PAC Géothermique
Pompe à chaleur géothermique : fonctionnement, captage et applications
La géothermie consiste à exploiter l’énergie thermique naturellement présente dans le sous-sol. Dans le secteur du bâtiment, il s’agit principalement de géothermie de surface, également appelée géothermie très basse température. Cette énergie renouvelable valorise la chaleur stockée dans les premiers mètres ou dizaines de mètres du sol, ainsi que dans certaines ressources en eau souterraine. Disponible tout au long de l’année, elle présente une température beaucoup plus stable que l’air extérieur, ce qui constitue un atout pour les installations de chauffage.
Pour valoriser cette énergie, il est nécessaire d’y associer une pompe à chaleur géothermique. Celle-ci récupère les calories captées dans le sol ou dans une ressource en eau, puis les élève à un niveau de température compatible avec les besoins du bâtiment grâce à un cycle thermodynamique. Selon les équipements retenus, elle peut assurer le chauffage, la production d’eau chaude sanitaire (ECS) et, dans certaines configurations, contribuer au rafraîchissement des locaux par géocooling, également appelé free-cooling.
Le choix d’une PAC géothermique ne dépend donc pas uniquement des performances de l’équipement. Il repose également sur les caractéristiques du terrain, le mode de captage retenu, les besoins énergétiques du bâtiment ainsi que les contraintes techniques, environnementales et réglementaires propres à chaque projet. Cette approche globale fait de la géothermie une solution particulièrement adaptée aux projets recherchant des performances énergétiques durables et une meilleure maîtrise des consommations énergétiques.
Comprendre le fonctionnement d’une pompe à chaleur géothermique
La géothermie de surface : une ressource énergétique renouvelable
La chaleur naturellement présente dans le sous-sol résulte principalement du rayonnement solaire emmagasiné dans les couches superficielles de la Terre et, dans une moindre mesure, des échanges thermiques internes au globe. À faible profondeur, cette énergie reste relativement stable au fil des saisons, ce qui en fait une ressource particulièrement adaptée aux applications de chauffage et de rafraîchissement des bâtiments.
Dans le domaine du bâtiment, les projets exploitent principalement la géothermie de surface, également appelée géothermie très basse température. Les ressources mobilisées présentent généralement une température inférieure à 30 °C. À ce niveau de température, l’énergie ne peut pas être utilisée directement pour alimenter un réseau de chauffage : elle doit être valorisée par une pompe à chaleur géothermique, qui élève son niveau de température afin de répondre aux besoins du bâtiment.
Cette énergie peut être captée de différentes manières selon les caractéristiques du terrain et les objectifs du projet. Le captage peut être réalisé à l’aide de capteurs horizontaux, de sondes géothermiques verticales (SGV) ou, lorsque les conditions hydrogéologiques le permettent, par un captage sur nappe phréatique. Le choix de la solution dépend notamment de la nature du sous-sol, de la surface disponible, des besoins énergétiques du bâtiment et des contraintes techniques ou réglementaires applicables.
Le rôle de la pompe à chaleur géothermique
La pompe à chaleur géothermique est l’équipement qui permet de valoriser l’énergie récupérée par le système de captage. Comme toutes les pompes à chaleur, elle fonctionne grâce à un cycle thermodynamique mettant en œuvre un fluide frigorigène circulant dans un circuit fermé. Les équipements actuels intègrent le plus souvent une technologie Inverter, qui adapte en continu la puissance du compresseur aux besoins réels du bâtiment afin d’améliorer les performances saisonnières et de limiter les cycles de fonctionnement.
Le transfert d’énergie repose sur quatre composants principaux :
- l’évaporateur, qui récupère l’énergie thermique transmise par le système de captage, qu’il s’agisse d’un circuit fermé utilisant un fluide caloporteur, généralement de l’eau glycolée, ou d’un captage sur nappe;
- le compresseur, qui augmente la pression et la température du fluide frigorigène;
- le condenseur, qui restitue cette énergie au réseau de chauffage hydraulique;
- le détendeur, qui ramène le fluide à son état initial afin de recommencer un nouveau cycle.
