Géostructures thermiques - Présentation du fonctionnement thermique et mécanique

La chaleur presente dans les sols et dans les roches est connue et exploitee depuis tres longtemps. Au cours du 20 e  siecle, l’exploitation des ressources thermiques des terrains s’est largement developpee et a donne naissance a la geothermie. Plusieurs types de geothermie existent selon la profondeur a laquelle est exploitee la ressource thermique du terrain. La geothermie tres basse energie concerne les premieres centaines de metres de terrain et permet d’exploiter la ressource thermique de ce dernier pour chauffer ou refroidir des bâtiments. L’exemple le plus simple d’application est le puits canadien. De l’air circule dans un tuyau a quelques metres de profondeur et debouche dans une habitation. En ete, il permet de refroidir l’habitation car, en circulant dans le tuyau, il se refroidit et, en hiver, il permet de chauffer au moins partiellement l’habitation car, en circulant dans le tuyau, il se rechauffe. Bien que la temperature du terrain augmente avec la profondeur sous l’effet du gradient thermique naturel, cette technique montre que la temperature du sol reste sensiblement constante depuis la surface du terrain et jusqu’a plusieurs dizaines de metres de profondeur. D’autres techniques se sont ensuite developpees en exploitant ce constat. On peut citer : les doublets geothermiques sur nappe, les sondes geothermiques et les geostructures thermiques. Toutes ces techniques mettent par ailleurs en œuvre une pompe a chaleur et l’idee est d’utiliser le sol comme une source chaude (c’est-a-dire un milieu permettant l’extraction de chaleur) ou une source froide (c’est-a-dire un milieu permettant l’injection de chaleur) pour produire du chaud ou du froid. Dans un doublet geothermique, c’est l’eau de la nappe circulant dans le terrain qui sert de source chaude ou froide. De l’eau est pompee a un endroit dans le terrain a partir d’un puits d’extraction et est rejetee a un autre endroit dans le terrain a partir d’un puits d’injection. L’ecoulement de la nappe aux abords des deux puits joue un role preponderant et differentes questions relatives aux interactions entre ces deux puits sont a considerer. Pour une sonde geothermique, le principe est de faire circuler un fluide caloporteur dans un forage a l’interieur d’un tube echangeur de chaleur, puis dans une pompe a chaleur. En ete, le fluide injecte a, par exemple, une temperature de l’ordre de 30 °C et est extrait a une temperature de 25 °C. Le froid est alors produit par la pompe a chaleur. En hiver, le fluide est injecte, par exemple, a une temperature de l’ordre de 4 °C et est extrait a une temperature de 8 °C et la chaleur reste toujours produite par une pompe a chaleur. Les coefficients de performance atteints (rapport entre la puissance extraite et la puissance permettant le fonctionnement de la pompe a chaleur) sont de l’ordre de 3 a 5. A certaines periodes de l’annee, notamment au printemps et en automne, il est possible de ne pas faire appel a la pompe a chaleur. Par exemple, le fluide injecte peut avoir une temperature de l’ordre de 19 °C et etre extrait a une temperature de 14 °C, on parle alors de geo-cooling ou de free-cooling. Pour les geostructures thermiques, appelees aussi « geostructures energetiques » ou « geostructures thermoactives », le principe est de faire circuler le fluide caloporteur dans un pieu, un panneau de paroi moulee ou un voussoir de tunnel. L’idee est de faire l’economie d’un forage dedie a la geothermie et de lier directement le tube echangeur aux cages de ferraillage des pieux ou des parois moulees. La technique des geostructures thermiques est nee en Autriche dans le courant des annees 1980 et a connu dans le courant des annees 2000 et jusqu’a maintenant un interet considerable porte par la necessite de developper des energies renouvelables. Cette technique presente un comportement complexe car elle permet d’utiliser des ouvrages geotechniques a la fois comme elements de fondation ou de soutenement avec un role mecanique evident et comme structures d’echanges thermiques. Les enjeux de conception et de dimensionnement de ces structures obligent a decrire precisement le comportement de celles-ci sur les plans thermiques et mecaniques. Une presentation sur la maniere d’apprehender ces problematiques et les bases de justification vis-a-vis des aspects thermiques et mecaniques est proposee dans cet article.