rapport-rage-pac-geothermiques-techniques-capteurs-enterres-2015

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P R O G R A M M E D ’ A C C O M P A G N E M E NT D E S P R O F E S S I O N N E L S
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
www.reglesdelart-grenelle-environnement-2012.fr
R A P P O RT
POMPES À CHALEUR
GÉOTHERMIQUES
ANALYSE
DE DIFFÉRENTES TECHNIQUES DE CAPTEURS
ENTERRÉS
FÉVRIER 2015
ÉDITO
L e Grenelle Environnement a fixé pour les bâtiments neufs et existants
des objectifs ambitieux en matière d’économie et de production
d’énergie. Le secteur du bâtiment est engagé dans une mutation de très
grande ampleur qui l’oblige à une qualité de réalisation fondée sur de
nouvelles règles de construction.
Le programme « Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 » a pour
mission, à la demande des Pouvoirs Publics, d’accompagner les quelque
370 000 entreprises et artisans du secteur du bâtiment et l'ensemble des
acteurs de la filière dans la réalisation de ces objectifs.
Sous l’impulsion de la CAPEB et de la FFB, de l’AQC, de la COPREC
Construction et du CSTB, les acteurs de la construction se sont rassemblés
pour définir collectivement ce programme. Financé dans le cadre du
dispositif des certificats d’économies d’énergie grâce à des contributions
importantes d’EDF (15 millions d’euros) et de GDF SUEZ (5 millions
d’euros), ce programme vise, en particulier, à mettre à jour les règles de l’art
en vigueur aujourd’hui et à en proposer de nouvelles, notamment pour ce
qui concerne les travaux de rénovation. Ces nouveaux textes de référence
destinés à alimenter le processus normatif classique seront opérationnels
et reconnus par les assureurs dès leur approbation ; ils serviront aussi à
l’établissement de manuels de formation.
Le succès du programme « Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
repose sur un vaste effort de formation initiale et continue afin de renforcer
la compétence des entreprises et artisans sur ces nouvelles techniques et ces
nouvelles façons de faire. Dotées des outils nécessaires, les organisations
professionnelles auront à cœur d’aider et d’inciter à la formation de tous.
Les professionnels ont besoin rapidement de ces outils et « règles du jeu »
pour « réussir » le Grenelle Environnement.
Alain MAUGARD
Président du Comité de pilotage du Programme
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Président de QUALIBAT
P R O G R A M M E
D ’ A C C O M P A G N E M E N T
D E S
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« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Ce programme est une application du Grenelle Environnement. Il 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.
www.reglesdelart-grenelle-environnement-2012.fr
Les Recommandations Professionnelles « Règles de l’Art Grenelle
Environnement 2012 » sont des documents techniques de
référence, préfigurant un avant-projet NF DTU, sur une solution
technique clé améliorant les performances énergétiques des
bâtiments. Leur vocation est d’alimenter soit la révision d’un NF
DTU aujourd’hui en vigueur, soit la rédaction d’un nouveau NF
DTU. Ces nouveaux textes de référence seront reconnus par les
assureurs dès leur approbation.
PROFESSIONNELS
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DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Afin de répondre au besoin d’accompagnement des professionnels du
bâtiment pour atteindre les objectifs ambitieux du Grenelle Environnement,
le programme « Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 » a prévu
d’élaborer les documents suivants :
PROGRAMME
AVANTPROPOS
Les Guides « Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 » sont
des documents techniques sur une solution technique innovante
améliorant les performances énergétiques des bâtiments. Leur
objectif est de donner aux professionnels de la filière les règles
à suivre pour assurer une bonne conception, ainsi qu’une
bonne mise en œuvre et réaliser une maintenance de la solution
technique considérée. Ils présentent les conditions techniques
minimales à respecter.
Les Calepins de chantier « Règles de l’Art Grenelle Environnement
2012 » sont des mémentos destinés aux personnels de chantier,
qui illustrent les bonnes pratiques d’exécution et les dispositions
essentielles des Recommandations Professionnelles et des
Guides « Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 ».
Les Rapports « Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
présentent 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.
Les Recommandations Pédagogiques « Règles de l’Art Grenelle
Environnement 2012 » sont des documents destinés à alimenter
la révision des référentiels de formation continue et initiale. Elles
se basent sur les éléments nouveaux et/ou essentiels contenus
dans les Recommandations Professionnelles ou Guides produits
par le programme.
L’ensemble des productions du programme d’accompagnement des
professionnels « Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 » est mis
gratuitement à disposition des acteurs de la filière sur le site Internet du
programme : http://www.reglesdelart-grenelle-environnement-2012.fr
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Slmmaire
PROGRAMME
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DES
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POMPES À CHALEUR GÉOTHERMIQUES – ANALYSE DE DIFFÉRENTES TECHNIQUES DE CAPTEURS ENTERRÉS
1 - Introduction......................................................................................... 5
2 - Limites de dimensionnement des sondes
verticales........................................................................................................ 6
2.1. • Généralités.................................................................................................................... 6
2.1.1. • Description....................................................................................................... 6
2.1.2. • Contraintes de dimensionnement................................................................. 7
2.2. • Comparaison des méthodes de dimensionnement.................................................. 7
2.2.1. • Les méthodes disponibles.............................................................................. 7
2.2.2. • Comparaison des méthodes disponibles..................................................... 8
2.3. • Méthode de dimensionnement retenue.................................................................... 9
2.4. • Conclusion sur le dimensionnement des sondes géothermiques verticales........11
3 - Étude des corbeilles géothermiques............................. 12
3.1. • Généralités.................................................................................................................. 12
3.1.1. • Description..................................................................................................... 12
3.1.2. • Dimensionnement......................................................................................... 13
3.2. • Les simulations menées............................................................................................ 14
3.2.1. • Le modèle...................................................................................................... 14
3.2.2. • Les hypothèses de calculs............................................................................ 15
3.3. • Résultats des simulations......................................................................................... 15
3.4. • Conclusion de l’étude sur les corbeilles géothermiques........................................ 20
4 - Étude des capteurs double couche................................. 21

