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Sources de chaleur – 1/2 9 Pompes à chaleur en habitat individuel Version janvier 2013

Sources de chaleur ¡Sources de chaleur principales Air Sol Eau ¡Principales différences Niveau de température Stabilité de la température pendant un an Rendement du système Transfert de chaleur PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 2

PAC « géothermiques » ¡PAC sur eau de nappe ¡PAC sur sol Capteurs enterrés horizontalement – Avec fluide intermédiaire – A détente directe Capteurs enterrés verticalement ¡PAC dites « géothermiques » Faibles profondeurs (0, 60 [m] à 200 [m]) Fournisseurs de chaleur : – Soleil – Précipitations – Flux géothermique négligeable Attention à la régénération du sol PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 3

PAC « géothermiques » avec capteurs horizontaux ¡Capteurs avec fluide caloporteur PAC liquide caloporteur / eau en LT Liquide antigel : eau glycolée Appoint possible selon P (PAC) Circulateur Tubes PER ou PEHD 1 ou plusieurs boucles fermées Disposition en décapage – Maison individuelle – S captage = 1, 0 à 1, 5 x S traitée – Réversibilité autorisée PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 4

PAC « géothermiques » avec capteurs horizontaux ¡Capteurs avec fluide caloporteur Disposition en tranchée – – Dispositions 2, 4 ou 6 tubes Maison individuelle S captage = 1, 0 à 1, 5 x S traitée Réversibilité autorisée PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 5

PAC « géothermiques » avec capteurs horizontaux ¡Capteurs avec fluide caloporteur Disposition en tranchée : «SLINKY TM» – Développé par IGSHPA (International Ground Source Heat Pump Association) – Horiz ou vert + déclinaisons – Maison individuelle et petit collectif PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 6

PAC « géothermales » avec capteurs horizontaux ¡Capteurs avec fluide à détente directe Disposition en décapage – Maison individuelle – Tuyauteries tube cuivre qualité froid – Revêtement anti-corrosion Système sol /sol – – – Tuyauteries cuivre en dalle A. T. à jour Pas d’appoint S captage = 1, 5 à 2, 0 x S traitée Mode chauffage seul autorisé sauf constructeur avec A. T. PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 7

PAC « géothermales » avec capteurs horizontaux ¡Capteurs avec fluide à détente directe Système sol / eau – Tuyauteries en matériau de synthèse en dalle – Appoint possible – S captage = 1, 0 à 1, 5 x S traitée – Mode chauffage seul autorisé PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 8

PAC « géothermales » avec capteurs verticaux ¡Capteurs avec fluide caloporteur ou sondes géothermiques PAC liquide caloporteur / eau en LT Liquide antigel : eau glycolée Appoint possible selon P (PAC) Circulateur Tubes PEHD 1 ou plusieurs boucles fermées en U ou double U Maison individuelle et tertiaire Réversibilité autorisée voire préconisée ¡Capteurs «SLINKY TM» Profondeur < 10 [m] Diamètre 0, 50 [m] à 0, 60 [m] PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 9

Le sol comme source de chaleur ¡Caractéristiques thermiques du sol Conductivité thermique sol [W/m. K] – De préférence sol 1, 3 [W/m. K] (sol faiblement humide) – Si possible 1, 8 [W/m. K] Capacité thermique volumique Cv [MJ/m 3. K] avec Cv= x C Conductivité thermique l [W/m. K] sec saturé Type de sol Argile Limon Sable Gravier 0, 2 – 0, 3 – 0, 4 1, 1 – 1, 6 1, 2 – 2, 5 1, 7 – 3, 2 1, 8 – 3, 3 Capacité thermique volumique Cv [MJ/m 3. K] sec saturé 0, 3 – 0, 6 – 1, 0 – 1, 3 1, 2 – 1, 6 2, 1 – 3, 2 2, 1 – 2, 4 2, 2 – 2, 4 Diffusivité du sol [m²s] = / Cv – Selon ASHRAE =(24 x 3600 x sol)/1000 s [Cs+Cw(w/100)] soit =(86, 4 x sol)/ [ s (Cs+4, 18(w/100)] [m²/jour] PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 10

Le sol comme source de chaleur ¡Evaluation de la température du sol T° surface quasi en phase avec celle de l’air T° sous-sol avec retard et cycles Evolution annuelle température de sol à différentes profondeurs – Cycle quotidien P= 0, 5 [m] à 1, 0 [m] – Cycle mensuel P= 3, 0 [m] environ (associé aux variations météorologiques) – Cycle annuel P= 9, 0 [m] à 12 [m] PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 11

