Geothermal heat pumps

are one of the most efficient ways

to heat or cool your living space

CONVENTIONAL GEOTHERMAL HEAT PUMP

What is a Geothermal Heat Pump?

Heat pumps move heat from one place to another using electricity. Air conditioners and refrigerators are two common examples of heat pumps. Heat pumps can also be used to heat and cool buildings.

Temperatures at about 30 feet below the surface remain relatively constant year-round — between about 50°F (10°C) and 59°F (15°C). For most areas in the United States, this means soil temperatures are usually warmer than the air in winter and cooler than the air in summer.

Geothermal Heat Pumps (GHPs) take advantage of these constant underground temperatures to efficiently exchange temperatures, heating homes in the winter and cooling homes in the summer.

What is in a Geothermal Heat Pump System?

A Geothermal Heat Pump system includes:

1. An underground heat collector — A geothermal heat pump uses the earth as a heat source and sink (thermal storage), using a series of connected pipes buried in the ground near a building. The loop can be buried either vertically or horizontally. It circulates a fluid that absorbs or deposits heat to the surrounding soil, depending on whether the ambient (outside) air is colder or warmer than the soil.
2. A heat pump — When ambient temperatures are colder than the ground, a Geothermal Heat Pump removes heat from the collector’s fluids, concentrates it, and transfers it to the building. When ambient temperatures are warmer than the ground, the Heat Pump removes heat from the building and deposits it underground.
3. A heat distribution subsystem — Conventional ductwork is generally used to distribute heated or cooled air from the Geothermal Heat Pump throughout the building.

Where Can Geothermal Heat Pumps be Used?

Geothermal Heat Pumps can be:

• Used to heat and cool a single house, single business, or an entire community (college campus, neighborhood, etc.)
• Implemented as part of new construction or retroactively added for existing buildings
• Installed in urban or rural environments.
• Some systems can supply homes and businesses with hot water.

Is a Geothermal Heat Pump the same as an Air-Source Heat Pump?

No, Geothermal Heat Pumps (GHPs) are different from Air-Source Heat Pumps. GHP systems exchange heat from the earth, while Air-Source Heat Pumps exchange heat from the air.

Compared to air-source systems, geothermal systems have been shown to be quieter, last longer, and require less maintenance, and they do not depend on the temperature of the outside air. Geothermal systems are typically more expensive than air-source systems, but the additional costs are often returned with energy savings.

Source: U.S. Department of Energy

Ref: https://www.energy.gov/eere/geothermal/geothermal-heat-pumps

How Does a Geothermal Heat Pump Work?

If you have ever done basic research into Geothermal systems, you might have wondered what makes these systems so efficient, practical, and environmentally friendly? The root to all of these benefits is the heat pump. Using basic physics, heat pumps can harness the solar energy stored in the ground and transfer it to your home.

Unlike conventional gas furnaces that produce heat by burning fuel, Heat Pumps don’t produce their own heat but rather allocate it from the ground. This makes Heat Pumps extremely efficient, producing $4 worth of energy for every $1 spent running the pump. Compare that to conventional gas furnaces that produce $0.65 of energy for every $1 spent running the furnace, and it is easy to see why Geothermal Heat Pumps make the big news in the global green energy market.

The mechanics behind Heat Pumps is actually fairly easy to understand. Let us look at the individual parts that comprise a Heat Pump system so we can get a grasp for how it works.

Geothermal Loop System

The foundation of the Heat Pump system is the geothermal loop. Quickly explained, the sun transfers its energy to the ground and the ground is very good at storing this energy. Winter or summer, below 5 feet the ground maintains a temperature of around 50°F (10°C) and 59°F (15°C) and gradually gets warmer the deeper you dig. A geothermal loop is a closed piping system where a water/glycol mix is pumped through a series of long hoses that are placed in the ground (see figure 1). The water absorbs the energy from the ground and its temperature rises. There are different forms of geothermal loops, some are placed in the ground and some in water reservoirs like wells or ponds. The heat absorption principle is the same for each form.

Refrigerant Loop System (The Heat Pump)

It is important to understand that a Heat Pump system is comprised of three heat transfer loop systems that don’t physically come into contact with each other but interact with each other through the heating/cooling of metal barriers separating each loop.

