Comment fonctionne ce calculateur de pompe à chaleur géothermique
Une pompe à chaleur géothermique (PAC sol-eau) puise de la chaleur basse température dans le sol grâce à une boucle fermée de tubes en plastique remplis d’eau glycolée, sous forme de sondes verticales ou de capteurs horizontaux enterrés dans le jardin, puis la porte à la température du circuit de chauffage. Le dimensionnement se ramène à trois questions liées. Quelle puissance de PAC faut-il ? Combien de chaleur prélèvera-t-elle dans le sol ? Et quelle longueur de capteur faut-il pour que le sol ne se refroidisse pas au fil des ans ? Le calculateur répond aux trois :
- Besoins de chaleur. Surface et niveau d’isolation (ou consommation annuelle connue en kWh), plus l’eau chaude sanitaire, simulés mois par mois pour votre climat avec des classes de température. C’est le même moteur que notre calculateur de pompe à chaleur air-eau.
- Température du fluide et COP. La température du sol non perturbé est estimée à la température moyenne annuelle de l’air + 1,5 K, ou vous pouvez la saisir. Pendant la saison de chauffe, le fluide circule 4 à 8 K en dessous, davantage pendant les mois les plus froids. Le COP découle des températures du fluide et du départ chauffage.
- Puissance de la PAC = déperditions de base à la température extérieure de base locale + 10 % pour la relance de l’eau chaude.
- Extraction dans le sol. Puissance extraite = puissance calorifique × (1 − 1/SCOP). En la divisant par la puissance d’extraction spécifique VDI 4640 de votre type de sol (interpolée selon vos heures à pleine charge), on obtient la longueur de sonde ou la surface de capteur. Cette longueur est ensuite comparée à une limite d’énergie annuelle de 100 kWh par mètre et par an (60 kWh/m² pour les capteurs horizontaux), et c’est la plus grande valeur qui l’emporte.
- Coûts du forage ou de la tranchée et de la PAC, coût d’exploitation, et comparaison avec une PAC air-eau et une chaudière à gaz.
La formule
Exemple chiffré : maison de 180 m² à Berlin
Les valeurs par défaut décrivent une maison de 180 m² moyennement isolée à Berlin, avec plancher chauffant (départ à 35 °C) et eau chaude pour quatre personnes. Les besoins de chaleur annuels atteignent environ 18 370 kWh et les déperditions de base 7,0 kW à −9 °C : le calculateur retient donc une PAC géothermique de 8 kW.
Avec une température du sol estimée à 11,4 °C, le COP saisonnier vaut 4,23 ; une PAC air-eau dans la même maison atteindrait environ 3,79. La PAC consomme environ 4 340 kWh d’électricité, soit ≈ 1 216 € par an à 0,28 €/kWh. L’économie est d’environ 141 € par an face à l’aérothermie et d’environ 825 € face à une chaudière à gaz au rendement de 90 % (2 041 € à 0,10 €/kWh).
Chaque année, l’installation prélève environ 14 030 kWh dans le sol. Dans un sol moyen (λ ≈ 2 W/mK), le seul critère de puissance de pointe donnerait environ 130 m à près de 47 W/m, mais la limite d’énergie annuelle de 100 kWh/m porte la longueur à 140 m, par exemple deux sondes de 70 m. À 70 €/m de forage plus 12 000 € pour la PAC, le coût d’installation estimé avoisine 21 800 €. Un capteur horizontal demanderait plutôt environ 290 m² de terrain. Les émissions de CO₂ s’élèvent à environ 1,5 t par an sur un réseau à 350 g/kWh, contre 3,7 t au gaz.
Comment lire les résultats
- La longueur de sonde / surface de capteur détermine le coût. Le verdict indique si c’est la limite d’énergie ou le critère de puissance qui la fixe.
- Des heures à pleine charge au-delà de ~2 400 h signalent de longues saisons de fonctionnement (climat froid ou forte consommation d’eau chaude) : des puissances d’extraction en W/m plus faibles s’appliquent alors.