L’énergie ainsi valorisée peut alimenter différents émetteurs de chauffage, tels que des planchers chauffants, des radiateurs basse température ou des ventilo-convecteurs. Selon les équipements retenus, la PAC géothermique peut également assurer la production d’eau chaude sanitaire (ECS) et contribuer au géocooling lorsque l’installation est conçue pour cet usage.
Les différents systèmes de captage géothermique
Le captage : un élément structurant du projet
La particularité d’une pompe à chaleur géothermique réside dans son système de captage. Contrairement aux solutions aérothermiques, qui prélèvent directement les calories dans l’air extérieur, une installation géothermique nécessite de récupérer l’énergie présente dans le sous-sol ou dans une ressource en eau avant de la valoriser grâce à la pompe à chaleur.
Le choix du mode de captage constitue donc une étape déterminante de la conception. Il dépend notamment de la nature du terrain, des caractéristiques géologiques et hydrogéologiques du site, de la surface disponible, des besoins énergétiques du bâtiment ainsi que des contraintes techniques, environnementales et réglementaires applicables.
Les capteurs horizontaux
Les capteurs horizontaux sont constitués d’un réseau de tubes enterrés à faible profondeur dans lesquels circule un fluide caloporteur, généralement de l’eau glycolée. Ce fluide récupère progressivement l’énergie thermique contenue dans les couches superficielles du sol avant de la transmettre à la PAC géothermique.
Cette solution nécessite une emprise au sol relativement importante et s’adresse principalement aux projets disposant d’un terrain suffisant pour accueillir le réseau de captage. Les performances de l’installation dépendent notamment de la nature du sol, de son humidité et des conditions d’implantation des capteurs.
Les sondes géothermiques verticales (SGV)
Les sondes géothermiques verticales (SGV) reposent sur la réalisation d’un ou plusieurs forages dans lesquels sont installées des sondes contenant un fluide caloporteur. L’énergie thermique est ainsi récupérée en profondeur avant d’être transférée vers la pompe à chaleur géothermique.
Cette configuration limite l’emprise au sol et permet de bénéficier d’une température particulièrement stable. Elle est fréquemment retenue lorsque la surface disponible est réduite ou lorsque les besoins énergétiques du bâtiment justifient un captage plus performant. Sa mise en œuvre nécessite toutefois des études spécifiques ainsi que l’intervention d’entreprises spécialisées dans les travaux de forage.
Le captage sur nappe phréatique
Lorsque les conditions hydrogéologiques le permettent, une PAC géothermique peut également exploiter l’énergie contenue dans une nappe phréatique. Dans ce cas, l’eau est prélevée afin de réaliser les échanges thermiques, puis réinjectée ou rejetée conformément aux dispositions réglementaires applicables.
Grâce à la stabilité thermique des eaux souterraines, cette solution permet généralement d’obtenir des performances particulièrement élevées. Sa mise en œuvre suppose cependant de vérifier la disponibilité de la ressource, sa qualité, son débit ainsi que les conditions d’exploitation du captage.
À découvrir : la pompe à chaleur Eau/Eau
Le captage sur nappe correspond au principe de fonctionnement des pompes à chaleur Eau/Eau, auxquelles nous consacrons un dossier spécifique permettant d’approfondir cette technologie.
Les performances d’une pompe à chaleur géothermique
Performance stable
Stabilité thermique de la ressource au fil des saisons
Plusieurs usages
Chauffage, ECS et géocooling selon les équipements
Énergie renouvelable locale
Valorisation de l’énergie disponible dans le sous-sol
L’un des principaux atouts d’une pompe à chaleur géothermique réside dans la stabilité de la ressource qu’elle exploite. Contrairement à l’air extérieur, dont la température varie fortement au fil des saisons, le sous-sol présente des conditions thermiques beaucoup plus régulières. Cette caractéristique permet à l’installation de fonctionner dans des conditions stables tout au long de l’année et contribue au maintien de performances énergétiques élevées.
