| Produits et services / Choix de produits / Chauffage et climatisation Géothermie: faire le bon choix de système pour le Canada (Québec) |
||||||
|
La géothermie peut faire économiser les 2/3 de votre facture de chauffage et de climatisation électriques. C'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 le roc comme sol 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.
VOIR AUSSI NOTRE ARTICLE: Subventions à la géothermie: attention aux escrocs
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 à eau
Les premiers systèmes géothermiques utilisés au Québec au début des années 80 étaient des circuits ouverts, une technologie importée de Scandinavie.
Ce système utilise 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 maintenant 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.
Avantage principal. 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.
Les inconvénients des systèmes ouverts
1- Le système ouvert est soumis à de l'eau impure (fer, souffre, calcaire et autres minéraux ),qui encrasse son échangeur de chaleur, diminue son efficacité et demande un entretien régulier.
2- Le système en circuit ouvert est 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 et deviendra inopérant.
3- Une pompe à vitesse variable coûteuse est nécessaire 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.
4- On ne peut pas toujours connaître la profondeur qu'il faudra creuser pour obtenir ce débit et personne ne peut garantir qu'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'absortion équivalent.
5- Le problème le plus inquiétant est l'obstruction du puits d'absorption. J'estime actuellement que 20% des puits d'absorption s'obstruent avant 5 ans causant souvent des dommages importants aux terrains en les inondant. Il faut alors creuser un nouveau puits d'absorption.
Je considère que cette pratique est aujourd'hui trop risquée pour être recommandée, même si elle s'avère plus économique à réaliser. Une étude est actuellement en cours pour trouver une solution de rechange utilisant un seul puits artésien comme source et comme rejet.
Le circuit fermé à l'antigel
Le système fermé à l'antigel est une boucle de tuyaux remplis d'un mélange d'eau et d'antigel de qualité alimentaire ( pour ne pas empoisonner la nappe d'eau en cas de fuite) qui est constamment recirculé 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.
Circuit fermé dans un lac. Au Québec, l'utilisation de lacs comme bassin énergétique est peu courante. Cette pratique est généralement plus coûteuse car elle exige une tranchée hors gel entre la maison et le lac ainsi qu'un système de cages pour maintenir les conduits au fond du lac ce qui exige aussi un entretien. De plus, le lac doit avoir un minimum de 25 pieds de profondeur.
Circuit fermé vertical à l'antigel: On creuse un trou de 5 ou 6 pouces de diamètre dans le sol 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.
De manière générale, il est préférable de laissé la gaine en place pour éviter un effet d'entonnoir qui peut faire affaisser le sol près des puits.
Avantages: Pour les installations commerciales ou nécessitant 10 tonnes ou plus de chauffage et de climatisation c'est un système sûr et efficace à long terme nécessitant un faible entretien consistant à surveiller la qualité du mélange eau-antigel à tous les trois ans pour s'assurer du maintien de la qualité du mélange, éviter la prolifération des bactéries et la perforation par corrosion de l'échangeur de chaleur.
Dans ces installations, souvent surveillées par des ingénieurs, l'antigel utilisé est généralement un éthanol d'origine végétale et rapidement biodégradable qui ne fait pas courir de risque à l'environnement en cas de fuite. Malheureusement, ce n'est pas le cas dans les petits systèmes résidentiels où les antigels utilisés peuvent être très dommageables en cas de fuite.
Circuit fermé à l'antigel horizontal
Le circuit fermé horizontal est semblable au circuit fermé vertical sauf que:
-les tuyaux sont enfouis dans des tranchées à environ 8 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 débarassé de ses roches pour ne pas endommager les tuyaux.
- il nécessite 400 pieds de tuyaux par tonne de chauffage soit près du 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 champs d'épuration afin de ne pas le refroidir et nuire à l'épuration biologique.
Avantage: Lorsqu'on dispose d'un grand terrain, avec un sol meuble, le circuit horizontal à l'antigel peut être plus économique que le circuit vertical car il se fait simplement avec une rétrocaveuse (pépine).
Les problèmes des systèmes à antigel
1- Des bactéries dans les tuyaux. Pour que le système ne s'encrasse pas, le mélange doit contenir 25% d'antigel alimentaire et 75% d'eau pure. Ce mélange est utilisé par les ingénieurs dans les installations commerciales au Québec et il fonctionne parfaitement sans problème. Mais dans les installations résidentielles, les entrepreneurs utilisent souvent l'eau de l'aqueduc ou l'eau de puits de la résidence pour couper les coûts et ils diminuent parfois le pourcentage ou la qualité de l'antigel. Or, cette eau impure peut contenir des algues et des bactéries qui se nourrissent de l'antigel lorsqu'il est en trop faible proportion. Dans un tel cas, une couche d'algues peut se former à l'intérieur des tuyaux réduisant le transfert de chaleur et l'efficacité du système de près de 50%. Après quelques années, certains tuyaux sont complètement bouchés par les algues et on doit refaire entièrement les puits de forage car on ne peut pas nettoyer convenablement ces tuyaux.
