Les eaux naturelles offrent un potentiel énorme en tant que réservoirs d'énergie pour les systèmes modernes de pompes à chaleur. L'utilisation ciblée des eaux de surface, des lacs et des rivières pour l'extraction et l'injection de chaleur ouvre des alternatives durables aux solutions de chauffage conventionnelles – mais nécessite une planification hydraulique et thermique précise afin de répondre aux exigences écologiques et réglementaires.

Introduction de l'eau de refroidissement d'une pompe à chaleur dans le plan d'eau

Dans les installations de pompe à chaleur utilisant l'eau des cours d'eau comme source de chaleur, l'eau refroidie (en mode chauffage) ou réchauffée (en mode refroidissement) est réintroduite dans le cours d'eau après le transfert de chaleur. Cette réintroduction représente un défi d'ingénierie en hiver comme en été :

• Hiver (mode chauffage) : La pompe à chaleur extrait de la chaleur de la masse d'eau. L'eau de refroidissement renvoyée est plus froide que la température ambiante de la masse d'eau. Un refroidissement local et la formation de glace aux points de décharge doivent être évités.
• Été (mode refroidissement) : Les excès de chaleur sont rejetés dans le cours d'eau. L'eau rejetée est plus chaude que la température naturelle du cours d'eau. La stratification thermique et un réchauffement excessif des zones sensibles de faible profondeur doivent être évalués de manière critique.

Les limites réglementaires de modification de la température dans les eaux (typiquement ±3 K par rapport à la température naturelle en Allemagne) doivent impérativement être respectées lors de la conception des installations.

Simulation thermique : échauffement des eaux de surface et des fonds aquatiques

Afin de pouvoir évaluer de manière réaliste les impacts du rejet des eaux de refroidissement, des simulations thermiques numériques sont utilisées. Celles-ci modélisent la distribution spatiale et temporelle de la température dans le plan d'eau ainsi que dans le sédiment (fond du cours d'eau) et prennent en compte les facteurs d'influence suivants :

• Conditions de circulation : Débit, turbulence, convection naturelle et stratification thermique dans le plan d'eau
• Conduction thermique dans les sédiments : Le fond des cours d'eau stocke et retarde les influences thermiques – particulièrement pertinent pour les eaux stagnantes comme les lacs ou les étangs
• Variations saisonnières : Cycle annuel de la température naturelle de l'eau, couverture de glace en hiver, stratification thermique estivale
• Transfert de chaleur à la surface de l'eau : Évaporation, rayonnement et échange de chaleur par convection avec l'atmosphère

Des méthodes telles que la mécanique des fluides numérique (CFD) permettent d'identifier tôt les zones critiques de contrainte thermique et d'optimiser l'installation en conséquence.

Conception de la géométrie d'admission

La géométrie du point de déversement a une influence déterminante sur la rapidité et la complétude du mélange des eaux de refroidissement déversées avec les eaux du plan d'eau environnant. L'objectif est un mélange aussi homogène que possible afin d'éviter des températures locales extrêmes. Les paramètres de conception pertinents sont :

• Direction et angle de sortie : Introduction avec le sens du courant de l'eau (principe de courant favorisant) favorise le mélange
• Géométrie de la buse et diamètre de sortie : L'augmentation de la vitesse d'éjection améliore l'impulsion et donc le mélange turbulent
• Profondeur d'insertion : Introduction sous la thermocline ou près du fond de l'eau peut exploiter ou contourner les effets de la stratification thermique
• Distribution multi-prises : Plusieurs petits déversoirs au lieu d'un point de décharge central agrandissent la surface de contact avec l'eau environnante

Détermination des débits volumiques maximaux pour un mélange optimal

Le débit volumique maximal autorisé de l'eau de refroidissement rejetée est déterminé par le comportement de mélange et le respect des limites de température. Les calculs de mélange hydraulique, qui analysent le rapport entre le débit volumique de rejet et le débit volumique ambiant disponible (rapport de dilution), servent de base.

Les principaux facteurs d'influence dans la conception sont :

• Débit naturel ou volume d'eau du cours d'eau (débit minimum MQ pour les cours d'eau)
• Différence de température entre l'entrée et le plan d'eau (ΔT)
• Puissance thermique de la pompe à chaleur et COP (Coefficient de Performance)
• Exigences réglementaires du droit de l'eau (WHG, lois foncières sur l'eau)

Sur la base de ces paramètres, le débit volumique maximal peut être déterminé de manière itérative, garantissant une décharge conforme et écologiquement acceptable.

Conclusion : Les plans d'eau, une source de chaleur d'avenir

L'utilisation des masses d'eau comme réservoirs d'énergie pour les installations de pompes à chaleur est une solution techniquement mature et respectueuse du climat, à condition que la planification, la simulation et la conception soient réalisées avec soin et conformément aux réglementations. La simulation thermique, combinée à une géométrie d'entrée optimisée et à une mesure de débit volumétrique fondée, garantit que ni l'écologie ni l'efficacité ne sont négligées.

Vous prévoyez un projet d'exploitation thermique à base d'eau ? Nous vous accompagnons avec des simulations thermiques et des calculs hydrauliques.