Selon les équipements retenus, une PAC géothermique peut assurer le chauffage, produire l’eau chaude sanitaire (ECS) et, dans certaines configurations, participer au rafraîchissement des locaux par géocooling ou free-cooling. Cette polyvalence permet de répondre à plusieurs besoins au sein d’une même installation tout en valorisant une énergie renouvelable disponible localement.
COP et SCOP : deux indicateurs de performance
Les performances d’une pompe à chaleur géothermique sont notamment évaluées à l’aide du coefficient de performance (COP) et du coefficient de performance saisonnier (SCOP).
COP
Coefficient de performance
Le COP mesure le rapport entre l’énergie thermique produite et l’électricité consommée dans des conditions d’essai normalisées.
→ Performance à un instant donné
SCOP
Coefficient de performance saisonnier
Le SCOP prend en compte les conditions de fonctionnement rencontrées sur l’ensemble d’une saison de chauffe et fournit une estimation plus représentative des performances en exploitation.
→ Performance sur une saison
Grâce à la stabilité thermique du sous-sol ou des eaux souterraines, les PAC géothermiques présentent généralement des performances saisonnières régulières, quelles que soient les variations climatiques extérieures.
Une contribution à la performance énergétique des bâtiments
En mobilisant une énergie renouvelable disponible localement, la pompe à chaleur géothermique contribue à réduire les consommations d’énergie primaire liées au chauffage des bâtiments. Intégrée dans une démarche globale de conception, elle peut participer à l’amélioration de la performance énergétique des constructions neuves comme des opérations de rénovation.
Selon les caractéristiques du projet, cette technologie peut également contribuer aux stratégies de décarbonation du patrimoine bâti ainsi qu’à l’atteinte des objectifs énergétiques recherchés dans les projets de construction neuve.
Étude de faisabilité et conception d’un projet géothermique
La mise en œuvre d’une pompe à chaleur géothermique ne dépend pas uniquement du choix de l’équipement. Elle repose avant tout sur la capacité du site à accueillir un système de captage adapté aux besoins du bâtiment. Une étude de faisabilité constitue donc une étape préalable indispensable afin de vérifier la pertinence de la solution envisagée.
Évaluer le potentiel du site
L’étude préalable permet d’analyser les caractéristiques du terrain, la nature du sous-sol, les éventuelles ressources en eau disponibles, la surface mobilisable pour le captage ainsi que les contraintes réglementaires et environnementales applicables au projet. Ces différents éléments orientent le choix entre un captage horizontal, des sondes géothermiques verticales (SGV) ou un captage sur nappe, selon les conditions propres au site.
Dimensionner l’installation
Le dimensionnement d’une PAC géothermique repose sur l’évaluation des besoins de chauffage, de production d’eau chaude sanitaire (ECS) et, le cas échéant, de rafraîchissement. Il prend également en compte les déperditions thermiques du bâtiment, les températures de fonctionnement du réseau hydraulique ainsi que les performances recherchées. Comme pour tout système thermodynamique, un sous-dimensionnement peut entraîner un recours plus fréquent à un système d’appoint, tandis qu’un surdimensionnement favorise les cycles courts susceptibles de dégrader le rendement saisonnier.
Une approche pluridisciplinaire
La réalisation d’un projet géothermique mobilise plusieurs compétences complémentaires. Selon la solution retenue, elle peut nécessiter l’intervention de spécialistes du forage, de l’hydrogéologie, de la géologie et de l’installation des équipements thermiques. La coordination de ces expertises contribue à sécuriser le projet et à garantir la qualité de sa mise en œuvre.
Exploitation, performances et maintenance d’une PAC géothermique
Les performances d’une pompe à chaleur géothermique dépendent autant de la qualité de l’équipement que du bon fonctionnement du système de captage et de l’ensemble de l’installation.