1. The geothermal heating loop

2. The forced air heating loop.

3. The refrigerant loop.

The Geo loop and Air loop are easy to understand as heat is transferred by surface contact. So, let’s study the third refrigeration loop. This refrigerant contains a refrigerant gas which has a very low boiling point when under pressure, and by changing its pressure we can change its state from liquid to gas. By doing so the low temperature energy collected from the ground can be concentrated in the Heat Pump and come out at 30 - 40 C in the load baring loop (forced air loop). Let’s discuss all the individual parts that make up the Heat Pump loop and hopefully that will give us a better understanding of how the Heat Pumps turn cold water into 30 - 40 C hot air.

The Evaporator Heat Exchanger

The first place the energy from the geothermal loop meets the Heat Pump loop is the evaporator. The evaporator is a heat exchanger that works on the same principles as a car radiator. The warmed ground loop water enters the evaporator and transfers its energy to the refrigerant by warming up metal plates that separate the refrigerant and the water.

Remember that each loop is a closed system. In figure 3, it might appear that the water and refrigerant mix, but they are completely separated by metal plates in the exchanger. Although the ground loop water is not very hot, the low boiling temperature of the refrigerant means that even the relatively low temperature of the ground loop is enough to turn the liquid refrigerant into a gas state (hence the name evaporator). Like water, which boils at 100 C, the refrigerant’s properties are such that it boils at as low as zero degrees C.

The Compressor

The compressor is one of the fundamental components of the Heat Pump. It is composed of two parts, the motor that turns the compressor, and the scroll compressor that compresses the refrigerant (see figure 4). The refrigerant enters the compressor in a gaseous state after being warmed by the ground water at around 2 - 3 degrees C at 50 PSI and leaves the compressor at around 60 - 70 degrees C at 250 PSI. You might be wondering how the compressor was able to heat the refrigerant so drastically, but in reality, the compressor doesn’t heat anything at all. The gas that exits the compressor has the exact same amount of energy as the gas that entered, what changed is the volume. By reducing the volume, the temperature rises as the same amount of energy is found in a smaller space causing its temperature to increase. Physics explains that this temperature increase is the result of the molecules being denser thus more collisions.

The Condenser Heat exchanger

The condensing heat exchanger works in the exact opposite way as the evaporator. The hot gas from the compressor enters this heat exchanger and interacts with the load baring loop. The air in the house is circulated across this heat exchanger and absorbs the thermal energy of the refrigerant (again the two systems never physically touch and are separated by layers of metal plates). Since the energy is absorbed from the refrigerant, the refrigerant cools down as it continues through the Heat Pump loop. The condenser and the evaporator do opposite operations but are mechanically identical.

The Expansion Valve

The last component the refrigerant passes through before it repeats the cycle is the expansion valve. Basically, this valve depressurizes the refrigerant, turning it back into a liquid state so it can re-enter the evaporator and be warmed up by the energy absorbed through the ground loop again.

The Reversing Valve (used when both Heating and Cooling)

The last component making up the Heat Pump that we will discuss is the reversing valve. If you look at figure 2 carefully you will notice that when the reversing valve is closed the warmed gas that usually enters the compressor at the entrance port would enter through the exit port. What activating the reversing valve does is decompress the refrigerant and reverse the condenser and evaporator’s functionality.

You would do this in the summer months to use the Heat Pump as a substitute for air conditioning. Instead of carrying hot gas to the condenser which would warm your home when a fan blows air over the coil the compressor would decompress the gas and send cold refrigerant to a coil located in an air duct thus cooling down your house when air is blown over coil. This is possible because the ground maintains a temperature around 45 - 55 degrees F during the summer and winter, so in the winter the ground is warmer than the outside air and in the summer the ground is colder than the outside air.

Note: To see the figures, refer to the original document at:

https://www.123zeroenergy.com/165-how-does-a-geothermal-heat-pump-work.html

Types of Geothermal Heat Pump Systems

The three closed-loop systems shown in the illustrations are the most common. There is also a less common open-loop system that circulates surface water or water from a well through the system and returns it to the ground through a discharge pipe.

The best system, loop length and design for a particular home depend on factors such as climate, soil conditions, available land, required heating and cooling load, and local installation costs at the site.

