Haute école spécialisée de Suisse orientale : Deux sources de chaleur pour les grands bâtiments - air ambiant et géothermie forment un couple parfait (ee-news.ch)

Aujourd’hui, les nouvelles constructions utilisent principalement des pompes à chaleur pour le chauffage et l’approvisionnement en eau chaude. Ces systèmes sont également de plus en plus répandus dans les bâtiments existants et remplacent ainsi les systèmes de chauffage fossiles. Le principe de fonctionnement est toujours le même: les pompes à chaleur utilisent la chaleur ambiante contenue dans l’air extérieur, le sol ou la nappe phréatique et les lacs et la «pompent» jusqu’à la température utile souhaitée. Il est ainsi possible de produire trois à quatre fois plus de chaleur que l’électricité nécessaire au fonctionnement de la pompe à chaleur.

En règle générale, les pompes à chaleur utilisent une seule source de chaleur. Aujourd’hui, dans trois cas sur quatre, il s’agit de l’air ambiant. Dans la mesure du possible, on utilise si possible la géothermie pour les grandes constructions. Il peut toutefois arriver qu’une seule source de chaleur ne suffise pas, comme l’explique le professeur Carsten Wemhöner de la Haute école spécialisée de Suisse orientale (OST) : «Cela peut notamment être le cas pour les grands bâtiments existants avec des besoins en chaleur élevés et une puissance de chauffage supérieure à 50 kW, lorsque l’espace pour forer le nombre nécessaire de sondes géothermiques est insuffisant ou lorsque la profondeur de forage est limitée. La situation initiale est la même lorsque l’installation d’une pompe à chaleur à air extérieur suffisamment dimensionnée provoque trop de bruit». Dans de tels cas, le recours à une deuxième source de chaleur peut être une solution: la source de chaleur supplémentaire compense la taille insuffisante du champ de sondes ou permet de construire la pompe à chaleur à air extérieur plus petite (et donc plus silencieuse).

Le champ de sondes rétrécit de manière disproportionnée
Mais comment se présente concrètement l’interaction entre deux sources de chaleur pour l’approvisionnement d’un immeuble locatif? Et: le recours à une deuxième source est-il finançable? Carsten Wemhöner et une équipe de recherche de l’OST ont étudié ces questions à l’aide de simulations de bâtiments et d’installations. Les simulations ont permis de reproduire des bâtiments résidentiels avec une charge calorifique comprise entre 60 et 240 kW (ce qui correspond à plusieurs dizaines d’appartements). Le projet de trois ans, soutenu par l’OFEN, s’est achevé à l’automne 2023.

La géothermie pour les pics de besoins les jours de grand froid
Le point de départ des calculs était un immeuble collectif de taille moyenne, alimenté jusqu’à présent par un chauffage au gaz et désormais chauffé par la chaleur ambiante. Pour couvrir les besoins en chaleur de cette maison, il faudrait une pompe à chaleur d’une puissance de chauffage d’environ 120 kW. Pour atteindre cette performance avec une pompe à chaleur géothermique, il faudrait 12 sondes géothermiques de 280 m de profondeur, espacées de 10 mètres les unes des autres. Mais la surface disponible pour le champ de sondes est souvent insuffisant dans les zones urbaines. Dans ce cas, comme le proposent les chercheurs de l’OST, la puissance de chauffage pourrait être répartie entre une pompe à chaleur géothermique et une pompe à chaleur à air extérieur, avec une puissance de chauffage de 60 kW chacune. Dans ce cas, la pompe à chaleur à air extérieur couvrirait les besoins de base, tandis que la pompe à chaleur géothermique serait utilisée uniquement pour les pics de besoins les jours de grand froid.

Meilleure régénération
Avec cette double solution, la puissance nécessaire de la pompe à chaleur géothermique est réduite de moitié. Ce qui est intéressant ici: le champ de sondes correspondant peut être réduit non seulement de 50%, mais même de 75%, comme le montrent les calculs (voir figure 01). Dans les faits, seules trois sondes géothermiques sont nécessaires pour faire fonctionner la pompe à chaleur géothermique de 60 kW. Wemhöner l’explique ainsi: «La puissance des sondes géothermiques est rarement sollicitée, tout en prélevant relativement peu d’énergie; de plus, le sol autour des sondes géothermiques peut mieux se régénérer».

