Echangeur en boucle fermé, technologie et fonctionnement

Les échangeurs horizontaux, compacts, verticaux fonctionnent sur le même principe : il s'agit de faire circuler un liquide caloporteur, généralement de l'eau glycolée, dans un tube ou un réseau de tubes ( cas du champ de sondes) en polyethylène. Ces tubes sont appelés échangeurs de chaleur voir sondes lorque les échangeurs sont verticaux.

 

échangeurs avant leur mise en place © Qualiforage

Dispositifs d'exploitation et éléments constitutifs

Les échangeurs horizontaux

Echangeurs horizontaux, plate-forme Géothermie © BRGMLa disposition des échangeurs horizontaux se fait à faible profondeur, entre 0,6 et 1,2 m au contact direct avec la terre. A cette profondeur, l'énergie prélevée du proche sous-sol se renouvelle grâce aux phénomènes climatiques naturels (ensoleillement, infiltration de l'eau de pluie, climat...).

A noter, on rencontre sur le marché un produit regroupant des échangeurs horizontaux couplés à une pompe à chaleur et dans lesquels le fluide frigorgène circule directement dans les échangeurs. Cette technologie est appelée "à détente directe". Le fluide frigorigène étant un produit dangereux pour la couche d'ozone, ce type d'installation nécessite une attention toute particulière dans sa mise en place, sa maintenance et son remplacement afin d'éviter tout risque de fuite.

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Les échangeurs compacts

Echangeur compact, plate-forme Géothermie © BRGM Les échangeurs compacts sont constitués de tuyaux ayant une forme rappelant la corbeille. Le fluide caloporteur descend dans un tube sous forme de ressort et remonte par le centre de la spirale. 

Le diamètre d'une corbeille est compris entre 30 et 1,5 m pour une hauteur comprise entre 2 m  et 3 m. Ce système permet de mobiliser une puissance extractible de 500 à 1 000 W suivant le type de corbeilles et le sol rencontré.

L'installation de système encore émergent en France, il est pourtant courant chez nos voisins allemands.

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Les échangeurs verticaux (isolé ou sous forme de champ de sondes)

Schéma conceptuel de la cimentation sur la totalité de la hauteur du forage © ADEME-BRGM

Chaque échangeur vertical se constitue d'une ou plusieurs boucles, généralement du polyéthylène haute densité – PEHD 100, possédant un diamètre compris entre 20 et 40 mm (généralement 32 mm) dans lequel circule, en circuit fermé, un liquide caloporteur (généralement du monopropylène glycol). La boucle est placée dans un forage de 125 à 200 mm de diamètre et rempli par un ciment spécialement conçu pour les opérations de géothermie aux propriétés thermiques proches de celles du sous-sol évitant ainsi d'être un frein à l'échange thermique. La cimentation a d'ailleurs un rôle crucial pour un bon fonctionnement du système.

Pour les boucles, différentes configurations sont possibles:

Configurations et géométries possibles, pour les sondes géothermiques verticales © ADEME-BRGM

  • simple U
  • double U
  • coaxiale
  • spiralée

 

 

 

 

 

Lorsqu'il y a plusieurs échangeurs verticaux (champ de sondes), les sondes sont reliées entre elles et avec le bâtiment par des linéaires de tuyaux. Ces tuyaux, généralement en PEHD, installées en tranchées puis recouverts de terre compactée à environ 1,5 m de profondeur (hors gel).

Nourrice dans chambre d'accès © Qualiforage, Boudot 2008Les circuits sont alimentés par plusieurs nourrices (distributeur et collecteur) situées dans le local technique ou, à l'extérieur, dans une chambre d'accès. Les nourrices sont équipées de vannes d’isolement sur chaque circuit et d’une vanne de purge pour l’air. Un filtre en sortie de champ de sondes permet la récupération des débris éventuels. Enfin, des vannes d’équilibrage permettent de distribuer uniformément le débit du fluide dans chacun des circuits, ceci afin d'assurer une bonne répartition de l’échange thermique.

La disposition des échangeurs verticaux, dans le cas du champs de sondes est généralement quadratique ou en quiquonce, leur raccordement peut être réalisée en série ou en parallèle. Celui-ci est le plus simple à mettre en oeuvre et limite les pertes de charge.

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>> Installer un champ de sondes

Dimensionnement de sondes géothermiques verticales pour des applications de chauffage / rafraîchissement par pompes à chaleur

Article écrit et outil développé par Mikael PHILIPPE (BRGM), Michel BERNIER (Ecole Polytechnique de Montréal), Dominique MARCHIO (Mines ParisTech) et Odile CAURET (EDF R&D).

Article publié en mai-juin 2012 dans CVC n° 874, AICVF (publié ici avec l'aimable autorisation de l'AICVF).