Horizontal System

Layered coils or straight runs of polyethylene pipe are placed in six-foot-deep trenches. This is the cheapest underground option, but it requires a lot of open space. A 2,000-sq.-ft. house requires 400 ft. of two-foot-wide trenches.

Vertical System

A vertical system is used when space is limited. Four-inch-diameter holes are drilled about 15 ft. apart and 100 to 400 ft. deep. Two pipes are inserted and connect at the bottom.

Pond/Lake System

This system draws heat from water rather than from the soil. If there’s a body of water nearby, this is the lowest cost option. A blanket of water covers coils anchored on racks about 10 ft. deep.

What Are the Benefits of a Geothermal Heat Pump?

Much lower operating costs than other systems. A Geothermal Heat Pump will immediately save you 30 to 60 percent on your heating and 20 to 50 percent on your cooling costs over conventional heating and cooling systems.

Uses clean, renewable energy (the sun). With a Geothermal Heat Pump, there’s no onsite combustion and therefore no emissions of carbon dioxide, carbon monoxide or other greenhouse gases. Nor are there any combustion-related safety or air quality issues inside the house. (The pump unit does use electricity, which may be generated using fossil fuels.)

Can be installed in new construction and retrofit situations. However, it’s a lot more expensive in retrofits requiring ductwork modifications.

Much quieter than other cooling systems. There’s no noisy outdoor compressor or fan. The indoor unit is generally as loud as a refrigerator.

Low maintenance and long-lived. The indoor components typically last about 25 years (compared with 15 years or less for a furnace or conventional AC unit) and more than 50 years for the ground loop. The system has fewer moving parts and is protected from outdoor elements, so it requires minimal maintenance.

This article is part of a Family Handyman document, written by Ryan Van Bibber.

To see the figures, refer to the original document referred to below.

https://www.familyhandyman.com/article/everything-you-need-to-know-about-geothermal-heat-pumps/

Yet to come…

TURBO GEOTHERMAL HEAT PUMP

UNCONVENTIONAL

(Adapted for the City College of Madanapalle)

Les pompes à chaleur géothermiques

sont l'un des moyens les plus efficaces

pour chauffer ou rafraîchir votre espace de vie

POMPE À CHALEUR GÉOTHERMIQUE

CONVENTIONNELLE

Qu’est-ce qu’une pompe à chaleur géothermique ?

Les pompes à chaleur déplacent la chaleur d'un endroit à un autre grâce à l'électricité. Les climatiseurs et les réfrigérateurs sont deux exemples courants de pompes à chaleur. Les pompes à chaleur peuvent également être utilisées pour chauffer et climatiser des bâtiments.

Les températures à environ 30 pieds sous la surface restent relativement constantes toute l'année - entre environ 50°F (10°C) et 59°F (15°C). Pour la plupart des régions des États-Unis, cela signifie que les températures du sol sont généralement plus chaudes que l’air en hiver et plus fraîches que l’air en été.

Les pompes à chaleur géothermiques (PCG) profitent de ces températures souterraines constantes pour échanger efficacement les températures, chauffer les maisons en hiver et les rafraîchir en été.

Que contient un système de pompe à chaleur géothermique ?

1. Un collecteur de chaleur souterrain — Une pompe à chaleur géothermique utilise la terre comme source et puits de chaleur (stockage thermique), en utilisant une série de tuyaux connectés enfouis dans le sol à proximité d'un bâtiment. La boucle peut être enterrée verticalement ou horizontalement. Le système fait circuler un fluide qui absorbe ou dépose de la chaleur dans le sol environnant, selon que l'air ambiant (extérieur) est plus froid ou plus chaud que le sol.
2. Une pompe à chaleur — Lorsque les températures ambiantes sont plus froides que le sol, une pompe à chaleur géothermique capte la chaleur des fluides du collecteur, la concentre et la transfère au bâtiment. Lorsque la température ambiante est plus chaude que celle du sol, la pompe à chaleur évacue la chaleur du bâtiment et la dépose sous terre.
3. Un sous-système de distribution de chaleur — Les conduits conventionnels sont généralement utilisés pour distribuer l’air chauffé ou refroidi de la pompe à chaleur géothermique dans tout le bâtiment.

Où peut-on utiliser les pompes à chaleur géothermiques ?

