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1 - PUITS CANADIEN

2 - GÉOTHERMIE DES POMPES À CHALEUR À CAPTEURS ENTERRÉS

3 - GÉOSTRUCTURES OU FONDATIONS THERMOACTIVES

Article de référence | Réf : BE8592 v1

Géothermie des pompes à chaleur à capteurs enterrés
Géothermie de surface - Puits canadiens, capteurs enterrés et géostructures

Auteur(s) : Philippe LAPLAIGE, Jean LEMALE

Date de publication : 10 avr. 2010

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RÉSUMÉ

La géothermie de surface consiste à récupérer la chaleur dans le sol à faible profondeur pour assurer le chauffage d'un bâtiment. Cette technique permet de réduire l'émission de gaz à effet de serre en valorisant des ressources renouvelables. Différents dispositifs sont utilisés actuellement, les plus classiques étant les pompes à chaleur traditionnelles. D'autres procédés moins conventionnels existent également : il s'agit par exemple des puits dits "canadiens", des géostructures et des pompes à chaleur à capteurs enterrés. Cet article propose de décrire le fonctionnement de ces trois dispositifs. Sont notamment expliqués les paramètres et la mise en œuvre des puits canadiens, dont le principe repose sur la circulation à l'intérieur de canalisations, de l'air destiné au renouvellement de l'ambiance intérieure des locaux.

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ABSTRACT

Surface geothermal science consists in reclaiming heat in soil at low depth in order to ensure the heating of a building. This technique allows for reducing greenhouse gas emissions by valorizing renewable energies. Various devices are currently used, the most classical being traditional heat pumps. Other less conventional devices are also available such as, for instance, Canadian wells, geothermal structures and heat pumps with buried sensors. This article describes the functioning of these three devices. It notably explains the parameters and implementation of Canadian wells, the principle of which is based upon the circulation inside pipes of the air destined to the renewal of the interior air of the premises.

Auteur(s)

  • Philippe LAPLAIGE : Docteur en énergétique - Ingénieur expert en charge des programmes de géothermie - Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (ADEME), Département Énergies renouvelables

  • Jean LEMALE : Ingénieur de l'École nationale supérieure des arts et métiers (ENSAM) - Ancien expert à l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (ADEME)

INTRODUCTION

Le puits canadien est une technique géothermique utilisant l'inertie du proche sous-sol et la faible variation de sa température tout au long de l'année, pour, selon les saisons, préchauffer ou rafraîchir l'air neuf de renouvellement des bâtiments. En mode rafraîchissement, on parle aussi de puits provençal. Cette technique relativement ancienne a été redécouverte depuis peu avec la construction de bâtiments HQE (haute qualité environnementale) où elle est désormais privilégiée pour son faible coût. Elle permet de réduire les charges de chauffage l'hiver (jusqu'à 40 % du poste de renouvellement d'air) et d'apporter un confort d'été de façon tout à fait naturelle. Les puits canadiens ou provençaux peuvent équiper tous les types de bâtiments (neufs, en priorité), de la maison individuelle aux bâtiments tertiaires.

Depuis la fin des années 1990, les pompes à chaleur utilisées pour le chauffage des maisons individuelles connaissent un net regain d'intérêt et plus particulièrement les pompes à chaleur à capteurs enterrés. Par rapport aux pompes à chaleur sur air ambiant, les pompes à chaleur à capteurs enterrés offrent principalement l'avantage d'utiliser une source de chaleur externe (le sol) dont la température reste quasiment stable tout au long de l'année. De plus, cette température est généralement plus élevée en hiver que la température de l'air ambiant et plus faible en été ; les coefficients de performance atteints sont donc meilleurs. Le renchérissement du coût des énergies fossiles et la prise de conscience accrue des populations vis-à-vis des effets du réchauffement climatique devraient favoriser le développement de ces techniques de chauffage que l'on peut considérer aujourd'hui comme parmi les moins onéreuses en coût de fonctionnement et les moins émettrices de gaz à effet de serre. On estime ainsi, qu'à l'horizon 2020, un tiers des maisons individuelles neuves construites en France pourrait être équipé de tels systèmes (source ADEME).

