur du système. Un entretien annuel de l'échangeur de chaleur est nécessaire pour maintenir une certaine efficacité.

Il est à noter que:
- La pompe doit pouvoir fournir 2 gallons par minute par tonne de réfrigération, ce qui représente une assez grande quantité d'eau. Une baisse d'approvisionnement en eau peu rendre le système inutilisable, ce qui rend ce système incertain.

- La même pompe sert aussi au renvoi de l'eau dans le puits absorbant.

- Une pompe à vitesse variable est recommandée pour pouvoir coupler l'eau de la géothermie à l'approvisionnement d'eau domestique à partir du même puits. Ceci afin de ne pas réduire la pression d'eau de manière drastique quand la géothermie se met en fonction. Celle-ci peut coûter 2 000$ et plus.

Circuit fermé : à l'antigel

Le système fermé est une boucle de tuyaux remplis d'antigel qui est constamment re-circulé entre la thermopompe et le sol pour absorber et transmettre l'énergie. La même boucle peut servir à réchauffer la maison en hiver et à la rafraîchir en été.
En sortant de la thermopompe, le liquide antigel est à seulement 24'F et il ressort du sol à 32'F. Les tuyaux sont de polyéthylène à haute densité de type PE-3408 (norme d'approbation), d'un diamètre de 1.25 pouce (3.2cm). Sauf le bout inférieur en "U" et quelques raccords en "T", le tuyau est continu et sans joint. Les quelques joints existants doivent être fusionnés à haute température.

Circuit fermé vertical

C'est le système le plus utilisé au Québec actuellement. Pour les systèmes à antigel, on creuse un trou de 5 ou 6 pouces de diamètre dans le sol (dépendant seulement de l'équipement du foreur) sur une profondeur pouvant aller jusqu'à 500 pieds. Lorsque le sol est fait de roc, on insère simplement le tuyau en boucle dans le trou et on rempli le reste du trou avec du sable de silice pour assurer un bon transfert de chaleur entre le tuyau et le roc environnant.

Lorsque le sol est sablonneux, argileux ou trop mou, il est nécessaire d'ajouter une gaine d'acier dans le sol pour l'empêcher de s'obstruer avant la pose des tuyaux. Toutefois, après le remplissage avec le sable de silice, la gaine peut-être retirée ou laissée en place selon la difficulté du travail.

Il est à noter que:

- Le diamètre de 5 ou 6 pouces ne dépend que de l'équipement du foreur et n'a pas d'impact sur la qualité des travaux.

- Aux États-Unis, où les thermopompes géothermiques sont surtout utilisées pour climatiser, on utilise un coulis de bentonite (une argile) pour le remplissage des trous. Cette pratique est peu courante au Québec car elle est coûteuse (elle ajoute 6$/pied linéaire) et qu'elle augmente peu les performances de chauffage dans les sols rocheux et humides du Québec.

- Le nombre de trous peut varier de 1 à 3 selon le type de sol et l'accessibilité au terrain. Un trou de 300 pieds de profondeur aura la même capacité de chauffage/climatisation que trois trous de 100 pieds de profondeur. S'il y a plusieurs trous, ceux-ci doivent être distants d'au moins 15 pieds (4,5m) et être à 15 pieds du bâtiment ou du champ d'épuration.

Circuit fermé horizontal

Le circuit fermé horizontal est semblable au circuit fermé vertical sauf que:

- Les tuyaux sont enfouis dans des tranchées à 5 pieds sous le niveau du sol, espacées de 8 pieds dans le sol solide et de 10 pieds dans le sable, faisant des longueurs de 100 à 400 pieds.

- Le tuyau est déposé sur le sol, le remplissage se fait avec le sol excavé, mais débarrassé de ses roches pour ne pas endommager les tuyaux.