Les pompes à chaleur géothermiques peuvent être :

• Utilisées pour chauffer et climatiser une seule maison, une seule entreprise ou une communauté entière (campus universitaire, quartier, etc.).
• Installées dans le cadre d’une nouvelle construction ou ajoutées rétroactivement pour les bâtiments existants.
• Installées en milieu urbain ou rural.
• Certains systèmes peuvent aussi alimenter les habitations et les entreprises en eau chaude.

Une pompe à chaleur géothermique est-elle la même chose qu’une pompe à chaleur à air ?

Non, les pompes à chaleur géothermiques (PCG) sont différentes des pompes à chaleur à air. Les systèmes PCG échangent la chaleur de la terre, tandis que les pompes à chaleur à air échangent la chaleur de l'air.

Comparés aux systèmes à air, les systèmes géothermiques se sont révélés plus silencieux, durent plus longtemps et nécessitent moins d’entretien, et ils ne dépendent pas de la température de l’air extérieur. Les systèmes géothermiques sont généralement plus chers que les systèmes à air, mais les coûts supplémentaires sont souvent compensés par des économies d'énergie.

Source: U.S. Department of Energy

Ref: https://www.energy.gov/eere/geothermal/geothermal-heat-pumps

Comment fonctionne une pompe à chaleur géothermique ?

Si vous avez déjà effectué des recherches fondamentales sur les systèmes géothermiques, vous vous êtes peut-être demandé ce qui rend ces systèmes si efficaces, pratiques et respectueux de l'environnement ? La pompe à chaleur est à l’origine de tous ces avantages.

Grâce à la physique de base, les pompes à chaleur peuvent exploiter l’énergie solaire stockée dans le sol et la transférer vers votre maison. Contrairement aux fournaises à gaz conventionnelles qui produisent de la chaleur en brûlant du combustible, les pompes à chaleur ne produisent pas leur propre chaleur mais la répartissent plutôt à partir du sol.

Cela rend les pompes à chaleur extrêmement efficaces, produisant 4 $ d’énergie pour chaque dollar dépensé pour faire fonctionner la pompe. Comparez cela aux fournaises à gaz conventionnelles qui produisent 0,65 $ d’énergie pour chaque dollar dépensé pour faire fonctionner la fournaise, et il est facile de comprendre pourquoi les pompes à chaleur géothermiques font la une des journaux sur le marché mondial de l’énergie verte.

La mécanique derrière les pompes à chaleur est en fait assez facile à comprendre. Examinons les différentes pièces qui composent un système de pompe à chaleur afin de comprendre son fonctionnement.

Système de boucle géothermique

La base du système de pompe à chaleur est la boucle géothermique. Rapidement expliqué, le soleil transfère son énergie au sol et le sol est très efficace pour stocker cette énergie. Hiver comme été, en dessous de 1,50 mètre, le sol maintient une température d'environ 45 à 55 degrés Celsius et se réchauffe progressivement à mesure que vous creusez.

Une boucle géothermique est un système de tuyauterie fermé dans lequel un mélange eau/glycol est pompé à travers une série de longs tuyaux placés dans le sol (voir figure 1). L'eau absorbe l'énergie du sol et sa température augmente. Il existe différentes formes de boucles géothermiques, certaines sont placées dans le sol et d’autres dans des réservoirs d’eau comme des puits ou des étangs. Le principe d'absorption de la chaleur est le même pour chaque forme.

Système de boucle de réfrigérant (la pompe à chaleur)

Il est important de comprendre qu’un système de pompe à chaleur est composé de trois systèmes de boucles de transfert de chaleur qui n’entrent pas physiquement en contact les uns avec les autres mais interagissent les uns avec les autres grâce au chauffage/refroidissement de barrières métalliques séparant chaque boucle.

1. La boucle de chauffage géothermique.
2. La boucle de chauffage à air forcé.
3. La boucle réfrigérante.

Les boucles Geo et Air sont faciles à comprendre car la chaleur est transférée par contact avec la surface. Étudions donc la troisième boucle frigorifique. Ce réfrigérant contient un gaz réfrigérant qui a un point d'ébullition très bas lorsqu'il est sous pression, et en modifiant sa pression, nous pouvons changer son état de liquide à gazeux. Ce faisant, l'énergie à basse température collectée dans le sol peut être concentrée dans la pompe à chaleur et ressortir à 30 - 40 C dans la boucle soutenant la pression de la charge (boucle à air forcé). Discutons de toutes les pièces individuelles qui composent la boucle de la pompe à chaleur et, espérons-le, cela nous permettra de mieux comprendre comment les pompes à chaleur transforment l'eau froide en air chaud à une température de 30 à 40 °C.