4.1. • Généralités.................................................................................................................. 21
4.1.1. • Description..................................................................................................... 21
4.1.2. • Dimensionnement......................................................................................... 22
4.2. • Les simulations menées............................................................................................ 22
4.2.1. • Le modèle...................................................................................................... 23
4.2.2. • Les hypothèses de calculs............................................................................ 23
4.3. • Résultats des simulations......................................................................................... 24
4.4. • Conclusion de l’étude sur les capteurs double couche.......................................... 28
4
Conception : LENOX – Illustrations : COSTIC – Éditeur : AQC – ISBN : 978-2-35443-352-9
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PROGRAMME
Introduction
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POMPES À CHALEUR GÉOTHERMIQUES – ANALYSE DE DIFFÉRENTES TECHNIQUES DE CAPTEURS ENTERRÉS
Dans le cadre d’une installation de chauffage équipée d’une pompe
à chaleur géothermique, 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 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. Les thèmes en sont les suivants :
• l’état de l’offre des corbeilles géothermiques ainsi que les analyses technique et dimensionnelle ;
• le pré-dimensionnement des capteurs double couche.

Ce travail a été réalisé par le COSTIC (Comité Scientifique et Technique
des Industries Climatiques).
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Limites de dimensionnement
des sondes verticales
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PROGRAMME
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POMPES À CHALEUR GÉOTHERMIQUES – ANALYSE DE DIFFÉRENTES TECHNIQUES DE CAPTEURS ENTERRÉS
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.
2.1. • Généralités
2.1.1. • Description
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.
6
s Figure 1 : Exemple d’une sonde géothermique verticale en configuration double U
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POMPES À CHALEUR GÉOTHERMIQUES – ANALYSE DE DIFFÉRENTES TECHNIQUES DE CAPTEURS ENTERRÉS
2.1.2. • 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.
2.2. • Comparaison des méthodes
de dimensionnement
2.2.1. • Les méthodes disponibles
■■ Les règles AFPAC et UECF/FFB avec une puissance thermique
d’extraction spécifique maximale de 50 W/m linéaire de tube
et une énergie soutirée maximale de 100 kWh/(m.an). Ce ratio est
utilisé sous la responsabilité du foreur qui peut éventuellement
le réduire en fonction de la nature du terrain ;

