How the Turbo Geothermal Heat Pump works

To understand how the Heat Pump works, see the diagram above.

Here are the elements that make up the Turbo Geothermal Heat Pump:

1. Turbo Geothermal Heat Pump system
2. Compressor
3. Two evaporators
4. Two condensers
5. Expansion valve
6. Expansion unit
7. Pressure service valves
8. Pressure gaudes
9. Temperature gaudes

Complete system surrounding the Turbo Geothermal Heat Pump:

10. Transition thermostat - hot/cold
11. Liquid to Air Converter
12. Temperature stabilizer loop
13. Artificial groundwater table for cold water
14. Solar panels network
15. Solar controller
16. Artificial groundwater table for hot water
17. Drinking cold water tank
18. Circulator with manual valve
19. Heat exchanger tank
20. Hot potable water tank
21. Electric hot water tank
22. Electric valve
23. Overpressure valve

How the Turbo Geothermal Heat Pump works

The heart of the heat pump's operation is its liquid under pressure or its gas in compression, which is called "refrigerant gas". The gas chosen will be propane R290, which is an environmentally friendly natural gas, compared to the R410 gas normally used in cooling appliances. Another nice feature of R290 is that it can be compressed even more to produce more heat than R410 and it can expand more to produce more cold than R410. Therefore, it pushes the limits of the heat pump and can increase the efficiency of the heat or cold exchanger.

The word “turbo” added to the geothermal heat pump has several meanings, but the one that most defines our application is “the rapid increase in power”. In fact, the heat pump recovers all the hot and cold calories simultaneously, unlike current commercial heat pumps. Only geothermal energy can enable this energy recovery.

Description and function of the elements:

The Turbo Geothermal Heat Pump system (1) has not yet been built to date. We know that some manufacturers can build these devices on request according to the customer's plans. (In Germany for instance).

Step 1: The compressor (2) - After the refrigerant gas, the compressor is the most important element of the heat pump system. It increases the pressure on the refrigerant gas which reduces its volume and, thereby, heats the molecules of the gas which liquefies under the pressure. The more the gas is compressed, the more intense the heat that is released.

So, the refrigerant that enters the compressor as a gas at 13 degrees Celsius, turns into a liquid at the compressor outlet at a temperature of around 65 degrees Celsius. A temperature gauge (9) and a pressure gauge (8) are installed as indicators of the states of the refrigerant entering the first condenser.

Step 2: The liquid refrigerant under pressure circulates in the first condenser, which is in fact a heat exchanger, and which transmits the calories by contact to the coil of the heat exchanger in which water coming from the artificial water table hot water circulates, open loop, transporting heat calories to the heating/air conditioning unit (11), controlled by thermostat (10), and which circulates the hotter water in another exchanger which transforms the hot water into hot air. It is this hot air which will condition the temperature of the ambient air in ventilated rooms in buildings.

Step 3: The liquid refrigerant, which leaves the first condenser, enters the second condenser (4) somewhat cooled by the transfer of calories in step 2, circulates and heats the closed loop of water coming from the hot water table and which heats the water in the 15,000-liter hot drinking water tank even more (20).

Step 4: The liquid refrigerant exiting the second condenser at a lower temperature than the inlet, flows to the expansion valve (5), cooling the pressurized liquid at approximately 40 degrees Celsius to a more expanded liquid at a temperature of around -7 degrees Celsius.

Step 5: The now very cold liquid refrigerant at -7 degrees Celsius enters the first evaporator (3) where the liquid transforms into cold gas, which cools the coil water coming from the closed loop of the cold water table and cooled it further to supply the 15,000-liter cold drinking water tank (17). It is this cold drinking water that will supply the refreshment drinking fountains on the Campus.

Step 6: The refrigerant, now in a less cold gaseous state, enters the second evaporator (3) and further cools the water coming from the cold water table in an open loop. From this cold water will be drawn the water used to cool the “heating/air conditioning” ventilation system (11) controlled by thermostat (10), and which circulates the colder water in another exchanger which transforms the cold water in cooled air for air conditioning of building premises.

When the gaseous refrigerant leaves the second evaporator, its temperature is around 13 degrees Celsius and enters the compressor to start the thermodynamic cycle again.

Le fonctionnement de la Thermopompe Géothermique Turbo

Pour comprendre le fonctionnement de la Thermopompe, voir le diagramme plus haut.

