Pieu énergétique
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Sommaire |
[modifier] Introduction
La géothermie est surtout connue en France par ses applications dans le domaine du chauffage de maisons individuelles ou de chauffage collectif par réseaux de chaleur, et par celles du chauffage et du rafraîchissement d’immeubles du secteur tertiaire. Pourtant, Il existe un procédé encore inexploité en France qui utilise la « géothermie très basse énergie » pour le chauffage et le refroidissement de bâtiments : les fondations géothermiques. Il suffit pour cela d’équiper des pieux, dalles ou parois de tubes échangeurs de chaleur dès leur construction (la circulation d’un fluide caloporteur permet l’échange de l’énergie thermique avec le terrain). Ils permettent le chauffage du bâtiment comme son rafraîchissement. Nos pays européens voisins font état de nombreuses réalisations mettant en œuvre cette technique et particulièrement en Suisse, cependant en France cela reste encore un domaine d’utilisation d’énergie renouvelable non exploité.
[modifier] Schéma de principe
- Les pieux énergétiques sont tout d’abord des géostructures, c'est-à-dire des ouvrages mis en place dans le sol ou en contact avec lui. Ce sont les fondations d’un bâtiment lorsque la portance du sol est trop faible. Les pieux en béton armé sont généralement d'un diamètre de 0.4 à 1.5 m et atteignent une longueur de quelques mètres à plus de 30 m de longueur. Un pieu énergétique est un pieu de fondation équipé d’un tube ou réseau de tubes de manière à pouvoir échanger de la chaleur avec le terrain. Il assure donc une double fonction : celle de reporter en profondeur les charges d’un terrain et celle d’échangeur de chaleur avec le terrain.
- Les tubes à l’intérieur des pieux constituent un réseau de conduites en polyéthylène, souvent des doubles ou quadruples U, selon le diamètre des pieux. Ces tubes sont ensuite noyés dans le béton pour assurer un bon contact thermique. Un fluide caloporteur, souvent de l'eau claire uniquement, circule dans un réseau en boucle entre les pieux et la pompe à chaleur, afin de pouvoir échanger la chaleur ou le froid du terrain. Tous les pieux nécessaires aux fondations d'un bâtiment peuvent être équipés d'un système énergétique. La conductivité thermique et la capacité de stockage font du béton un matériau de construction idéal pour des absorbeurs d'énergie thermique. D'autre part, à quelques mètres sous la surface de la Terre (15-20 m), la température devient très rapidement constante (9 –11° C sous notre climat). Ce niveau de température peut être utilisé pour le refroidissement de bâtiments en été et pour le chauffage en hiver par des conduites en matière synthétique, pour échanger la chaleur ou le froid du terrain. Ces conduites rejoignent un collecteur qui alimente une ou plusieurs pompes à chaleur. Le fonctionnement de l'installation se déroule sur un cycle annuel, avec une extraction de la chaleur du terrain pendant la saison de chauffage (injection de froid) et une extraction de froid pendant la période de climatisation (injection de chaleur dans le terrain). Les puissances installées varient de quelques kW à près de 1000 kW thermiques.
- La détermination des performances énergétiques d'un système de pieux échangeurs (quantité d'énergie pouvant être extraite ou injectée dans le sol pour satisfaire tout ou partie des besoins thermiques du bâtiment) nécessite la maîtrise des données suivantes :
- les caractéristiques du sol qui déterminent le potentiel énergétique du terrain (propriétés thermiques du terrain et hydrogéologie locale) ;
- le type, les quantités, dimensions et profondeurs des éléments de fondations ;
- les caractéristiques de la (ou des) pompe(s) à chaleur ;
- les besoins énergétiques (chaud et froid) annuels du bâtiment et sa conception énergétique.
- Cette technologie simple et rationnelle ne demande pas des surcoûts excessifs mais nécessite, d'une part son intégration dès le début du projet, et d'autre part une réflexion globale sur les aspects de la construction et de la consommation de l'énergie. Il existe actuellement plus de 350 installations de type géostructures énergétiques en Autriche et en Allemagne, dont la puissance installée va de quelques dizaines de kW pour des petits immeubles jusqu'à 800 kW pour des grands bâtiments industriels. Actuellement en Suisse fonctionnent une trentaine d'installations de géostructures énergétiques, presque toutes situées dans le nord-est du pays.
[modifier] Principe d'exécution
On distingue deux grands groupes de pieux : les pieux mis en œuvre avec refoulement du sol et les pieux réalisés par excavation du sol. Dans le premier groupe, on peut citer les pieux battus et dans le second les pieux forés. En France on utilise surtout les pieux forés à cause des horizons géologiques qui généralement empêchent l’exécution de pieux battus et grâce à l’excellent matériel de forage des entreprises Françaises.
[modifier] Pieux battus
Ce sont des pieux soit façonnés à l’avance soit à tube battu exécutés en place. Pour les premiers il s’agit essentiellement de pieux en métal et de pieux préfabriqués en béton armé, pour les seconds de pieux battus moulés. Les pieux en béton armé sont fabriqués sur des aires proches du chantier. Ils sont mis en œuvre par battage ou par vibration. Ce type de pieux peut être évidé au centre pour permettre l’installation des tubes échangeurs.