2- La corrosion de l'échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur entre le gaz réfrigérant et le mélange eau-antigel peut être perforé par la rouille après une dizaine d'années seulement. Dans un tel cas, le mélange eau-antigel s'infiltre dans le compresseur et le détruit sur le champs ainsi que toutes les composantes de réfrigération. Il faut alors remplacer l'ensemble de la thermopompe géothermique car le coût de remplacement de chaque composante est plus élevé que le coût d'un appareil neuf.
3- Des tuyaux trop courts. Au Canada, la seule norme nationale établie par un organisme indépendant est celle de Manitoba-Hydro pour son programme de subvention à la géothermie. Ce programme stipule que pour un puits vertical dans le roc on doit utiliser 225 pieds linéaires de conduits remplis d'antigel pour obtenir une tonne de réfrigération/chauffage.
Du côté des manufacturiers, on recommande un minimum de:
150 pieds de tuyau par tonne dans un sol de granit
185 pieds de tuyau par tonne dans un roc de type calcaire (très dur et non friable)
200 pieds de tuyau dans un roc friable, faible ou non homogène
400 pieds de tuyau dans les autres sols tels que l'argile et le sable parce qu'ils ne conduisent pas bien la chaleur.
Quant aux entrepreneurs du Québec, ils se contentent de 150 pieds de tuyaux par tonne quelque soit le type de sol. Pire encore plusieurs se contentent de moins. J'ai vu des soumissions à 85 pieds par tonne faites par de grandes entreprises très respectables.
Cette pratique a pour conséquence d'épuiser la chaleur du sol dans la première moitié de l'hiver et de réduire énormément l'efficacité du système durant la deuxième moitié de la saison de chauffage. Le système demeure parfaitement fonctionnel mais les économies annuelles tombent souvent à 30%. Le pire c'est que pour les maisons neuves, les propriétaires n'ont aucune base de comparaison pour connaître l'efficacité de leur système. Dans ce cas, ils doivent faire réaliser une étude par une firme indépendante pour se faire dédommager financièrement.
4- Des produits dommageables pour l'environnement? Certaines municipalités songent à interdire l'installation de systèmes de géothermie fonctionnant à l'antigel pour éviter la contamination des nappes phréatiques en cas de fuites. En effet, si le marché commercial de la géothermie est relativement bien surveillé et encadré par des professionnels, il en va bien autrement dans le secteur résidentiel où les entrepreneurs sans scrupules qui offrent les plus bas prix sont toujours les plus populaires même si leurs systèmes sont inadéquats.
Subventions à la géothermie: attention aux escrocs
Le circuit fermé au fréon
Depuis le début des années 2000, le système à expansion directe s'impose de plus en plus comme le système le plus intéressant pour les petites installations nécessitant 5 tonnes et moins et pour les rénovations urbaines ou de banlieue. Le fréon circule directement dans le sol dans de petits conduits de cuivre et il absorbe la chaleur par changement de phase de liquide à gazeux. Ceci permet de faire des puits moins profonds et de plus faible diamètre.
Les avantages
1- Ce système est mieux adapté à la ville, au marché de la rénovation et au petits projets résidentiels car il nécessite très peu d'espace pour sa réalisation, il n'endommage pas le terrain et il est moins coûteux pour les besoins énergétiques de 5 tonnes ou moins.
2- L'expansion directe ne nécessite aucune pompe ni aucun échangeur de chaleur pouvant s'encrasser. C'est simplement le compresseur qui fait circuler le fréon comme dans un réfrigérateur. Il ne nécessite donc aucun entretien et son efficacité est constante.
3- L'énergie absorbée par le changement de phase de liquide à gazeux se fait généra
lement sur une courte partie du circuit près de la nappe phréatique. Ceci permet au système d'aller chercher beaucoup d'énergie là où elle est disponible en grande quantité. Voilà pourquoi ce système ne refroidit pas le sol comme celui à l'antigel qui retire sa chaleur uniformément sur toute la longueur des tuyaux.
4- Comme l'énergie est captée à des points plus précis, il y a une réduction importante des longueurs de forage et de tuyaux. 100 pieds de tuyau offre 1 tonne de climatisation/chauffage.
5- Chauffer l'eau de la piscine. En mode de climatisation, le système à expansion directe est le seul à pouvoir rejeter la chaleur de la maison dans l'eau de la piscine extérieure avant d'aller dans le sol. Le transfert de chaleur se fait par un simple échangeur de chaleur à plaques. Ceci permet de chauffer l'eau de la piscine gratuitement sans toutefois avoir un contrôle précis sur la température de l'eau.