Il existe plusieurs méthodes de dimensionnement des sondes géothermiques verticales. Les méthodes couramment utilisées en France
ou en Europe sont les suivantes :
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■■ La directive allemande VDI 4640 qui donne des valeurs de référence et des procédures d’utilisation sur les systèmes géothermiques. Cette directive, appliquée en Allemagne, est aussi reconnue dans certains pays européens comme la Suisse et l’Autriche ;
■■ La méthode suisse développée pour des conditions climatiques
en Suisse par l’Office Fédéral de l’Énergie en Suisse (OFEN) ;
■■ La norme suisse SIA 384/6, éditée en français en 2010, apporte des exigences sur la conception, le dimensionnement, la réalisation et l’entretien des installations équipées de sondes géothermiques verticales. La
méthode de calcul est détaillée dans la norme. Des logiciels de calculs
spécialisés peuvent être utilisés comme EED, PileSim… ;
■■ L’outil BRGM qui est une feuille de calcul Excel dont la formule
de calcul est basée sur une équation de dimensionnement de sonde
géothermique verticale validée par l’ASHRAE. Cette feuille de calcul
permet le dimensionnement d’une sonde géothermique verticale
seule mais aussi d’un champ de sondes ;
■■ L’outil EDF, développé par la Division Recherche et Développement.
Basés sur des simulations dynamiques, les résultats ont permis d’élaborer un abaque de dimensionnement pour des conditions de températures d’eau nominales de –3/0°C (à 30% de glycol). Les puissances
extractibles dépendent essentiellement de la nature de sol et en particulier de sa conductivité thermique (en W/(m.K)), du temps de fonctionnement annuel de l’installation (qui dépend lui-même du climat,
du bâtiment et de son niveau d’isolation ainsi que des fonctions assurées par la pompe à chaleur : chauffage, ECS et refroidissement) ;
■■ L’outil développé spécifiquement pour cette étude par le COSTIC. Il
s’agit d’une modélisation simple des échanges d’une sonde géothermique verticale en double U. Elle est basée sur différents modèles analytiques existants tenant compte des contraintes dues aux échanges
convectifs entre le fluide caloporteur et la paroi intérieure du tube.
Note
Par rapport aux outils BRGM et EDF, le temps de fonctionnement de la pompe à
chaleur n’est pas pris en compte dans l’outil du COSTIC.
2.2.2. • Comparaison des méthodes disponibles
Le tableau de la (Figure 2) présente les valeurs de puissance thermique
d’extraction spécifique obtenues à partir des différentes méthodes
existantes citées précédemment.
Deux cas de sols sont considérés, caractérisés par leur conductivité
thermique λ :

• un sol avec argile, λ=1,2 W/(m.K) ;
8
• un sol avec granite, λ=3,0 W/(m.K).
SIA 384/6
BRGM
EDF
COSTIC
Argile λ=1,2 W/(m.K)
20
30
33
23
38
Granite λ=3,0 W/(m.K)
55 à 70
50
52
42
40
s Figure 2 : Comparaison des limites de dimensionnement obtenues avec les différentes méthodes (la
puissance est exprimée par mètre linéaire de tube)
La norme VDI 4640, couramment utilisée comme référence, semble
optimiste dans certains cas. Elle donne par exemple les puissances
thermiques d’extraction spécifique (par mètre linéaire de tube)
suivantes :
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VDI 4640
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Puissance thermique
d’extraction spécifique W/m
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Pour les méthodes qui tiennent compte de ce paramètre, le temps de
fonctionnement considéré est de 2400 h/an.
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• pour 1800 h de fonctionnement annuel et un sol de type argile :
25 W/m ;
• pour 2400 h de fonctionnement annuel et un sol de type argile :
20 W/m ;
• pour 1800 h de fonctionnement annuel et un sol de type granite : 65 à 85 W/m ;
• pour 2400 h de fonctionnement annuel et un sol de type granite : 55 à 70 W/m.
Pour l’argile sec, la valeur de puissance thermique d’extraction spécifique maximale donnée par la norme VDI 4640 (20 W/m) semble
correcte. En revanche, pour le granite, la valeur est supérieure à celle
obtenue par les autres méthodes. Il convient donc probablement de
considérer une valeur inférieure à celle considérée par la norme.
Ces calculs montrent également que, selon la nature de sol, notamment pour l’argile, la puissance thermique d’extraction spécifique
peut être considérablement réduite jusqu’à une valeur de l’ordre de
20 W/m (données VDI, EDF). Les valeurs de l’ordre de 30 W/m correspondent à un calcul réalisé avec de l’argile humide (λ=1,65 W/(m.K)).
2.3. • Méthode de dimensionnement
retenue
Une méthode de dimensionnement a été élaborée à partir des travaux
d’EDF. Elle prend notamment en compte les deux paramètres influents
suivants : température du sol et temps de fonctionnement.
Plus la conductivité thermique du sol est élevée, plus la puissance
thermique prélevée au sol est importante avec des variations plus ou
moins grandes. Cependant, sur une profondeur de plusieurs dizaines
de mètres, la conductivité thermique du sol (conductivité thermique

