Recommandations pour la réalisation d’installations avec pieux échangeurs. Empfehlungen für Energiepfahlsysteme

Fromentin, Antoine and Pahud, Daniel and Jacquier, Christian and Morath, Marcel (1997) Recommandations pour la réalisation d’installations avec pieux échangeurs. Empfehlungen für Energiepfahlsysteme. Project Report. UNSPECIFIED.

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Abstract

Un pieu échangeur est un pieu de fondation dans lequel un tube ou un réseau de tube a été installé, de manière à pouvoir faire circuler un fluide caloporteur pour échanger de la chaleur avec le sous-sol. Ses deux principales fonctions sont donc de reporter en profondeur les charges d’une construction et de servir d’échangeur de chaleur avec le terrain. Un réseau de pieux de fondation est mis en oeuvre lorsque le sol en surface n’a pas une résistance suffisante pour supporter les charges de l’ouvrage par l’intermédiaire de fondations superficielles. D’une longueur unitaire pouvant varier de quelques mètres à plusieurs dizaines de mètres, une partie ou la totalité des pieux peuvent être équipés en “pieu échangeur” sans surcoûts excessifs, ce qui constitue un avantage par rapport à la réalisation de sondes géothermiques. Le système de pieux échangeurs, généralement raccordé à une pompe à chaleur, permet d’extraire la chaleur du sous-sol pour satisfaire des besoins de chaleur en hiver et d’y rejeter des charges thermiques issues de la production de froid en été. La réalisation d’installations avec pieux échangeurs a débuté depuis plus d’une dizaine d’années déjà. Les installations mesurées jusqu’à aujourd’hui ont déjà permis de gagner beaucoup de connaissances, mais la caractérisation thermique de telles installations demande encore à être précisée. Jusqu’à ce jour, il ne semblait pas exister d’outil de simulation dynamique de l’ensemble de ce type de système. Toutefois, il existe un besoin réel pour disposer de règles simples qui permettent de correctement dimensionner une telle installation. La première partie de ce rapport constitue un document technique, qui comprend une synthèse des installations réalisées et mesurées jusqu’à ce jour en Suisse. Le savoir faire actuel et la problématique relative à des installations avec pieux échangeurs sont exposés. Pour comparaisons, les sondes géothermiques et les parois moulées sont également abordées, par des exemples pratiques. Dans un deuxième temps, le programme de simulation dynamique TRNSYS est utilisé, dans lequel les programmes DST et SBM, qui permettent de calculer les transferts de chaleur résultant de l’utilisation d’un ensemble de sondes géothermiques, sont intégrés et adaptés à la problématique des pieux échangeurs. Grâce à des installations existantes mesurées, des outils de simulations sont développés et validés. Une méthodologie est établie pour la détermination des principaux paramètres. Des règles pour dimensionner de tels systèmes (pompes à chaleur et pieux échangeurs) pour le chauffage de locaux de grande dimension (industrie, commerce) sont établies sur la base de multiples simulations effectuées avec les outils de simulation validés. Un système type (voir notre système de référence) permet de chauffer environ 2 m2 de plancher avec 1 mètre de pieu, soit, pour les pieux échangeurs: - chauffage: 25 - 40 W/m et 60 - 80 kWh/m/an; - refroidissement: 30 W/m en moyenne et 50 - 60 kWh/m/an. Un des paramètres les plus déterminants est la vitesse d’écoulement de l’eau souterraine. Une recharge estivale du terrain n’est plus nécessaire si la vitesse de l’eau souterraine est supérieure à 1 m/jour. D’autre part, les puissances et les énergies transférées par mètre linéaire de pieu données ci-dessus, établies pour un système typique, peuvent être augmentées de 50%. D’autres paramètres, tels que la géométrie des pieux, leur espacement, etc. jouent également un rôle sur les performances d’un tel système. La simulation détaillée d’un écoulement souterrain reste encore à être effectuée de manière à pouvoir tester la précision des approximations utilisées dans les outils de simulation. Les effets thermiques sur la statique d’un pieu échangeur est également un domaine de recherche ouvert, qui fait l’objet d’une étude à l’EPFL actuellement. Enfin, la détermination des propriétés thermiques d’un pieu échangeur et du terrain, primordiales pour un dimensionnement correct des pompes à chaleur et une estimation précise des performances énergétiques du système, ouvre la voie à la réalisation d’un protocole de mesures in situ et de traitement de données, communément dénommé “test de réponse”.

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