L’exécution des pieux battus moulés consiste d’abord à battre un tube muni à sa base d’une plaque métallique dans le sol, à mettre, si nécessaire, en place la cage d’armatures, puis à remplir le tube de béton pendant son extraction.
[modifier] Pieux forés
- Leur exécution nécessite un forage préalable exécuté dans le sol avec les outils appropriés avec ou sans protection d’un tubage ou de boue permettant d’assurer la stabilité des parois du forage. Après mise en place, si nécessaire, de la cage d’armatures, le pieu est bétonné en utilisant une colonne de bétonnage, selon la technique du tube plongeur qui descend jusqu’à la base du pieu.
- Il faut noter que les pieux forés à la tarière creuse ont connu un très fort développement ces dix dernières années et sont très utilisées dans les fondations de bâtiment. Le principe consiste à visser dans le sol une tarière à axe creux sur une longueur totale au moins égale à la longueur du pieu à réaliser, puis à l’extraire du sol sans dévisser pendant que, simultanément, le béton est injecté par l’axe creux de la tarière. On distingue trois types de tarière creuse : les tarières creuses sans enregistrement des paramètres de forage et de bétonnage, les tarières creuses avec enregistrement des paramètres de forage et de bétonnage (profondeur, pression de béton, quantité de béton), et ces mêmes tarières équipées en plus d’un tube de bétonnage télescopable rétracté pendant la perforation et plongeant dans le béton pendant le bétonnage. Ces pieux ne peuvent, évidemment, être armés qu’après l’opération de bétonnage. La mise en place des armatures sous leur propre poids ou par vibration devient délicate pour des pieux d’une longueur supérieure à 12 -15m.
- Au-delà, des techniques de béton armé avec fibres en acier ont été développés et permettent d’injecter directement dans le sol les fibres mélangées au béton. Grâce à l’amélioration spectaculaire du matériel de forage on peut exécuter des pieux de 600 à 1200mm de diamètre jusqu’à des profondeurs allant jusqu’à 30-35m. Actuellement les pieux à la tarière creuse sont parmi les moins chers sur le marché français.
- La solution la plus courante pour la réalisation des pieux en France étant le forage à la tarière creuse, il faudra adapter l’intégration des tubes échangeurs de chaleur à ce mode de mise en œuvre. L’expérience des entreprises montre que l’insertion de la cage d’armature dans le béton une fois celui-ci coulé ne pose pas de problème particulier à partir du moment ou le béton est suffisamment fluide, ainsi l’intégration des tubes PEHD à la cage nécessite seulement qu’ils soient fixés correctement à celle-ci.
[modifier] Exemple
[modifier] Centre scolaire de Fully,Valais
- La volonté de construire un bâtiment de type Minergie et la nature du terrain ont conduit à fonder ce centre scolaire de 20 salles de classe sur des pieux battus et de les équiper en tant qu'échangeurs thermiques. Ces pieux sont évidés et centrifugés, équipés de sondes géothermiques avec un remplissage de sable humide.
- Les échanges thermiques avec le bâtiment sont minimaux et la recharge thermique du terrain est assurée par l'évacuation des charges internes en saison chaude, ce qui permet de rafraîchir le bâtiment par le réseau intégré en dalle. Associé à un principe de chauffage à basse température, ce dispositif donne des rendements élevés pour la pompe à chaleur.
Caractéristiques du système de pieux énergétiques du Centre scolaire de Fully
[modifier] Avantages/Inconvénients
[modifier] Avantages
- Énergie respectueuse de l'environnement tant pour le chauffage que le refroidissement.
- Intégration parfaite dans l'architecture.
- La pompe à chaleur qui assure 100% des besoins de chauffage d'un logement consomme seulement 30% d'énergie électrique, les 70% restants étant puisé dans le milieu naturel.
- Cette solution nécessite un surcoût peu excessif.
- L'énergie prélevée est gratuite.
- Énergie stable et fiable dans le temps car ne dépend pas des conditions atmosphériques.
[modifier] Inconvénients
- Nécessité de prévoir son intégration dès le début du projet.
- On utilise ici une géothermie très basse énergie donc l'énergie extraite ne permet pas une utilisation direct de la chaleur par simple échange (nécessité de mise en œuvre d'une pompe à chaleur).
[modifier] Règles de dimensionnement
- Il existe différents logiciels permettant de simuler les apports énergétiques de ce type de pieux :
- Le logiciel SPARK
- Le logiciel TRNSYS 16
[modifier] Voir aussi
[modifier] Liens internes
[modifier] Liens externes
- http://www.ader.ch/energieaufutur/energies/geothermie/
- http://www.pac.ch/dateien/Article%20Anstett%20pieux%20%E9nerg%E9tiques%20coll%E8ge%20Fully%200305.pdf
- http://www.geothermal-energy.ch/downloads/fiches/Fiche3.pdf
- http://enr.cstb.fr/file/rub25_doc39_1.pdf
- http://www.solarenergy-thermal.ch/rapports/Site0/fr/RI2006_Pahud_Rap-Int-Dock-Midfield-2006.pdf
- http://www.argenco.ulg.ac.be/geo3_rech_geomecanique_genie_civil_fr.php
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