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Le dimensionnement du capteur vertical ou de la sonde géothermique verticale

Dans le cadre du programme « Régles de l’Art Grenelle environnement (RAGE) 2012 », un rapport sur les pompes à chaleur (PAC) géothermiques précise les différents types de capteurs enterrés.

Le programme RAGE vise à revoir l’ensemble des règles de construction afin de réaliser des économies d’énergie dans le bâtiment et de réduire les émissions de gaz à effet de serre. L’objectif d’un rapport RAGE est de présenter les résultats, soit d’une étude conduite dans le cadre du programme, soit d’essais réalisés pour mener à bien la rédaction de Recommandations Professionnelles ou de Guides.

En effet, pour une installation de chauffage équipée d’une pompe à chaleur géothermique, le dimensionnement de l’échangeur géothermique est un point à la fois délicat et primordial pour la pérennité des performances de l’installation.

Le capteur vertical ou sonde géothermique verticale est une solution intéressante par son gain de place sur le terrain. Cependant, des contre-références peuvent apparaître dans le cas d’un mauvais dimensionnement.

Ce document présente donc une étude sur les limites de dimensionnement des sondes géothermiques verticales avec notamment une analyse des méthodes existantes.

Deux études complémentaires portent sur d’autres techniques de capteurs géothermiques :

  • l’état de l’offre des corbeilles géothermiques ainsi que les analyses technique et dimensionnelle,
  • le pré-dimensionnement des capteurs horizontaux double couche.

Ce travail a été réalisé par le COSTIC (Comité Scientifique et Technique des Industries Climatiques).

 

Limites de dimensionnement des sondes verticales

Capteur vertical PAC1

Les sondes géothermiques verticales sont utilisées en habitat individuel (surface chauffée supérieure à 150 m2 avec 2 sondes au minimum), en maisons individuelles groupées (champ de sondes), en petit collectif voire en petit tertiaire. Il s’agit d’une technique éprouvée. Cependant, des contre-références peuvent apparaître notamment dans le cas d’un mauvais dimensionnement. Cette étude recense les différentes méthodes de dimensionnement existantes et définit les valeurs limites de puissance d’extraction.

Une sonde géothermique verticale est un vocable de plus en plus utilisé pour désigner un capteur de chaleur vertical d’une profondeur de 80 à 100 m en France voire au-delà dans d’autres pays européens.

Elle est constituée d’un ou plus couramment de deux tubes en U en polyéthylène haute densité (PEHD) de DN 32 mm dans lesquels circule un liquide caloporteur (généralement un mélange eau-glycol). Après s’être réchauffé dans le terrain, le fluide est refroidi de 3 à 4 K dans l’évaporateur d’une pompe à chaleur.

Pour une maison individuelle, la sonde est intégrée dans un forage d’un diamètre de l’ordre de 125 à 165 mm. Une fois la sonde posée, l’espace entre le forage et les tubes est comblé par l’injection d’un ciment à prise hydraulique (par exemple un mélange ciment-bentonite) par le bas de la sonde à l’aide d’un cinquième tube. Ceci permet d’assurer un bon contact thermique entre la sonde et le terrain et d’éviter le risque d’infiltration d’eau.

Contraintes de dimensionnement

Il est reconnu que les caractéristiques thermiques des roches traversées par le forage et leur état de saturation en eau jouent un rôle essentiel pour le dimensionnement de la longueur des sondes géothermiques. Le calcul de la longueur de sonde, ajustée en fonction de la puissance thermique de la pompe à chaleur, doit être mené de manière rigoureuse.

Par exemple, la température minimale dans les sondes en fin d’hiver (température moyenne du fluide caloporteur entre aller et retour) ne doit pas être inférieure à –1,5 °C. En pratique, il est même recommandé de prévoir une longueur de sonde suffisante pour ne pas descendre en-dessous de 0 °C.

Un sous-dimensionnement de la longueur des sondes aura pour conséquence une baisse excessive de la température des sondes avec une diminution des performances de l’installation (surconsommation d’énergie, baisse du coefficient de performance…). Dans les cas les plus extrêmes, cela peut provoquer un gel des sondes et du sous-sol entraînant un affaissement du terrain au moment du dégel.

Les conclusions du rapport sur le dimensionnement des sondes géothermiques verticales montrent des écarts importants entre les résultats obtenus concluant que les méthodes de dimensionnement actuelles ne peuvent en aucun cas être utilisées pour un dimensionnement final d’une installation. Elles ne servent qu’à un pré-dimensionnement des sondes.

La méthode de dimensionnement basée sur l’abaque élaboré suite aux travaux d’EDF semble la plus pertinente. Elle permet à la fois de tenir compte des temps de fonctionnement ainsi que de la conductivité thermique du sol.

Si un mode rafraîchissement est prévu en été (rafraîchissement par les sondes géothermiques ou par la pompe à chaleur), la puissance thermique d’extraction spécifique du sol est améliorée. Elle dépend alors de nombreux paramètres avec en particulier le besoin de rafraî- chissement par rapport au besoin de chauffage et les temps de fonc- tionnement respectifs. Dans ce cas, comme pour un fonctionnement en chauffage/rafraîchissement/ECS, il est préférable d’utiliser un outil dédié pour le dimensionnement de l’installation.

Capteur vertical PAC2

Étude des corbeilles géothermiques

La technique de captage d’énergie du sol utilisant des « corbeilles géothermiques » est apparue depuis quelques années dans l’habitat individuel. Des offres de fabricants mettent en avant les avantages de cette solution par rapport aux sondes géothermiques, notamment du point de vue du coût de réalisation. Cependant, les valeurs de dimensionnement annoncées diffèrent suivant les fabricants.

