Dans la guerre pour réduire notre consommation d’énergie, une ligne de front a été tracée dans le domaine du contrôle de la température. Le ministère américain de l’énergie estime qu’environ 40 % de la consommation d’énergie globale du pays est consacrée au chauffage et à la climatisation de nos maisons, bureaux et institutions. Qu’ils puisent dans le réseau électrique pour battre la chaleur pendant l’été ou qu’ils brûlent des combustibles fossiles sur place pour combattre le froid de l’hiver, les bâtiments, dans l’ensemble, font paraître les SUV respectueux de l’environnement.
Bien que des avancées significatives aient été réalisées pour changer ce tableau en concevant des systèmes mécaniques plus efficaces, en augmentant la performance thermique et en développant la production sur place d’énergie renouvelable – toutes des avancées importantes et admirables – peut-être que la ressource la plus prometteuse à la disposition de l’architecture se trouve dans la terra firma même sur laquelle les structures sont assises, sous la forme de systèmes géothermiques.
La première chose que tout expert de la technologie vous dira est que les systèmes géothermiques pour les bâtiments, également connus sous le nom de pompes à chaleur géothermiques ou pompes à chaleur géothermiques (PCG), ne sont pas la même chose que les centrales géothermiques. Les centrales géothermiques – connues dans le secteur sous le nom de centrales géothermiques en roche chaude – sont de grandes installations construites (dans ce pays) principalement autour des Rocheuses et de la chaîne de la Sierra Nevada, où l’on trouve des températures extrêmement élevées provenant du manteau terrestre, relativement proches de la surface. Elles puisent dans ces réserves de chaleur et les utilisent pour produire de la vapeur, qui entraîne ensuite une turbine, produisant ainsi de l’électricité.
Les GHP, en revanche, utilisent l’énergie thermique stockée dans la partie supérieure de la croûte terrestre pour chauffer ou refroidir un bâtiment, remplaçant ainsi les chaudières et les systèmes de climatisation classiques. « La température de la Terre à 20 ou 30 pieds de profondeur est relativement constante tout au long de l’année, entre 50 et 60 degrés », explique John Kelly, directeur de l’exploitation de la Geothermal Exchange Organization, une organisation commerciale à but non lucratif de Washington, qui milite en faveur d’une adoption plus large de cette technologie. « Une pompe à chaleur géothermique déplace la chaleur vers et depuis la Terre en faisant circuler de l’eau dans un puits. »
« Par exemple, » offre Kelly, « disons qu’à Kansas City, la température souterraine est de 55 degrés. En été, la température de l’air est de 100 degrés, et en hiver, elle est de 20, mais sous terre, elle est toujours de 55. Il n’est pas très difficile d’extraire cette température constante du sol pour pouvoir chauffer en hiver et refroidir en été. »
En d’autres termes, en hiver, un GHP déplace l’énergie thermique du sous-sol vers un bâtiment, et en été, il inverse ce processus, déplaçant la chaleur d’un bâtiment vers le sol. Ces systèmes comportent une boucle de tuyauterie enterrée dans le sol dans laquelle circule de l’eau, et la pompe à chaleur retire la température de l’eau et la distribue dans le bâtiment, à peu près de la même manière que la climatisation centrale. Une autre solution consiste à faire circuler directement l’eau souterraine dans une série de puits.
Dans les deux cas, les BPE sont nettement moins coûteuses à exploiter que les systèmes de chauffage et de refroidissement classiques. « Les économies de coûts se produisent parce que le sol offre des températures de départ plus proches de ce qui est souhaité pour le chauffage et la climatisation que les températures saisonnières extrêmes sur lesquelles reposent de nombreux systèmes CVC classiques à air », explique John Rhyner, chef de projet senior chez P.W. Grosser Consulting à Bohemia, N.Y., une société de génie civil spécialisée dans la géothermie et qui rédige actuellement un livre de directives sur cette technologie pour le département de conception et de construction de la ville de New York. « Il faut moins d’énergie pour compenser cette petite différence de température », dit Rhyner.