Puissance de chauffage et longueur de tuyau
La puissance. 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.
Longueur de tuyau. Dans un système à antigel, si le sol est fait de roc, il faudra 225 pieds linéaires de tuyaux par tonne de réfrigération. ( une ligne double d'un circuit fermé ne compte que pour une longueur de tuyaux).
Voir la note précédente sur la longueur de tuyau nécessaire.
Si le sol est fait de sable ou de gravier avec limon il faudra 400 pieds de tuyaux par tonne de réfrigération pour cette partie.
Pour un système horizontal, il est toujours nécessaire d'utiliser 400 pieds de tuyaux par tonne de réfrigération.
Dans un système au fréon, il suffit de 100 pieds de tuyau par tonne de chauffage quelque soit le type de sol.
Coefficient d'efficacité: attention aux chiffres
Le COP ou coefficient d'efficacité est le rapport entre l'énergie fournie et l'énergie dépensée par l'appareil. En mode de chauffage, un appareil a généralement un COP maximal de 3,5. Ce qui signifie qu'il retire 3,5 fois plus d'énergie 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 le sol est refroidit 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%.
Les appareils à expansion directe sont plus performants et maintiennent une efficacité globale annuelle d'environ 65%. En effet, ils utilisent moins d'énergie pour leur fonctionnement car ils n'ont pas de pompe électrique. De plus, ils n'ont pas de pertes de chaleur dans l'échangeur thermique.
En mode de climatisation, un système géothermique 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
La 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.
Cliquez sur les illustrations pour les agrandir
La géothermie est parfaite pour le système central à air pulsé car elle peut fournir à la fois le chauffage et la climatisation sans changement important au système conventionnel.
Bon pour les planchers radiants hydroniques. La géothermie peut fournirde 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 qui fonctionnent à basse température. Voir article sur le chauffage radiant hydronique
Adaptation pour les radiateurs. Les anciens systèmes à eau chaude avec radiateurs sont généralement calibrés pour une température de 180'F (82'C). Avec une température maximale de 120'F (50'C), la chaleur fournie sera insuffisante pour combler tous les besoins de chauffage des anciennes maisons durant l'hiver. On pourra cependant ajouté des unités de chauffage et de climatisation avec ventilateurs qui permettront à la fois de combler les besoins de chauffage par géothermie et de climatiser.
Voir notre article sur l'ajout d'un système géothermique à un chauffage existant.
Climatisation et système hydronique. Dans le secteur résidentiel, seul le système central à air pulsé 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. Pour ceux qui désirent le confort du plancher radiant hydronique et la climatisation dans leur résidence il faudra réaliser un système hybride où l'eau froide sera acheminée vers un système à air pulsé ne servant qu'à la climatisation estivale.
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 régulier.
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 et choix du système géothermique
De manière générale, la thermopompe géothermique est plus efficace et plus rentable qu'une thermopompe air-air. Il faut environ 12 ans pour rentabiliser la thermopompe géothermique comparativement à une thermopompe air-air . Après 12 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 espérence 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 de 60 à 65% 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 (30% la première année et 15% après 10 ans d'usure).
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 75$ 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 30 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.
Choix du système
Si on ne regarde que le coût de réalisation sans évaluer les inconvénients et les risques associés, le système le plus économique est généralement:
Si on a de l'eau en quantité: le système à eau ouvert peut être le plus économique, mais je ne le recommande pas actuellement. Voir la mise en garde
Si on a un grand terrain avec un sol meuble: le système antigel horizontal peut être le plus économique pour les besoins de 5 tonnes et moins mais attention à l'antigel utilisé (éthanol VÉGÉTAL) et à la longueur des tuyaux. Voir la mise en garde.
Si on a besoin de dix tonnes de chauffage/climatisation ou plus: le système antigel vertical peut être le plus économique mais attention à l'antigel utilisé et à la longueur des tuyaux. Voir la mise en garde.
Si on a besoin de dix tonnes et moins : le système à expansion directe est presque toujours un meilleur choix pour une maison neuve et encore plus en rénovation car il n'endommage pas le terrain comme les grosses foreuses des puisatiers.
Si on a besoin de chauffer une piscine extérieure ou intérieure: le système à expansion directe est encore plus rentable.
Quelque soit le système que vous recherchez, nous pouvons vous référer une entreprise compétente qui respecte les règles de l'art en géothermie,
Guides Perrier 514.523.4441 ou yperrier@guidesperrier.com
Articles connexes: Géothermie: le meilleur choix en rénovation
Le chauffage radiant hydronique
|
||||||||||||||||||||||