Voici les éléments qui composent la Thermopompe Géothermique Turbo :

1. Le système de Thermopompe Géothermique Turbo
2. Le compresseur
3. Les deux évaporateurs
4. Les deux condensateurs
5. La valve d’expansion
6. L’unité d’expansion
7. Les valves de pression de service
8. Les jauges à pression
9. Les jauges de température

Système complet entourant la Thermopompe Géothermique Turbo :

10. Thermostat de transition - chaud/froid
11. Convertisseur de liquide à air
12. Boucle stabilisatrice de température
13. Nappe phréatique artificielle d’eau froide
14. Ensemble de panneaux solaires hydriques
15. Contrôleur solaire
16. Nappe phréatique artificielle d’eau chaude
17. Réservoir d’eau potable (froide)
18. Pompe circulatrice avec valve manuelle
19. Réservoir échanger de chaleur
20. Réservoir d’eau potable (chaude)
21. Réservoir d’eau chaude électrique
22. Valve électrique
23. Valve de surpression

Fonctionnement de la Thermopompe Géothermique Turbo

Le cœur de l’opération de la thermopompe est son liquide sous pression ou son gaz en détention que l’on appelle le « gaz réfrigérant ». Le gaz choisi sera le propane R290, qui est un gaz naturel écologique, comparativement au gaz R410 normalement utilisé dans les appareils de refroidissement. Le R290 possède une autre caractéristique intéressante, c’est qu’il peut être compressé encore plus pour produire plus de chaleur que le R410 et il peut se détendre plus pour produire plus de froid que le R410. Donc, il repousse les limites de la thermopompe et peut augmenter l’efficacité de l’échangeur de chaleur ou de froid.

Le mot « turbo » rajouté à la thermopompe géothermique a plusieurs significations, mais celle qui définit le plus notre application est « l’augmentation de la puissance d’une façon rapide ». En fait, la thermopompe récupère tous les calories de chaud et de froid simultanément, contrairement aux thermopompes commerciales actuelles. Seule la géothermie peut permettre cette récupération énergétique.

Description et fonction des éléments :

Le système de Thermopompe Géothermique Turbo (1) n’a pas encore été construit à ce jour. Nous savons que certains fabricants peuvent construire ces appareils sur demande selon les plans du client. (En Allemagne par exemple).

Étape 1 : Le compresseur (2) - après le gaz réfrigérant, le compresseur est l’élément le plus important du système de la thermopompe. Il augmente la pression sur le gaz réfrigérant qui diminue son volume et, par le fait même, échauffe les molécules du gaz qui se liquéfie sous la pression. Plus le gaz est compressé, plus intense est la chaleur qui s’en dégage.

Donc, le réfrigérant qui entre dans le compresseur sous forme de gaz à 13 degrés Celsius, se transforme en liquide à la sortie du compresseur à une température d’environ 65 degrés Celsius. Une jauge de température (9) et une jauge de pression (8) sont installées comme témoins des états du réfrigérant qui entre dans le premier condensateur.

Étape 2 : Le réfrigérant liquide sous pression circule dans le premier condensateur, qui est de fait un échangeur de chaleur, et qui transmet les calories par contact au serpentin de l’échangeur de chaleur dans lequel de l’eau venant de la nappe phréatique artificielle d’eau chaude circule, boucle ouverte, transportant les calories de chaleur vers l’unité de chauffage/climatisation (11), contrôlé par thermostat (10), et qui fait circuler l’eau plus chaude dans un autre échangeur qui transforme l’eau chaude en air chaud. C’est cette air chaud qui conditionnera la température de l’air ambiant des locaux ventilés dans les bâtiments.

Étape 3 : Le réfrigérant liquide, qui sort du premier condensateur, entre dans le deuxième condensateur (4) quelque peu refroidi par le transfert de calories dans l’étape 2, circule et réchauffe la boucle fermée d’eau venant de la nappe phréatique d’eau chaude et qui réchauffe encore plus l’eau du réservoir de 15 000 litres d’eau chaude potable (20).

Étape 4 : Le réfrigérant liquide qui sort du deuxième condensateur à une température inférieure à celle de l’entrée, se dirige vers la valve d’expansion (5), refroidissant le liquide sous pression à environ 40 degrés Celsius en liquide plus détendu à une température d’environ -7 degrés Celsius.

Étape 5 : Le réfrigérant maintenant liquide très froid à -7 degrés Celsius entre dans le premier évaporateur (3) où le liquide se transforme en gaz froid, ce qui refroidi l’eau du serpentin venant de la boucle fermée de la nappe phréatique d’eau froide et la refroidie davantage pour alimenter le réservoir (17) d’eau potable froide de 15 000 litres. C’est cette eau potable froide qui alimentera les buvettes et les fontaines sur le Campus.

Étape 6 : Le réfrigérant, maintenant en état gazeux moins froid entre dans le deuxième évaporateur (3) et refroidit davantage l’eau venant de la nappe phréatique d’eau froide en boucle ouverte. De cette eau froide sera puisée l’eau servant à refroidir le système de ventilation « chauffage/climatisation » (11) contrôlé par thermostat (10), et qui fait circuler l’eau plus froide dans un autre échangeur qui transforme l’eau froide en air rafraîchi pour la climatisation des locaux des bâtiments.

Lorsque le réfrigérant gazeux quitte le deuxième évaporateur, sa température est d’environ 13 degrés Celsius et entre dans le compresseur pour recommencer le cycle thermodynamique.