Si la théorie et la technologie derrière le GHP sont simples, la mise en œuvre d’un système GHP peut être une affaire plus complexe. Il existe plusieurs types de systèmes GHP, et choisir le meilleur pour un projet spécifique peut nécessiter une bonne dose d’étude et d’adaptation. « Il ne s’agit pas d’une approche à l’emporte-pièce », explique M. Rhyner. « Un certain niveau d’analyse de faisabilité initiale est nécessaire pour choisir le bon système pour un site particulier. Pour un système commercial de taille moyenne à grande, la diligence raisonnable et l’analyse de faisabilité sont essentielles et ne doivent pas faire exploser le budget. »
« L’objectif », ajoute Rhyner, « est de mettre tout le monde sur la même longueur d’onde au départ et de fournir une orientation claire sur l’approche. Le type de système le plus adapté varie géographiquement, tout dépend des conditions géologiques, de la façon dont le bâtiment est couplé au sol et de la méthode de forage appropriée. »
Les trois types de systèmes BPE les plus courants sont le circuit fermé, le circuit ouvert et le puits à colonne debout. Les systèmes à circuit fermé font circuler l’eau dans un réseau étanche de tuyaux enfouis sous terre. L’eau contenue dans les tuyaux transfère la chaleur de la terre au bâtiment pendant l’hiver, et vice versa pendant l’été, par le biais d’un échangeur de chaleur. Comme l’eau circule en circuit fermé, elle n’échange pas toute sa température ; elle peut atteindre une température de 80 à 90 degrés F en été et une température de 40 à 30 degrés F en hiver. Pour cette raison, l’eau est généralement combinée à un mélange de 30 pour cent d’antigel de qualité alimentaire (par exemple, le propylène glycol) pour empêcher le fluide de se gélifier pendant les mois d’hiver.
Les systèmes en circuit fermé peuvent être disposés soit horizontalement dans les champs, enterrés juste sous la ligne de gel, soit verticalement dans des puits, forés généralement de 200 à 500 pieds de profondeur. Les systèmes horizontaux sont généralement utilisés pour les petits projets ou les projets résidentiels. Ils sont moins chers à installer, mais sont affectés par les températures de l’air extérieur, ce qui signifie qu’ils peuvent devenir moins efficaces au fur et à mesure qu’une saison avance et que le sol prend les caractéristiques de la température de l’air.
Les systèmes à circuit fermé forés verticalement sont plus efficaces que les systèmes horizontaux, car une plus grande partie du tuyau est en contact avec les matériaux stables et frais de la terre. Ils sont plus efficaces s’ils peuvent être forés dans des eaux souterraines plutôt que dans un sol sec, car l’eau est un bon conducteur de chaleur. Les systèmes en circuit fermé nécessitent généralement de grandes surfaces de terrain. « Pour un système en circuit fermé, tout dépend de la quantité de tuyaux que l’on peut enfoncer dans le sol avec la surface ouverte dont on dispose », explique M. Rhyner. « Vous obtenez un certain nombre de tonnes par pied linéaire, et vous pouvez placer plus de tuyaux dans le sol à la verticale qu’à l’horizontale. »
Les systèmes à circuit ouvert tirent l’eau souterraine réelle d’un puits, la font passer par un échangeur de chaleur, puis renvoient l’eau dans des puits séparés, où elle est autorisée à percoler à nouveau vers l’aquifère. Les puits d’alimentation et de retour (ces derniers sont également appelés « puits d’injection ») doivent être suffisamment éloignés les uns des autres pour que l’eau thermiquement modifiée (c’est-à-dire l’eau qui est chauffée ou refroidie) ne soit pas réaspirée dans le système par les puits d’alimentation jusqu’à ce qu’elle retrouve la température du sol. Le nombre de puits d’injection nécessaires dépend entièrement du débit généré par les puits d’approvisionnement.
Les systèmes en circuit ouvert sont généralement plus efficaces que les systèmes en circuit fermé car ils sont mieux couplés avec les températures du sol, aucun transfert de chaleur ne se produisant à travers le tuyau en plastique en circuit fermé ou le coulis utilisé pour sceller le trou de forage. Cependant, ces systèmes présentent des difficultés, notamment la chimie de l’eau, qui peut corroder l’équipement de la pompe à chaleur ou encrasser le système au fil du temps, ce qui nécessite un nettoyage supplémentaire. Si l’eau souterraine contient des niveaux élevés de sel, de minéraux ou de fer, les systèmes à circuit fermé sont généralement préférables.