L'échangeur de chaleur de l'évaporateur

Le premier endroit où l’énergie de la boucle géothermique rencontre la boucle de la pompe à chaleur est l’évaporateur. L'évaporateur est un échangeur de chaleur qui fonctionne sur le même principe qu'un radiateur de voiture. L'eau chauffée de la boucle souterraine entre dans l'évaporateur et transfère son énergie au réfrigérant en réchauffant les plaques métalliques qui séparent le réfrigérant et l'eau.

N'oubliez pas que chaque boucle est un système fermé. Sur la figure 3, il peut sembler que l'eau et le réfrigérant se mélangent, mais ils sont complètement séparés par des plaques métalliques dans l'échangeur. Bien que l'eau de la boucle souterraine ne soit pas très chaude, la faible température d'ébullition du réfrigérant signifie que même la température relativement basse de la boucle souterraine est suffisante pour transformer le réfrigérant liquide en état gazeux (d'où le nom d'évaporateur). Comme l’eau, qui bout à 100 °C, les propriétés du réfrigérant sont telles qu’il bout aussi bas qu’à zéro degré C.

Le compresseur

Le compresseur est l’un des éléments fondamentaux de la pompe à chaleur. Il est composé de deux parties, le moteur qui fait tourner le compresseur et le compresseur à spirale qui comprime le réfrigérant (voir figure 4). Le réfrigérant entre dans le compresseur à l'état gazeux après avoir été réchauffé par l'eau souterraine à environ 2 à 3 degrés C à 50 PSI et quitte le compresseur à environ 60 à 70 degrés C à 250 PSI.

Vous vous demandez peut-être comment le compresseur a pu chauffer le réfrigérant de manière aussi drastique, mais en réalité, le compresseur ne chauffe rien du tout. Le gaz qui sort du compresseur a exactement la même quantité d’énergie que le gaz qui y est entré, ce qui a changé c’est le volume. En réduisant le volume, la température augmente car la même quantité d'énergie se retrouve dans un espace plus petit, provoquant une augmentation de sa température. La physique explique que cette augmentation de température est le résultat du fait que les molécules sont plus denses, donc plus de collisions.

L'échangeur de chaleur à condensateur

L’échangeur thermique à condensation fonctionne exactement à l’opposé de l’évaporateur. Les gaz chauds du compresseur pénètrent dans cet échangeur de chaleur et interagissent avec la boucle soutenant la pression de la charge. L'air de la maison circule à travers cet échangeur de chaleur et absorbe l'énergie thermique du réfrigérant (encore une fois, les deux systèmes ne se touchent jamais physiquement et sont séparés par des couches de plaques métalliques). Puisque l’énergie est absorbée venant du réfrigérant, celui-ci se refroidit au fur et à mesure qu’il traverse la boucle de la pompe à chaleur. Le condensateur et l'évaporateur ont des fonctions opposées mais sont mécaniquement identiques.

La valve de détente

Le dernier élément traversé par le réfrigérant avant de répéter le cycle est la valve de détente. Fondamentalement, cette vanne dépressurise le réfrigérant, le ramenant à l'état liquide afin qu'il puisse rentrer dans l'évaporateur et être réchauffé par l'énergie absorbée à travers la boucle souterraine.

La vanne d'inversion (utilisée pour le chauffage et le refroidissement)

Le dernier élément composant la pompe à chaleur dont nous parlerons est la vanne d’inversion. Si vous regardez attentivement la figure 2, vous remarquerez que lorsque la vanne d'inversion est fermée, le gaz réchauffé qui entre habituellement dans le compresseur par l'orifice d'entrée entrerait par l'orifice de sortie. L’activation de la vanne d’inversion fait décompresser le réfrigérant et inverser la fonctionnalité du condensateur et de l’évaporateur.