- L’économie face à l’aérothermie est ce que vous rapporte le surcoût du capteur enterré. Divisez ce surcoût d’installation par cette économie pour obtenir un temps de retour approximatif.
- Le tableau des types de sol compare les longueurs pour chaque géologie. Une étude de sol ou les données des forages voisins vous diront lequel s’applique.
Valeurs typiques (VDI 4640, petites installations < 30 kW)
| Sol | Sonde W/m à 1 800 h | Sonde W/m à 2 400 h | Capteur horizontal W/m² à 1 800 h |
|---|---|---|---|
| Gravier / sable sec | < 25 | < 20 | 10–15 |
| Argile / limon humide | 35–50 | 30–40 | 25–30 |
| Gravier / sable saturé d’eau | 65–80 | 55–65 | 35–40 |
| Calcaire (massif) | 55–70 | 45–60 | – |
| Grès | 65–80 | 55–65 | – |
| Granite, gneiss | 65–85 | 55–70 | – |
| Basalte | 40–65 | 35–55 | – |
Conseils
- Faites réaliser un test de réponse thermique pour les installations au-delà de ~30 kW ou à plusieurs sondes. Il mesure la conductivité réelle du sol et peut raccourcir (ou allonger) le champ de sondes de 20 à 30 %.
- Espacez les sondes d’au moins 6 m. Plus près, elles se volent mutuellement de la chaleur.
- Gardez une température de départ basse. C’est avec un plancher chauffant à 35 °C que la géothermie brille ; avec des radiateurs à 55 °C, son avance sur l’aérothermie se réduit.
- Pensez au géocooling. En été, faire circuler le fluide dans le plancher rafraîchit presque gratuitement et recharge en partie le sol.
- Réduisez d’abord les besoins avec le calculateur d’économies d’isolation. Une PAC plus petite, c’est une sonde plus courte et moins chère.
Limites
Les puissances d’extraction sont indicatives. Elles supposent l’absence d’écoulement souterrain notable (qui peut les augmenter fortement) et une construction de forage standard avec sondes en simple U ou double U. Les champs de sondes voisins, les très longues durées de fonctionnement, les besoins de rafraîchissement et les grandes installations exigent une vraie simulation (EED, GLHEPro ou les tableaux MCS MIS 3005). Un forage demande en général une autorisation, surtout au-delà de 100 m ou dans les périmètres de protection des captages d’eau. Les coûts varient beaucoup selon le pays et l’accès au chantier : saisissez des devis locaux dans les réglages avancés.
Méthode et hypothèses
Les besoins de chauffage et d’eau chaude sont simulés mois par mois (classes de température), avec une eau glycolée qui entre dans la pompe à chaleur à Tsol − 4 K − 4 K × (charge mensuelle ÷ charge de pointe). La machine est dimensionnée sur les déperditions de base + 10 %. Puissance extraite du sol = puissance de la PAC × (1 − 1/SCOP). Longueur de forage = puissance extraite ÷ puissance d’extraction spécifique (W/m) du type de sol, interpolée entre les valeurs VDI 4640 à 1 800 h et 2 400 h de pleine charge. La surface du capteur horizontal se calcule de la même façon en W/m².
Questions fréquentes
Quelle profondeur de forage faut-il pour une pompe à chaleur géothermique ?
Quelle surface de terrain faut-il pour un capteur horizontal ?
La géothermie est-elle meilleure que l’aérothermie ?
Combien coûte une pompe à chaleur géothermique ?
Qu’est-ce que la puissance d’extraction spécifique (W/m) ?
Un capteur géothermique peut-il geler ou s’épuiser ?
Sources et références
- VDI 4640 Part 2 : Thermal use of the underground: ground source heat pump systems
- MCS MIS 3005-D : Heat pump design standard (UK Microgeneration Certification Scheme)
- IEA Heat Pumping Technologies TCP
- US DOE : Geothermal heat pumps
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