Les puits à colonne debout sont un type spécialisé de système à circuit ouvert qui convient bien lorsque la roche-mère n’est pas trop profonde sous la surface. Les puits à colonne debout sont forés à des profondeurs de 1 500 à 2 000 pieds. La partie peu profonde du puits, qui traverse la zone du sol, est équipée d’un tubage en acier, tandis que la profondeur restante est forée et laissée comme un trou de forage ouvert dans la roche. Dans ces systèmes, l’eau souterraine est pompée vers le haut à partir du fond du puits, passe à travers une pompe à chaleur ou un échangeur de chaleur, puis retourne au sommet du puits, où elle filtre lentement vers le bas, en échangeant de la chaleur avec la roche-mère environnante.
Selon Rhyner, « les puits à colonne debout fournissent la plus grande capacité thermique par installation, et sont donc populaires dans les zones urbaines comme la ville de New York avec un nombre limité de terrains à forer. » Lorsque la roche-mère est plus profonde que 100 à 125 pieds, il peut devenir trop coûteux d’installer ces puits, en raison de la quantité de tubage en acier dont vous auriez besoin pour sceller la zone du sol.
Choisir lequel de ces systèmes convient à un projet spécifique nécessite de calculer la demande de chauffage et de refroidissement d’un bâtiment et de mener une analyse du sous-sol pour déterminer la capacité thermique du site, et combien de puits ou quelle taille de champ de boucle sera nécessaire. Si les calculs sont effectués correctement et que le système est bien conçu, les pompes à chaleur géothermiques peuvent gérer toutes les charges de chauffage et de refroidissement d’un bâtiment, quelles que soient les conditions climatiques qui prévalent.
« Les pompes à chaleur fonctionnent partout dans le monde », dit Kelly. « Elles fonctionnent certainement bien dans toute l’Amérique du Nord. Elles sont largement utilisées au Canada, et de même au Mexique. » Lorsqu’elles sont conçues et installées correctement, les GHP réduisent considérablement la quantité d’énergie nécessaire pour chauffer et refroidir un bâtiment. Selon l’Agence de protection de l’environnement des États-Unis, les pompes à chaleur géothermiques sont 48 % plus efficaces que la meilleure chaudière à gaz et 75 % plus efficaces que la meilleure chaudière à mazout. Ils nécessitent 25 à 50 % moins d’énergie que les autres systèmes CVC et réduisent les coûts d’exploitation et d’entretien jusqu’à 40 %.
Le principal obstacle à l’adoption à grande échelle des BPE aujourd’hui est le coût initial relativement élevé de l’installation, dont la majeure partie est consacrée au forage nécessaire à la construction des puits et des champs de bouclage, ainsi qu’à la conception et à l’analyse nécessaires pour adapter un système à un bâtiment. L’équipement mécanique proprement dit – les pompes à chaleur et les échangeurs de chaleur – n’est pas plus cher que les systèmes de chauffage et de refroidissement classiques. Les économies annuelles sur les factures d’énergie compensent toutefois le coût initial. Les périodes de récupération des systèmes commerciaux à BPE sont généralement calculées entre 10 et 20 ans, mais peuvent souvent être plus courtes, par exemple si le système remplace un système CVC vieillissant et inefficace. Les systèmes BPE peuvent être compétitifs par rapport à de nombreux systèmes conventionnels dans les nouvelles constructions. Par conséquent, les BPE ont été principalement populaires auprès des clients municipaux et institutionnels, des propriétaires de bâtiments qui prévoient d’habiter et d’exploiter leurs installations à long terme, et de ceux qui sont simplement plus intéressés par la gestion de l’environnement que par le résultat net.