Une deuxième source de chaleur régénère le sol
Dans un deuxième projet partiel, les chercheurs ont à nouveau étudié un système de chauffage mixte avec une pompe à chaleur géothermique et une deuxième source de chaleur (échangeur de chaleur à air, capteurs solaires, capteurs PVT). La deuxième source de chaleur sert en premier lieu à régénérer les sondes géothermiques, mais peut également être utilisée pour couvrir directement les besoins en chauffage/eau chaude en cas d’excédent de chaleur. Par régénération, on entend la restitution d’une partie de la chaleur qui a été extraite de la terre pendant les mois d’hiver. Dans de nombreux cas, la régénération est nécessaire pour éviter le refroidissement à long terme du sol. Dans ce cas, la pompe à chaleur géothermique supporte la totalité de la charge de chauffage. Elle doit par conséquent être conçue pour la pleine puissance de la source de chaleur, soit environ 90 kW.

Réduire le nombre de sondes de 12 à 8
Le système à deux sources présente toutefois un autre avantage : grâce à la régénération du champ de sondes géothermiques, les sondes peuvent être forées de manière plus dense. Dans le cas présent, les calculs ont montré que, par exemple, l’utilisation d’une pompe à chaleur à sondes géothermiques avec un échangeur de chaleur à air supplémentaire d’une puissance de 60 kW permettait de réduire le nombre de sondes de 12 à 8. Le principe est le suivant: plus l’énergie consacrée à la régénération du champ de sondes est importante, plus les sondes peuvent être rapprochées ou plus leur nombre peut être réduit. Les simulations montrent que l’optimum financier (coûts annuels les plus bas) est atteint avec un taux de régénération compris entre 60 et 80%.

Deux sources parfois moins chères qu’une seule
Si les champs de sondes géothermiques peuvent être dimensionnés plus petits, cela facilite l’utilisation de pompes à chaleur dans les zones urbaines. D’un point de vue financier, les avantages sont également remarquables dans la mesure où le forage de sondes géothermiques est coûteux. Selon les calculs des chercheurs de l’OST, les économies réalisées sont si importantes qu’elles compensent, voire surcompensent, dans de nombreux cas les dépenses supplémentaires liées à l’utilisation de la deuxième source de chaleur. Pour le formuler simplement: un système à deux sources peut être plus avantageux sur le cycle de vie qu’un système à une seule source de chaleur. «Nous en tirons la conclusion qu’une solution de pompe à chaleur à deux sources pourrait également être utile pour les immeubles collectifs, même si ceux-ci peuvent être alimentés par une seule source», explique Wemhöner.

Un suivi sur trois périodes de chauffage
À partir de la fin de l’automne 2023, les simulations des scientifiques de l’OST seront vérifiées en situation réelle dans le cadre d’un projet pilote et de démonstration. À cette fin, deux immeubles d’habitation comprenant 56 appartements seront équipés d’un système de pompe à chaleur à deux sources, en collaboration avec l’entreprise de planification et de technique du bâtiment Amstein+Walthert, la coopérative Lägern Wohnen en tant que maître d’ouvrage et le fabricant de pompes à chaleur Bion Bauhaus. Un suivi sur trois périodes de chauffage permet d’analyser les performances du système. Un résultat favorable pourrait donner une impulsion importante à une utilisation plus large des pompes à chaleur dans les grands immeubles d’habitation et de bureaux existants. Aujourd’hui, les pompes à chaleur sont certes plus souvent combinées avec des chaudières à gaz pour une couverture de pointe, mais les solutions de pompes à chaleur pures avec deux sources de chaleur sont encore rares.

Les grandes pompes à chaleur ont encore du potentiel
Les pompes à chaleur sont très souvent utilisées dans les maisons individuelles, mais sont encore moins répandues dans les immeubles locatifs, surtout dans les bâtiments existants. C’est la conclusion que les chiffres de vente publiés chaque année par le Groupement professionnel suisse pour les pompes à chaleur (GSP) permettent de tirer. Sur les 41 000 pompes à chaleur vendues en 2022, 85% avaient une puissance comprise entre 5 et 20 kW, ce qui est typiquement nécessaire pour chauffer une maison individuelle. En revanche, les grandes pompes à chaleur d’une puissance comprise entre 50 et 350 kW, généralement nécessaires pour les immeubles locatifs, n’ont représenté que 2,3% des ventes. Même si cela ne permet pas de représenter entièrement le marché, la tendance se dessine clairement.