- Se faisant simplement avec une rétrocaveuse (pépine), ce système peut être moins coûteux qu'un puits vertical mais il nécessite 400 pieds de tuyaux par tonne de chauffage soit le double d'un puits vertical. En effet, le sol gèle à une profondeur de 5 pieds et le système est donc moins performant qu'avec un sol à 9'C. Il nécessite aussi un grand terrain sur lequel on ne peut plus construire ni planter d'arbres.

- Les tuyaux doivent être à un minimum de 15 pieds d'un champ d'épuration afin de ne pas le refroidir et nuire à l'épuration biologique.

Circuit fermé de lac

À utiliser lorsqu'un lac est disponible. Les tuyaux sont simplement enroulés en bobines et déposés sur le sol dans le lac. Il faut toutefois, réaliser une tranchée hors gel entre le bâtiment et le lac. D'autres règlements municipaux peuvent être plus restrictifs en fonction de la profondeur du lac et de son fond.

Le choix: circuit fermé ou ouvert ?

Certaines personnes vous diront que le système en circuit ouvert est beaucoup plus efficace parce qu'il utilise comme source de chaleur de l'eau à une température de 48'F comparativement à un antigel à 32'F pour le circuit fermé. Il est effectivement plus facile et moins énergivore de soutirer de la chaleur à un liquide caloporteur dont la température est plus élevée. On sait par exemple, qu'en dessous de 10'F (-12'C) la thermopompe utilise 1 kilowatt d'énergie pour soutirer 1 kilowatt de chaleur au liquide alors qu'à 40'F (4'C) la thermopompe soutire jusqu'à 3 kw de chaleur pour 1 kw d'énergie dépensée.

Ceci dit, le système ouvert est donc théoriquement plus efficace, mais son échangeur de chaleur est soumis à de l'eau impure (fer, souffre, calcaire et autres minéraux), qui l'encrasse et diminue son efficacité. En pratique donc, les systèmes en circuits ouvert ou fermé ont des efficacités similaires.

Le système en circuit ouvert est aussi tributaire d'un approvisionnement important en eau (2 gallons par minute par tonne de réfrigération). Si pour une raison quelconque, l'approvisionnement en eau diminue dans le puits, le système ne pourra plus subvenir aux besoins de chauffage de la maison. Il faudra alors refaire le forage ailleurs.

Au niveau de l'entretien, le système ouvert nécessite un nettoyage annuel alors que le système fermé ne nécessite aucun entretien.

Les conduits étant protégés de la lumière sont généralement garantis pour 50 ans mais leur durée de vie probable se situe autour de 100 ans.

Le choix: circuit vertical ou horizontal ?

Certains sols se prêtent mieux que d'autres au forage vertical. Les meilleurs sols sont les sols de roc comme dans les Laurentides. Dans ces sols, il n'y a pas de surprise ni dans les travaux ni dans les coûts. Le forage vertical demande peu d'espace et s'applique facilement en banlieue ou même en milieu urbain.

Les circuits horizontaux s'installent surtout où il est facile de creuser à la rétrocaveuse (pépine) comme dans les sols sablonneux, mais ils demandent beaucoup d'espace de terrain. Voilà pourquoi ils sont surtout utilisés en milieu rural.

Les sols faits de mélanges d'argile, de sable et de blocs pierreux sont difficiles à forer. On les retrouve entre autres en Estrie. Les circuits horizontaux utilisant des nappes d'eau nécessitent un petit lac artificiel privé, ce qui demande encore plus d'espace.

Quelle longueur de tuyaux ?

Systèmes liquides antigel.L'évaluation de la longueur de tuyaux nécessaire varie parfois de manière importante d'un entrepreneur à l'autre, influençant parfois grandement les coûts du système et surtout son efficacité. De manière générale, avoir trop de tuyaux n'est jamais problématique mais en manquer nuit de manière dramatique à l'efficacité jusqu'à rendre le système inopérant. Voici les grandes lignes qui déterminent la longueur de tuyaux nécessaire (une ligne double d'un circuit fermé ne compte que pour une longueur de tuyaux).