Présence d’eau souterraine ¡Présence d’eau souterraine Améliore la conductivité thermique et la capacité thermique massique « nappe souterraine » = tous les pores de la roche saturés et circulation établie entre eux De préférence voire indispensable sol saturé ou partiellement saturé Vitesse d’écoulement de l’eau déterminante pour connaître la recharge naturelle des sondes ou pieux géothermiques PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 12

Système d'eau glycolée Collecteur horizontal ¡Principe de fonctionnement PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 13

Système d'eau glycolée Collecteur horizontal ¡Tuyaux collecteurs : polyéthylène haute densité (PEHD) diamètres types de 25 ou 32 pour une pression de 6 bar Boucles avec joints dans le sol ¡Eau glycolée : Protection contre le gel Mélange d'eau et d'antigel (glycol) Une protection jusqu'à - 15ºC est courante PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 14

Système d'eau glycolée Collecteur horizontal ¡Liquides caloporteurs Monopropylène glycol – préférable car moins toxique – Viscosité plus grande à basse température Ethylène glycol – Toxique pour les eaux souterraines – Viscosité acceptable à basses températures Chlorures de calcium – Non polluant – Bon caloporteur même à basse température – Corrosif pour certains matériaux PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 15

Système d'eau glycolée Collecteur horizontal ¡Soulèvement par le gel Car le volume d'eau augmente jusqu'à 11 % lorsqu'il gèle sol limoneux si les principes d'aménagement ne sont pas satisfaits ¡Pas de problème si respect des valeurs maximales d’extraction spécifique PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 16

Facteurs influençant le dimensionnement ¡Espacement des tubes : En Suisse : Pas de tubes = 0, 25 [m] à 0, 30 [m] – – Extraction de chaleur uniforme Longueur de tubes plus importante Petit diamètre de tube : 20/16 [mm] Pertes de charge importantes En Allemagne : Pas de tubes = 0, 80 [m] à 1, 20 [m] – Diamètre de tube plus grand : 32/26 [mm] pour surface suffisante et pertes de charge réduites En France : Pas de tubes = 0, 40 [m] (décapage) et 0, 60 [m] (tranchées) – Diamètre de tubes intermédiaires 25/20 [mm] PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 18

Système d'eau glycolée Dimensionnement capteur H ¡Dimensions du collecteur horizontal : Extraction énergétique spécifique du sol Puissance de refroidissement de la pompe à chaleur Temps de fonctionnement de la pompe à chaleur ¡Extraction énergétique spécifique du sol Composition du sol Sols secs non cohésifs Sols cohésifs, humide Sable/gravier saturé d’eau Débit d’extraction spécifique pour 1800 h/a pour 2400 h/a 10 W/m² 20 – 30 W/m² 40 W/m² 8 W/m² 16 – 24 W/m² 32 W/m² PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 19

Système d'eau glycolée Dimensionnement capteur H Composition du sol Caractéristique spéciale Rendement d'extraction spécifique Se désagrègent immédiatement, ne peuvent pas être agglomérés de façon à Sols non cohésifs, secs former une boule et être roulés (sable, gravier) 10 W/m² Ne se désagrègent pas, forte Sols cohésifs, humides cohésion, peuvent former une boule et être roulés (argile, glaise) 20 - 30 W/m² Sable/gravier saturé en eau Sable ou gravier qui est en permanence saturé en eau PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 40 W/m² 20

Système d'eau glycolée Collecteur horizontal France : mini 60 cm ¡Distance entre les tuyaux (Pays nordiques) France : mini 40 cm PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 21

Système d'eau glycolée Collecteur horizontal ¡Longueurs de tuyauteries Chaque boucle de collecteur < 100 m Empêche toute baisse de pression importante dans les longueurs de tuyau Longueur identique pour toutes longueurs de tuyau – crée des baisses de pression identiques – atteint des conditions d'écoulement identiques – le collecteur extrait l'énergie dans le sol de manière uniforme PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 22

Système d'eau glycolée en France Profondeur et espacement des tubes ¡Configuration horizontale en tranchée 2, 4, 6 tubes Alimentation en parrallèle Alimentation en série PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 23

Système d'eau glycolée en France Profondeur et espacement des tubes ¡Configuration horizontale en tranchée En France configurations 4 ou 6 tubes Alimentation en parrallèle PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 24