L’objectif est de mettre en évidence les échanges thermiques au niveau des tubes de la corbeille par un modèle simplifié et de déterminer une valeur limite de puissance thermique d’extraction spécifique en Watt par mètre linéaire de tube. Cette valeur pourra ensuite être comparée avec celles annoncées par les différents fabricants.

Une corbeille géothermique est constituée d’un tube de polyéthylène mis en spirale de forme conique ou cylindrique. Le tube résistant aux UV et au gel, d’une longueur de 40 à 100 m selon les fabricants, est généralement fixé sur une structure en forme de panier. Un fluide caloporteur (eau et antigel) y circule et capte la chaleur du sol environnant.

Comme pour les sondes géothermiques classiques, ce fluide transmet, par l’intermédiaire d’un échangeur de chaleur, son énergie thermique au fluide de la pompe à chaleur, laquelle alimente le système de chauffage en eau chaude.

Le sommet des corbeilles est enterré à une profondeur de 1 à 1,5 m afin qu’elles ne soient pas situées dans la zone du terrain soumise au gel. La corbeille étant enfouie à une profondeur comprise entre 1,5 et 3,5 m, cela permet de s’affranchir des variations journalières de la température et de disposer de variations de température saisonnières non synchrones avec la surface.

Ces installations prélevant de l’énergie au terrain, sa température baisse au cours de la saison de chauffage. Pendant la période estivale, le terrain doit retrouver un nouvel équilibre thermique. Ainsi, la température du sol est la plus élevée au mois de novembre (environ 13°C) c’est-à-dire au début de la période de chauffage et elle est minimale en fin de printemps (environ 7°C) lorsque le chauffage n’est plus nécessaire.

Contraintes de dimensionnement

Actuellement, il n’existe pas de règle de dimensionnement pour les corbeilles géothermiques. Les valeurs de puissance d’extraction sont essentiellement données par les fabricants. Elles varient de 0,7 à 2 kW pour une corbeille selon son diamètre, sa longueur de tube, le diamètre extérieur de tube… La puissance thermique d’extraction spécifique rapportée au mètre linéaire de tube varie entre 6 et 17,5 W/m, valeurs remises en cause par un certain nombre d’acteurs professionnels.

Les conclusions du rapport sur les corbeilles géothermiques montrent qu’il convient, pour un fonctionnement en chauffage, de favoriser les corbeilles d’un diamètre minimal de 1 m avec un pas d’au moins 0,12 m. Cependant, même dans ce cas, les températures obtenues à l’intérieur de la corbeille ne sont que légèrement positives (de l’ordre de 0,5°C). Par conséquent, la puissance thermique d’extraction spécifique doit rester inférieure à 8 Watts par mètre linéaire de tube.

Pour obtenir ces résultats, il a été considéré un remblaiement permettant le meilleur échange thermique possible entre les tubes et le terrain. Pour cela et notamment pour éviter tout risque de formation de vide d’air, le remblaiement doit s’effectuer par cimentation avec injection d’un coulis de remplissage comme pour les sondes géothermiques verticales.

Capteur vertical PAC3

Étude des capteurs double couche

Une variante de la technique de capteurs enterrés horizontalement en décapage utilisée en habitat individuel est la disposition de tubes sur deux hauteurs. Cette technique, couramment appelée « double couche » permet, a priori, de gagner de la surface par rapport à la disposition classique des capteurs horizontaux.

L’objectif est de mettre en évidence les échanges thermiques au niveau des tubes de ce type de capteur par un modèle simplifié et de déterminer une valeur limite de puissance thermique d’extraction spécifique en W/m de tube.

La couche supérieure du capteur est généralement disposée à 20 cm en dessous de la profondeur hors gel sur toute la surface du terrain. De fait, les profondeurs courantes de pose des tubes supérieurs sont de 0,60 ou 0,80 m.

La couche inférieure est prévue avec un écart minimal de 0,60 m par rapport à la couche supérieure afin de faciliter le remblaiement.

Contraintes de dimensionnement

Actuellement, il n’existe pas de règle de dimensionnement pour les capteurs double couche. La seule référence de dimensionnement de ces capteurs reste l’adaptation des puissances des capteurs géothermiques horizontaux. La puissance maximale d’extraction spécifique généralement considérée est de l’ordre de 10 Watts par mètre linéaire de tube.

Les conclusions de l’étude sur les capteurs double couche ont montré que l’utilisation de capteurs enterrés horizontaux disposés en double couche nécessite de se limiter à une puissance de l’ordre de 8 Watts par mètre linéaire de tube. En effet, la superposition des tubes et les interactions induites engendrent une régénération plus difficile du sol, à l’origine d’un risque de gel.

Les températures de sol obtenues montrent qu’il est préférable de prévoir des profondeurs d’enfouissement des couches de 0,80 et 1,40 m avec un pas de 0,60 m.

Pour atteindre ces résultats, afin de permettre une meilleure régénération, une disposition en quinconce a été privilégiée. Il a également été considéré un remblaiement permettant le meilleur échange thermique possible entre les tubes et le terrain pour les deux couches superposées. Pour cela des précautions sont à prendre sur le remblaiement avec un tassement de terre ou de sable au niveau de chaque couche.

Capteur vertical PAC4

«Pompes à chaleur géothermiques», publication d’un Rapport RAGE analysant les différentes techniques de capteurs enterrés

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