Une maintenance régulière permet de vérifier les principaux composants de la pompe à chaleur, le circuit hydraulique, les équipements participant aux échanges thermiques ainsi que les dispositifs de régulation. Pour les installations concernées, les interventions sur le circuit frigorifique doivent respecter les exigences réglementaires en vigueur.
Lorsque le projet comporte un système de captage spécifique, celui-ci peut également faire l’objet d’un suivi afin de préserver les performances de l’installation dans le temps. Les modalités de contrôle dépendent du type de captage retenu et des caractéristiques du projet.
Pour les PAC géothermiques soumises à une obligation réglementaire d’entretien, un premier contrôle doit être réalisé au plus tard deux ans après la mise en service, puis renouvelé au minimum tous les deux ans. Réalisé par un professionnel qualifié, cet entretien contribue à assurer la fiabilité, la pérennité et les performances énergétiques de l’installation.
Foire aux questions
Quelles réglementations encadrent les installations de pompes à chaleur géothermiques ?
Les installations géothermiques peuvent relever du Code minier, de la réglementation sur l’eau et des règles applicables aux forages. Les démarches dépendent du type de captage, de sa profondeur, de sa puissance et de la localisation du projet. Pour la géothermie de minime importance, le niveau de procédure est notamment déterminé par la zone réglementaire concernée et peut nécessiter l’intervention d’un professionnel qualifié.
Quelles aides financières sont disponibles pour les projets de pompes à chaleur géothermiques ?
Dans le logement individuel, les projets peuvent bénéficier, sous conditions, de MaPrimeRénov’, des Certificats d’Économies d’Énergie (CEE), de l’éco-prêt à taux zéro, d’une TVA réduite et d’aides locales. Pour les installations collectives, tertiaires ou industrielles, les CEE, le Fonds Chaleur et certains dispositifs territoriaux peuvent être mobilisés. L’éligibilité doit être vérifiée avant la signature des devis et le démarrage des travaux.
Comment intégrer une pompe à chaleur géothermique dans un projet RE2020 ou de décarbonation ?
Une pompe à chaleur géothermique contribue à réduire les consommations d’énergie et les émissions liées au chauffage, au rafraîchissement et à la production d’eau chaude sanitaire. Son intégration doit être étudiée avec l’enveloppe du bâtiment, les émetteurs, la régulation et les autres usages énergétiques. La conformité à la RE2020 et la performance carbone restent évaluées à l’échelle du bâtiment dans son ensemble.
Quels terrains sont adaptés à une pompe à chaleur géothermique ?
L’adaptation d’un terrain dépend de sa géologie, de son hydrogéologie, de sa surface disponible et de son accessibilité pour les travaux. La présence de réseaux enterrés, les distances réglementaires et les contraintes de protection des eaux doivent également être prises en compte. Une étude du sous-sol permet de valider la faisabilité et de choisir le captage approprié.
Quel captage géothermique choisir selon le projet ?
Un captage horizontal nécessite une surface de terrain suffisante, tandis que des sondes verticales occupent moins d’espace mais imposent la réalisation de forages. Un captage sur nappe peut être envisagé lorsqu’une ressource en eau souterraine présente un débit et une qualité adaptés. Le choix dépend des besoins du bâtiment, du sous-sol, de la parcelle, des contraintes réglementaires et du budget disponible.
Comment intégrer une pompe à chaleur géothermique dans un projet de rénovation énergétique ?
L’étude doit partir des consommations existantes, des déperditions après travaux et des régimes de température nécessaires. Elle doit vérifier la compatibilité des émetteurs et déterminer les éventuelles adaptations hydrauliques, les besoins de stockage et la stratégie d’appoint. Le captage doit être dimensionné sur les besoins futurs du bâtiment afin d’éviter qu’une installation conçue avant les travaux sur l’enveloppe ne soit surdimensionnée.
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