Système d'eau glycolée en France Profondeur et espacement des tubes ¡Configuration horizontale en décapage Profondeur 0, 60 [m] Toute la surface du terrain Pas = 0, 40 [m] PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 25

Système d'eau glycolée en France Distances entre capteur et obstacles Obstructions Distance minimale (m) 5 Arbres Réseaux enterrés non hydraulique Fondations, puits, fosses septiques, évacuations, etc. 1, 5 3 PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 26

Système d'eau glycolée en France Dimensionnement capteur H ¡Dimensionnement des capteurs horizontaux Puissances maximales extraites du sol pour température d’entrée d’eau glycolée dans le capteur de– 3 [°C] et une température de sortie de 0 [°C] Configuration Décapage* Capteur à 4 tubes* Capteur à 6 tubes Dimensionnement par m de tranchée (W/m) par m de tube (W/m) par m² de terrain (W/m²) / 44 48 15* 11 8 37* 37 40 T eau glycolée = 3 [K] entre départ et retour capteur P évap = P cond – P comp PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 27

Système d'eau glycolée Dimensionnement capteur H ¡Exemple : La capacité thermique d'une pompe à chaleur à eau glycolée/eau est de 10 k. W pour une température moyenne d'environ 0ºC sur l'entrée d'eau glycolée et de 35°C du côté alimentation La demande de puissance de la pompe à chaleur est de 2, 3 k. W au point de fonctionnement (0/35). Le sol est limoneux et humide Quelle est la surface de captage ? En supposant un pas de 40 cm, quelle est la longueur totale de tubes ? PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 28

Mise en œuvre capteurs H Plan de site ¡Plan de site avec : La taille, la forme du terrain disponible, les arbres et les réseaux aériens, Les éléments de structure existants et la position du bâtiment à construire ou déjà construit, Les réseaux souterrains existants et à construire (évacuations, …), La localisation de futurs bassin ou piscine, La présence de fosses septiques, plateaux bactériens ou de puits, La présence de nappe aquifère ou phréatique (si connue), La localisation estimée des capteurs. PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 29

Mise en œuvre des capteurs enterrés H ¡Collecteurs en regard accessible Source : J. BERNIER PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 30

Mise en œuvre des capteurs enterrés H ¡Pénétration dans le bâtiment Percement de trous circualires Installation de manchons dépassant de 20 [cm] du mur Scellement des manchons et rétablissement isolation thermique PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 31

Mise en œuvre des capteurs enterrés H ¡Pénétration dans le bâtiment De préférence pente du fond de la tranchée au fondations. 7 [cm] de gravier au-dessus de la pente de terre (destinée à éviter tout dommage du collecteur en cas de tassement différentiel de terrain). Mise en place collecteurs dans manchons PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 32

Mise en œuvre des capteurs enterrés H ¡Remplissage Mélangez d'abord l'eau glycolée, puis procédez au remplissage ¡Schéma de positionnement faites un plan du collecteur ¡Test d'étanchéité pour les nouvelles installations ou après réparation ¡Purge de l'air entraîné PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 33

Mise en œuvre des capteurs enterrés H Source : J. BERNIER PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 34

Mise en œuvre des capteurs enterrés H Source : J. BERNIER PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 35

Mise en œuvre des capteurs enterrés H ¡Remblaiement : Grillage avertisseur surface décapée Bornage sur le périmètre de la surface décapée Bande plastiques pour tranchées PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 36

Système d'eau glycolée Collecteur H - SYNTHESE ¡Les sols humides sont parfaitement adaptés ¡Remblayage du tuyau collecteur avec du sable ¡En cas de croisement de la conduite principale distance min. et isolation ¡Excepté pour les arbres à racines profondes ¡Les zones de collecteur ne doivent pas être asphaltées ou recouvertes d'auvents ¡Isolez les tuyaux collecteurs à l'arrière du distributeur ¡Circuits de même longueur ou installation de soupapes équilibrées ¡Essayez d'avoir une zone horizontale pour le collecteur PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 37

Système d'eau glycolée Collecteur H - SYNTHESE ¡Evitez toute accumulation d'eau et inondation (drainage) ¡Dimension des tuyaux d'alimentation (connexion du distributeur de la pompe à chaleur) DN 32 mm jusqu'à une puissance de chauffage de 8 k. W DN 40 mm à partir de 9 - 18 k. W (pour une longueur de tuyau de 20 m maxi. ) ¡Le ruban d'avertissement (ruban de marquage) doit être placé au moins 30 cm au-dessus du collecteur autour de la zone à accès limité ¡Si les tuyaux d'eau glycolée traversent un mur - isolation pour résistance à la vapeur PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 38