Certains bâtiments doivent être construits, pour des raisons de portance, sur des fondations. Les fondations, qui peuvent être des pieux, des parois ou des dalles en béton, sont des ouvrages souterrains destinés à assurer la stabilité statique du bâtiment en reportant son poids dans les profondeurs du sol. Le principe des fondations thermoactives ou géostructures consiste, pour les pieux par exemple, à y intégrer lors de leur fabrication un système de captage de l'énergie constitué d'un réseau de tubes en polyéthylène noyé dans le pieu, renforcé par une armature en fer, et dans lequel il est possible de faire circuler en circuit fermé un fluide caloporteur (de l'eau additionnée de glycol). Le système de captage de l'énergie est connecté à une pompe à chaleur. La mise en œuvre de ce concept est assez récente (les premières réalisations datent du début des années 2000). Il participe pleinement à la démarche engagée depuis quelques années visant à réduire les besoins énergétiques dans les bâtiments avec pour corollaire la diminution des impacts sur l'environnement (limitation des émissions de gaz à effet de serre). On recense aujourd'hui en Europe plusieurs centaines de réalisations mettant en œuvre des fondations thermoactives. En France, quelques projets ont été initiés au début des années 2000.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-be8592


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2. Géothermie des pompes à chaleur à capteurs enterrés

Les capteurs enterrés peuvent être verticaux (on parle alors de sondes géothermiques) ou horizontaux (figure 3).

2.1 Techniques avec capteurs horizontaux

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2.1.1 Description

Le capteur enterré (figure 4) est constitué par une ou plusieurs boucles de tuyauteries en polyéthylène, d'un diamètre extérieur d'une vingtaine de mm, disposées à une profondeur d'au moins 60 cm et dans lesquelles on fait circuler en circuit fermé de l'eau glycolée mise en mouvement par un circulateur.

Le système de captage est connecté à une pompe à chaleur qui transfère, dans le bâtiment à chauffer, la chaleur prélevée dans le terrain à un circuit hydraulique classique faisant office d'émetteur basse température, comme par exemple un plancher chauffant.

En règle générale, il n'est pas nécessaire d'adjoindre un appoint ; la pompe à chaleur peut assurer seule la couverture totale des besoins de chauffage.

Cette technique autorise un fonctionnement réversible et permet donc le rafraîchissement du bâtiment en été. Dans ce cas, la chaleur prélevée dans le bâtiment est évacuée dans le terrain par le capteur enterré. Par contre, compte tenu des faibles niveaux de température atteints, il n'est pas possible de produire de l'eau chaude sanitaire. Un équipement autonome, qui peut être soit un cumulus électrique, voire un chauffe-eau thermodynamique (c'est-à-dire fonctionnant sur le même principe que la pompe à chaleur pour le chauffage) ou encore un chauffe-eau solaire, doit être prévu.

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2.1.2 Configuration des capteurs

Les capteurs horizontaux sont installés soit en tranchées, soit en décapage et selon différentes configurations de tubes : deux tubes, quatre tubes et six tubes, avec des profondeurs d'enfouissement et des distances entre tubes à respecter pour chaque cas.

  • En tranchées

    Les configurations à quatre...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -   Pompes à chaleur sur aquifères – État des lieux en Île de France – perspectives de développement.  -  ADEME (2000).

  • (2) - BERNIER (J.) -   La pompe à chaleur – Mode d'emploi.  -  Tome 1, PYC Éditions (1979).

  • (3) - LAPLAIGE (P.) -   Situation de la géothermie en France.  -  Document ADEME (2006).

  • (4) -   Les pompes à chaleur eau glycolée/eau sur plancher chauffant ou plancher chauffant-rafraîchissant sur capteurs horizontaux – Règles techniques et conseils de mise en œuvre.  -  Guide AFPAC, Deuxième édition (2005).

  • (5) - SANNER (B.), BECK (F.), DABRETEAU (V.), EUGSTER (W.J.), BOISSAVY (C.), TOUREILLE (A.), LAPLAIGE (P.) -   État de l'art de la technologie des pompes à chaleur géothermiques en Europe et en Amérique du nord.  -  Thermie B, Projet no DIS/1348/7-FR (1999).

  • (6)...

1 Sites Internet

ADEME-BRGM http://www.geothermie-perspectives.fr

Société Suisse pour la Géothermie http://www.geothermal-energy.ch/

Société Canada-clim http://www.canada-clim.com

Minewaterproject http://www.minewaterproject.info

Site spécialisé pour la maison bioclimatique et le puits canadien http://www.batirbio.org

ADEME Chiffres clé du bâtiment http://www.ademe.fr

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