1- D'abord, l'entrepreneur ou un ingénieur doit déterminer la charge de climatisation nécessaire pour votre maison en "tonne" de réfrigération. 1 tonne de réfrigération = 12 000 BTU. Cette charge varie en fonction de l'isolation, de l'étanchéité à l'air, de la fenestration et de l'ensoleillement de la maison. Une maison existante de 2 000 pi.ca. habitable a besoin de 24 000 à 36 000 BTU soit de 2 à 3 tonnes de réfrigération.

2- Dans un système vertical, si le sol est fait de roc, il faudra 150 pieds linéaires de tuyaux par tonne de réfrigération. Si le sol est fait de sable ou de gravier avec limon il faudra de 200 à 300 pieds de tuyaux par tonne de réfrigération.

Dans un système horizontal, il faut 400 pieds linéaires de tuyaux par tonne de réfrigération.

Coefficient d'efficacité. En mode de chauffage, un appareil à l'antigel a généralement un COP maximal de 3.5. Ce qui signifie qu'il retire 3,5 fois plus d'énergie dans le liquide caloporteur qu'il en utilise pour son fonctionnement lorsque le sol se maintient à une température d'environ 9'C. Toutefois, durant la période intensive de chauffage, l'antigel refroidit le sol autour des tuyaux jusqu'à 2 ou 3'C ce qui peut faire descendre son COP à 2,2. En ce sens, un système ayant un COP maximal de 3,5 aura un COP annuel en mode de chauffage d'environ 2,7 et fera économiser environ 60%.

En mode de climatisation, un système géothermique à antigel a un coefficient de climatisation EER (Energy Efficiency Ratio) de 18 à 20. Comme le système utilise un sol à 9'C, le compresseur ne travail presque pas pour soutirer de la fraîcheur au caloporteur. Ceci explique les très faibles coûts de climatisation.

La distribution de chaleur dans la maison Le transfert de chaleur par la thermopompe peut se faire à un système de chauffage central standard à air pulsé ou à un système de chauffage central à eau chaude.

Le choix du système de distribution de chaleur dans la maison n'a aucun lien avec la thermopompe géothermique. Celle-ci ne sert que de source d'énergie au même titre qu'une thermopompe standard à air et qu'une fournaise au gaz ou à l'huile.

Lorsqu' on utilise un système de distribution central à eau chaude avec une thermopompe géothermique on parle d'un système sol-eau, lorsqu'on utilise un chauffage central à air pulsé on parlera de système sol-air, désignant le fait que la chaleur est distribuée du sol à l'air.

Pas pour les radiateurs

Il est à noter que les systèmes sol-eau fournissent de l'eau chaude à une température maximale de 120'F ( 50'C). Cette température est largement suffisante pour les systèmes de planchers radiants à eau chaude mais elle est insuffisante pour les anciens radiateurs à eau chaude qui sont généralement calibrés pour une température de 180'F (82'C). La capacité de chauffage serait alors trop faible pour les besoins de la maison.

Climatisation

Dans le secteur résidentiel, seul le système sol-air permet la climatisation estivale. La circulation d'eau froide dans un plancher radiant pour rafraîchir l'air causerait de la condensation sur les planchers. Toutefois, dans le domaine commercial, où on contrôle le taux d'humidité de l'air ambiant, on peut utiliser des systèmes de plancher radiant pour rafraichir l'air. Certains systèmes utilisent aussi une valve pour diriger l'eau froide dans un climatiseur à air pulsé durant l'été ou l'eau chaude dans le plancher radiant durant l'hiver.

Coûts

Coût d'ensemble. Si vous disposez déjà d'un puits artésien, il en coûte un minimum de 23 000$ pour avoir un système de chauffage géothermique complet avec distribution à air pulsé dans une maison neuve bien isolée nécessitant une charge de 2 tonnes ( 1 tonne de réfrigération = 12 000 BTU). Par contre, le coût normal moyen d'une maison existante voisine davantage les 28 000$.