Système d'eau glycolée Collecteur horizontal PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 39

Système d'eau glycolée Collecteur horizontal PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 40

PAC « géothermiques » avec capteurs verticaux PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 41

Système d'eau glycolée Collecteur vertical ¡Profondeur de forage normalement comprise entre 40 et 200 m ¡Souvent, elle ne dépasse pas 100 mètres - exigences ¡Systèmes indirects ¡Tuyaux PE haute pression ¡Remblayage avec une conductibilité thermique élevée (mélange ciment/bétonite) ¡Aucun joint souterrain ne doit être utilisé ¡Test d'étanchéité PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 42

Système d'eau glycolée Collecteur vertical - Conception ¡Les capteurs verticaux en « U » ou double « U » ¡Installées en parallèle ¡Forage env 120 [mm] ¡Tubes en PEHD DN 25, 32 et 40 ¡ 4 tubes peuvent être reliés par quatre (chambre commune) ou par deux à la base PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 43

Système d'eau glycolée Collecteur vertical PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 44

Système d'eau glycolée Collecteur vertical - Dimensionnement Valeurs d’extraction spécifique potentielle pour les échangeurs de chaleur verticaux (VDI 4640, partie 2) Extraction de chaleur spécifique Sous-sol [W/m] pour 1800 h/a pour 2400 h/a Valeurs indicatives générales : Sous-sol pauvre (sédiments secs) ( <1, 5 W/(m. K)) Sous-sol rocheux sol normal et sédiments saturés en eau ( <1, 5 -3, 0 W/(m. K)) Roche compacte à conductibilité thermique élevée (W/(m. K)) Roche seule Gravier et sable, secs Gravier et sable saturés d’eau Terre argileuse, humide Calcaire (massif) Grès Granite Basalte Gneiss 25 20 60 50 84 70 <25 65 -80 35 -50 55 -70 65 -85 40 -65 70 -85 <20 55 -65 30 -40 45 -60 55 -65 55 -70 35 -55 60 -70 PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 45

Système d'eau glycolée Collecteur vertical - Dimensionnement ¡En France : Puissance maximale extraite par mètre de forage vertical de 50 W/m Vérifier énergie prélevée dans le sol 100 [k. Wh/ml. an] ¡Dimensionnement exact conditions géologiques et hydro-géologiques exécution par un géologue expérimenté ou une compagnie de forage ¡Observez les règlementations nationales ¡Pas de chauffage de piscine avec les mêmes sondes que chauffage PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 46

Système d'eau glycolée Collecteur vertical - Dimensionnement ¡Exemple : La capacité thermique d'une pompe à chaleur à eau glycolée/eau est de 13 k. W pour une température moyenne d'environ 0ºC sur l'entrée d'eau glycolée et de 45°C du côté alimentation. La demande de puissance de la pompe à chaleur est de 4 k. W au point de fonctionnement (0/45). La condition souterraine jusqu'à 100 m comprend des sédiments saturés en eau. La profondeur maximale du trou de forage est limitée à 100 m conformément aux règlementations nationales. Quelle est la profondeur totale de forage ? Quel est le nombre de forage réalisé ? PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 47

Système d'eau glycolée Collecteur vertical - Positionnement ¡Premiers paramètres à respecter : Centrer l’ensemble des capteurs verticaux sur une ligne perpendiculaire au local technique Disposer les capteurs verticaux d’un même rang sur le même collecteur Sous circuits de même longueur et capacité de façon à avoir des pertes de charges constantes. Pression statique en bout de capteur vertical est dans les limites d’utilisation du tube Capteurs V – 1 er forage avec profil géologique • À chaque strate • À défaut tous les 5 [m] – Échantillons à conserver • Déclaration au BRGM PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 48

Système d'eau glycolée Collecteur vertical - Positionnement 10 [m] en France PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 49

Système d'eau glycolée Collecteur vertical - Positionnement ¡Positionnement des sondes (En France) Distances minimales entre capteurs et les autres éléments du site Exemple de positionnement à éviter PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 50

Système d'eau glycolée Collecteur vertical - Positionnement Distances minimales entre capteurs et les autres éléments du site PAC en habitat individuel – Chap. 10 : Sources de chaleur – 1/2 51