Vous feriez cela pendant les mois d’été pour utiliser la pompe à chaleur comme substitut à la climatisation. Au lieu de transporter du gaz chaud vers le condensateur qui réchaufferait votre maison lorsqu'un ventilateur souffle de l'air sur le serpentin, le compresseur décompresserait le gaz et enverrait du réfrigérant froid vers un serpentin situé dans un conduit d'air, refroidissant ainsi votre maison lorsque l'air est soufflé sur le serpentin. Cela est possible parce que le sol maintient une température d'environ 45 à 55 degrés Celsius en été et en hiver. Ainsi, en hiver, le sol est plus chaud que l'air extérieur et en été, le sol est plus froid que l'air extérieur.

Remarque : Pour voir les illustrations, reportez-vous au document original à :

https://www.123zeroenergy.com/165-how-does-a-geothermal-heat-pump-work.html

Types de systèmes de pompe à chaleur géothermique

Les trois systèmes en boucle fermée présentés dans les illustrations sont les plus courants. Il existe également un système en boucle ouverte moins courant qui fait circuler l'eau de surface ou l'eau d'un puits à travers le système et la renvoie au sol par un tuyau d'évacuation.

Le meilleur système, la longueur de boucle et la conception pour une maison particulière dépendent de facteurs tels que le climat, les conditions du sol, le terrain disponible, la charge de chauffage et de refroidissement requise et les coûts d'installation locaux sur le site.

Le système horizontal

Des bobines en couches ou des tronçons droits de tuyaux en polyéthylène sont placés dans des tranchées de six pieds de profondeur. C’est l’option souterraine la moins chère, mais elle nécessite beaucoup d’espace ouvert. Un terrain de 2 000 pieds carrés, et la maison nécessite 400 pieds de tranchées de deux pieds de large.

Le système vertical

Un système vertical est utilisé lorsque l’espace est limité. Des trous de quatre pouces de diamètre sont forés à environ 15 pieds de distance et à une profondeur de 100 à 400 pieds. Deux tuyaux sont insérés en parallèle et se raccordent au fond du trou.

Le système pour étang ou lac

Ce système tire la chaleur de l’eau plutôt que du sol. S’il y a un plan d’eau à proximité, c’est l’option la moins coûteuse. Une étendue d'eau recouvre les serpentins ancrés sur des supports à environ 10 pieds de profondeur.

Quels sont les avantages d’une pompe à chaleur géothermique ?

Coûts d’exploitation beaucoup plus faibles que les autres systèmes.

Une pompe à chaleur géothermique vous fera immédiatement économiser 30 à 60 pour cent sur vos coûts de chauffage et 20 à 50 pour cent sur vos coûts de climatisation par rapport aux systèmes de chauffage et de climatisation conventionnels.

Utilise une énergie propre et renouvelable (le soleil). Avec une pompe à chaleur géothermique, il n’y a pas de combustion sur place et donc pas d’émission de dioxyde de carbone, de monoxyde de carbone ou d’autres gaz à effet de serre. Il n’y a pas non plus de problèmes de sécurité ou de qualité de l’air liés à la combustion à l’intérieur de la maison. (L'unité de pompage utilise de l'électricité, mais qui, dans certaines installations, pourrait être produite à partir de combustibles fossiles.)

Peut être installé dans des situations de construction neuve et de rénovation. Cependant, cela coûte beaucoup plus cher dans les rénovations nécessitant des modifications des conduits.

Beaucoup plus silencieux que les autres systèmes de refroidissement.

Il n’y a pas de compresseur ou de ventilateur extérieur bruyant. L'unité intérieure est généralement aussi bruyante qu'un réfrigérateur.

Faible entretien et longue durée de vie. Les composants intérieurs durent généralement environ 25 ans (contre 15 ans ou moins pour une chaudière ou une unité de climatisation conventionnelle) et plus de 50 ans pour la boucle en terre. Le système comporte moins de pièces mobiles et est protégé des éléments extérieurs, il nécessite donc un entretien minimal.

Cet article fait partie d'un document de Family Handyman, rédigé par Ryan Van Bibber.

Pour voir les illustrations, se référer au document original mentionné ci-dessous.

https://www.familyhandyman.com/article/everything-you-need-to-know-about-geothermal-heat-pumps/

À suivre…

POMPE À CHALEUR GÉOTHERMIQUE TURBO

NON CONVENTIONNELLE

(Adaptée pour la Cité Collégiale de Madanapalle)