La géothermie peu profonde

La géothermie peu profonde requiert la réalisation de forages verticaux profonds de 10 m à 300 m pour capter la chaleur (pour le chauffage) du sous-sol ou dissiper la chaleur (pour le refroidissement) dans le sous-sol. 

Sur les dix premiers mètres de profondeur, la température du sous-sol varie au fil des saisons. Au-delà, la température naturelle du sous-sol reste globalement constante. En Belgique, elle est de 10 à 14°C à 20-30 m de profondeur et augmente en moyenne de 3°C par 100 m. 

La géothermie peu profonde utilise donc ce réservoir de chaleur pour répondre aux besoins de chaleur ou de refroidissement des bâtiments. Au vu des températures limitées du sous-sol à ces profondeurs, ces systèmes sont accompagnés de pompes à chaleur géothermiques nécessaires pour fournir une chaleur suffisante au système de chauffage du bâtiment. Ainsi, en hiver, lorsque les besoins en chaleur sont les plus importants, le rendement des pompes à chaleur géothermiques n’est pas altéré par les faibles températures atmosphériques comme c’est par contre le cas pour une pompe à chaleur aérothermique captant les calories de l’air atmosphérique. 

Sous certaines conditions géologiques, le système peut également être réversible. La chaleur stockée dans le sous-sol en été peut être réutilisée pour le chauffage en hiver.

Pour les besoins de refroidissement, le froid peut être produit par échange direct avec le sous-sol, on parle alors de geocooling (ou de climatisation passive) ou par l’utilisation d’une pompe à chaleur réversible. 

Un système géothermique peu profond est dit fermé ou ouvert selon la technique d’extraction utilisée.

Système fermé

Un système géothermique est dit « fermé » si un fluide caloporteur circule dans un circuit fermé installé dans le sous-sol. Ce circuit est installé dans des forages géothermiques et peut se présenter sous différentes géométries. La solution la plus couramment utilisée est celle d’une boucle de tubes en double U introduite dans un forage d’environs 150 mm de diamètre et scellé par un coulis de scellement présentant de bonnes propriétés thermiques pour minimiser la résistance thermique de la sonde et ainsi maximiser les échanges thermiques entre le fluide caloporteur et le sous-sol. L’ensemble forage – tubes – coulis porte le nom de sondes géothermiques. A noter que d’autres géométries de sonde existent comme les systèmes co-axiaux ou en triple U. 

En régime de chauffe, le fluide caloporteur est injecté dans la sonde à une température inférieure à la température du terrain. Le fluide se réchauffe au contact du sous-sol et est donc récupéré à la sortie du circuit à une température supérieure à la température d’injection. La différence de température ainsi générée est captée par une pompe à chaleur géothermique. Dans la pompe à chaleur, le fluide caloporteur se refroidit avant d’être réinjecté dans la boucle fermée et l’énergie thermique ainsi récupérée fournit la chaleur au système de chauffage. En régime de refroidissement, le processus s’inverse. Le fluide caloporteur est injecté dans le circuit à une température supérieure à la température du terrain, ce qui permet de dissiper la chaleur dans le sous-sol. 

En variante, ces sondes géothermiques peuvent être directement combinées aux pieux de fondations. On parle alors de pieux énergétiques. Dans ce cas, les boucles fermées sont directement inclues dans les pieux de fondations qui jouent ainsi un double rôle : un rôle structurel de fondation de bâtiment et un rôle thermique d’échangeur de chaleur avec le sous-sol. Dans ce cas, le dimensionnement géotechnique des pieux doit tenir compte des effets thermiques sur la stabilité et la déformation des pieux. Ces systèmes ont le grand avantage de ne pas nécessiter de forages additionnels autres que les pieux prévus pour le système de fondation. Par contre, les profondeurs atteintes sont généralement assez faibles, en regard des sondes géothermiques classiques, ce qui limite les longueurs d’échange avec le sous-sol et ne permet généralement pas d’atteindre les couches de meilleures propriétés thermiques.

Système ouvert

Un système géothermique « ouvert » utilise la chaleur naturelle de l’eau des aquifères ou nappes phréatiques. Les systèmes géothermiques ouverts sont généralement constitués de paires de forages (appelés aussi puits géothermiques) : l’un pour le pompage et l’autre pour la réinjection. Les systèmes ouverts requièrent l’utilisation d’une pompe à chaleur géothermique. Ainsi, en régime de chauffe, l’eau des aquifères est captée à une certaine température, est refroidie par la pompe à chaleur et est réinjectée à une température inférieure à celle de l’aquifère. La chaleur ainsi captée par la pompe à chaleur est utilisée pour le système de chauffage. Pour le refroidissement, le système est inversé.

Ce système géothermique requiert la présence dans le terrain d’un aquifère avec une épaisseur et une conductivité hydraulique suffisantes permettant d’assurer le débit de pompage requis sans épuiser prématurément l’aquifère. Il faudra ainsi veiller à éviter une diminution trop importante du niveau de la nappe suite aux pompages sous peine d’induire des tassements de surface non désirés. 

Un aquifère présentant un écoulement naturel est un avantage pour renouveler continuellement le réservoir de chaleur du sous-sol. Au fur et à mesure de l’extraction de chaleur des nappes, le réservoir thermique est renouvelé par un apport d’eau à la température naturelle du terrain. Au contraire, un aquifère statique (sans écoulement) présente un avantage pour un stockage saisonnier d’énergie. La chaleur stockée en été dans l’aquifère lors de la phase de refroidissement des bâtiments peut être réutilisée en hiver pour le chauffage.

Geocooling

La température du sous-sol au-delà des 20 premiers mètres de profondeur n’est pas modifiée par les cycles saisonniers de température atmosphérique. En été, le sous-sol reste donc à une température inférieure à la température atmosphérique et fournit donc un réservoir de froid qui peut être utilisé pour climatiser les bâtiments. Le geocooling consiste donc à faire circuler, dans les circuits géothermiques, un fluide qui se refroidit au contact direct du sous-sol et redistribue ce froid dans le bâtiment via les unités terminales. Il s’agit là d’un froid « presque gratuit », la seule consommation d’énergie est liée au fonctionnement des pompes de circulation. Il s’agit ainsi d’une technique de climatisation passive. 

Cette technique de geocooling a également l’avantage de réalimenter le réservoir de chaleur du sous-sol lorsque celui-ci a été appauvrit par l’utilisation de la pompe à chaleur en hiver. En effet, le fluide circulant de ces circuits géothermiques, en se refroidissant, transmet sa chaleur au sous-sol, cette chaleur pouvant être réutilisée l’été suivant. 

Ce geocooling peut être utilisé avec un système fermé (par échange thermique avec le sous-sol) ou un système ouvert (par utilisation de la température des nappes aquifères). Il est néanmoins nécessaire que le système géothermique atteigne des profondeurs non-affectées par les cycles saisonniers de température atmosphérique (au-delà de 20 m de profondeur).

Il est à noter que ce geocooling (climatisation passive) peut être accompagné d’un système de pompe à chaleur géothermique réversible (climatisation active) qui n’est utilisé que pour gérer les pics de demande, lorsque le geocooling seul n’apporte pas la puissance nécessaire.