La ville de Chicago est actuellement en train de construire cinq nouvelles bibliothèques annexes qui intègrent un certain nombre de caractéristiques de conception durable. Conçues par Lohan Anderson, les bibliothèques s’appuient sur des systèmes de BPE. Parmi elles se trouve la Richard M. Daley Branch Library, une installation de 16 300 pieds carrés destinée à recevoir la certification LEED Silver. La succursale est desservie par 24 puits géothermiques en circuit fermé forés à 395 pieds sous le parking. Ces puits fournissent de l’eau chaude ou de l’eau glacée à une unité de traitement de l’air, ainsi qu’à un système de chauffage par rayonnement sous le plancher. Bien que la capacité thermique du système GHP soit suffisante pour répondre à tous les besoins de chauffage et de refroidissement de la bibliothèque, le client a également demandé une chaudière de secours.
« La ville n’a pas beaucoup d’expérience avec ces systèmes, elle ne se sentait donc pas à l’aise de se fier uniquement à la géothermie », explique Stephen Novak, ingénieur de projet chez Henneman Engineering de Chicago, qui a conçu le GHP de la bibliothèque. « Après un certain temps, une fois qu’il y aura plus de documentation et qu’ils verront que ces systèmes fonctionnent, les chaudières pourront être éliminées du prototype de bibliothèque de la ville. »
Les GHP ne doivent pas nécessairement être conçus sur mesure pour des projets individuels. Novak considère que la construction de grands champs géothermiques de district que les investisseurs pourraient exploiter comme un service public est une façon dont la technologie pourrait devenir plus répandue à l’avenir. Boise, dans l’Idaho, par exemple, dispose d’un système géothermique urbain qui chauffe les bâtiments du centre-ville. Mais le système s’appuie sur des sources chaudes géologiques, une ressource naturelle non disponible pour la plupart des villes.
L’université d’État de Ball à Muncie, en Indes, d’autre part, travaille actuellement sur un système GHP d’une échelle similaire. Une fois terminé, ce sera le plus grand système de BPE en boucle fermée de la nation. Le projet remplacera quatre chaudières à charbon vieillissantes par 3 600 forages dans des champs situés sur le campus de 660 acres. Ces champs fourniront le chauffage et la climatisation à plus de 45 bâtiments, réduisant ainsi de moitié l’empreinte carbone de l’université et lui permettant d’économiser 2 millions de dollars par an en frais de fonctionnement. L’ensemble du système passera par deux stations énergétiques, où la chaleur tirée du sol ou renvoyée au sol sera échangée au moyen de pompes à chaleur reliées à deux boucles distinctes traversant le campus. Une boucle transportera de l’eau froide à une température constante de 42 degrés, l’autre de l’eau chaude à une température constante de 150 degrés. Ces boucles passeront par des échangeurs de chaleur dans chaque bâtiment, où des ventilateurs fourniront la température souhaitée aux occupants.
Si les systèmes BPE présentent des incitations environnementales évidentes, ils offrent également aux architectes l’opportunité de se libérer du fardeau de cacher des équipements mécaniques inesthétiques, puisque la plupart des composants des systèmes sont souterrains, bien à l’abri des regards. Cela peut être particulièrement appréciable lors de la rénovation de structures historiques.
Un de ces projets est la conception de Helpern Architects pour la restauration de Knox Hall à l’Université de Columbia. Achevé en 1909, Knox Hall est un bâtiment néo-gothique en pierre de sept étages, de 50 000 pieds carrés, avec des toits en pente en cuivre. « Ce n’est pas une structure emblématique, mais nous l’avons traitée comme si elle l’était, car elle est occupée par l’université de Columbia sur le campus de l’Union Theological Seminary », explique Margaret Castillo, AIA, directrice chez Helpern. « Nous avons étudié cinq systèmes CVC différents, y compris la géothermie. En fin de compte, bien que les préoccupations architecturales aient été un facteur – il n’aurait pas été facile de mettre des refroidisseurs sur le toit – la géothermie s’est avérée être la plus rentable au niveau opérationnel. »
Knox Hall s’appuie sur quatre puits à colonne debout forés à 1 800 pieds de profondeur pour tous ses besoins de chauffage et de refroidissement. Ce système a permis au projet d’obtenir la certification LEED Gold. Bien que le coût initial soit relativement élevé, Columbia estime que le retour sur investissement est de six à sept ans. « Ils sont très heureux que ce projet réduise la consommation d’énergie et les émissions de gaz à effet de serre », dit Castillo.