La thermopompe. La thermopompe coûte de 6 000 à 10 000$ en fonction de sa capacité et de son efficacité. La capacité maximale d'un appareil est de 5 tonnes.

Pour un puits vertical, le forage, les tuyaux et le remplissage coûtent de 12,50 à 15,00$ le pied linéaire pour les systèmes à l'antigel, soit de 4 000 à 6 000$ pour des maisons normales.

Pour un circuit horizontal, le creusage, les tuyaux et le remplissage coûtent en moyenne de 3 000 à 4, 000$.

Eau chaude domestique. Pour 500$ de plus, la géothermie peut préchauffer l'eau chaude domestique et faire économiser environ 25% des frais d'eau chaude annuels, se qui représente environ 75$ pour une famille moyenne. Ceci se fait par l'ajout d'un appareil spécial appelé "désurchauffeur".

Coûts d'entretien. Les systèmes ouverts nécessitent un entretien annuel important alors que les systèmes fermés ne nécessitent aucun entretien.

Autonomie de chauffage. Les systèmes géothermiques sont calibrés en fonction de la charge de climatisation qui est généralement plus faible que la charge de chauffage. Ceci signifie que durant les jours les plus froids de l'année un élément électrique standard situé dans la fournaise viendra combler les kilowatts manquants. Ceci peut représenter de 20 à 50$ annuellement, ce qui est négligeable.

Rentabilité

De manière générale, la thermopompe géothermique est plus efficace et plus rentable qu'une thermopompe air-air. Il faut environ 10 ans pour rentabiliser la thermopompe géothermique comparativement à une thermopompe air-air. Après 10 ans, une thermopompe air-air ne vaut pratiquement plus rien car sa durée de vie moyenne tourne autour de 13 ans. La thermopompe géothermique a une espérance de vie beaucoup plus longue, ses composantes pouvant durer de 20 à 100 ans.

Efficacité énergétique en chauffage. Les thermopompes sont très efficaces à des températures supérieures à 0'C mais perdent beaucoup de leur potentiel sous -5'C. Voilà pourquoi une thermopompe géothermique peut faire économiser environ 60% des frais de chauffage et climatisation alors qu'une thermopompe de qualité et bien entretenue puisant l'énergie dans l'air atteint difficilement une moyenne de 20% d'économie d'énergie durant leur durée de vie.

Efficacité énergétique en climatisation. La thermopompe géothermique utilise le sol à environ 9'C pour rafraîchir la maison en été. Avec un caloporteur à cette température la thermopompe travaille peu et ne coûte presque rien en mode de climatisation. Une grande maison peut être climatisée pour à peine 50$ par année. Une thermopompe air-air travaille à rafraîchir de l'air de 30'C à 15'C pour la redistribuer dans la maison. Ceci exige beaucoup d'effort et beaucoup d'énergie au compresseur, coûtant souvent 250$ par année ou plus.

Durée de vie et bruit. Une thermopompe air-air a une durée de vie moyenne d'environ 13 ans. Son ventilateur et son compresseur sont installés dehors et ils travaillent à des températures extrêmes de +30'C et de -15'C. Après 13 ans une thermopompe air-air ne vaut plus rien et doit être remplacée. Son installation à l'extérieur est une source de bruits qui peuvent être déplaisants.

En comparaison, la thermopompe géothermique est installée à l'intérieur et peut être mieux insonorisée. Le compresseur travaille toujours à une température tempérée et avec un caloporteur à la même température hiver comme été. L'espérance de vie du compresseur est plus grande (de 20 à 25 ans) et les conduits installés dans le sol ont une espérance de vie de 50 à 100 ans selon les matériaux choisis. Après le même 13 ans, la thermopompe géothermique conservera donc sa pleine valeur de revente et sa pleine efficacité énergétique durant toute sa durée de vie.

Préchauffage de l'eau chaude domestique. La thermopompe géothermique peut fournir environ 25% des besoins d'eau chaude domestique alors que la thermopompe air-air ne le fait pas.


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