Influence de la conductivité thermique du sol
9
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moyenne dans le cas de plusieurs couches géologiques présentes) est
généralement comprise entre 1,5 et 2,5 W/(m.K).
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Influence du temps de fonctionnement
L’influence du temps de fonctionnement sur la puissance extractible
du sol conduit à considérer les trois cas suivants :
• Cas 1 : la pompe à chaleur assure le chauffage seul dans des
bâtiments neufs ou BBC, correspondant à un temps de fonctionnement annuel de 1000 h (zone climatique H3) à 1500 h (zone
climatique H1) ;
• Cas 2 : la pompe à chaleur assure le chauffage seul dans des
bâtiments existants non rénovés, correspondant à un temps de
fonctionnement annuel de 2000 h (zone climatique H3) à 2400 h
(zone climatique H1) ;
• Cas 3 : la pompe à chaleur assure le chauffage et la production
d’eau chaude sanitaire, quel que soit le type de bâtiment. Le
temps de fonctionnement annuel est supérieur à 3500 h, en raison de la production d’ECS.
Il est possible de définir un abaque de dimensionnement de la puissance d’extraction thermique spécifique en fonction de la conductivité
thermique (Figure 3).
La zone de dimensionnement est délimitée par deux valeurs de
conductivité thermique :
• Pour un sol peu conducteur ou si aucune valeur d’extraction
thermique spécifique n’est connue, la conductivité thermique
est considérée égale à 1,5 W/(m.K) ;
• Pour un sol bon conducteur, la conductivité thermique est considérée égale à 2,5 W/(m.K).
Note
Pour les sols moyens, la conductivité thermique est considérée proche
de 2 W/ (m K).

!
10
En pratique, en absence d’étude géologique préalable,
notamment au moment du devis, la conductivité thermique
du sol doit être considérée de 1,5 W/(m.K). Suivant le profil de forage réalisé par le foreur, la puissance thermique
d’extraction spécifique est ensuite adaptée.
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s Figure 3 : Puissance thermique d’extraction spécifique (par mètre linéaire de tube) en fonction de la
nature de sol et du temps de fonctionnement annuel
Note
Dans le cas d’une installation neuve (RT 2012), pour une installation réversible
(chauffage et rafraîchissement), une puissance thermique d’extraction spécifique
de 45 à 60 W/m peut être envisagée.
2.4. • Conclusion sur le dimensionnement
des sondes géothermiques verticales
Les écarts importants entre les résultats obtenus montrent bien 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 rafraîchissement par rapport au besoin de chauffage et les temps de fonctionnement 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.
11
Étude des corbeilles
géothermiques
3
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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.
!
Cette étude considère des conditions de mise en œuvre
spécifiques.
Compte tenu du manque de retours d’expériences sur cette
technique, aucune règle de dimensionnement ne peut en
être déduite.
3.1. • Généralités

3.1.1. • Description
12
Une corbeille géothermique est constituée d’un tube de polyéthylène
mis en spirale de forme conique ou cylindrique (Figure 4). 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.
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.
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DES
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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.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
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.
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s Figure 4 : Exemple de corbeille géothermique
3.1.2. • 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.

13
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3.2. • Les simulations menées
Il s’agit d’étudier la diffusion thermique dans le sol afin d’estimer le
risque d’apparition de gel autour de l’échangeur géothermique. Le but
est de visualiser les températures du sol obtenues à l’intérieur et à
l’extérieur d’une corbeille géothermique et d’observer l’apparition de
températures négatives après un certain temps de fonctionnement.
Une étude paramétrique a été réalisée permettant de comparer différents scénarii et positionnements des tubes entre eux.
Les simulations ont été réalisées sous tableur Excel.
L’outil développé prend en compte l’influence de la viscosité cinématique sur les échanges thermiques. En effet, la viscosité cinématique
varie de façon conséquente selon la proportion d’antigel. Un taux de
glycol important et un fonctionnement à des températures en-dessous de zéro degré entraînent un écoulement laminaire qui défavorise
les échanges thermiques, la puissance frigorifique diminue et la performance de la pompe à chaleur chute.
3.2.1. • Le modèle
Afin d’étudier l’échange corbeille-sol, une section de sol a été étudiée.
Au lieu de considérer un cylindre complet, nous avons supposé un
tube enroulé en spirale avec un pas entre les tubes et défini un axe de
révolution.
La résolution s’est donc effectuée en coordonnée cylindrique pour
une moitié de la corbeille en 2D avec une symétrie axiale.
Le sol modélisé est représenté par un maillage rectangulaire uniforme
(Figure 5). Chaque nœud du maillage du sol constitue un nœud de calcul
pour lequel une température de sol est calculée. La partie en rouge
sur la figure représente la surface du sol considérée à une température constante. Les points bleus correspondent aux tubes du capteur
géothermique. Ils sont à une température fixée.

s Figure 5 : Vue en coupe de la corbeille modélisée
14
• la puissance linéique apportée au fluide caloporteur est égale à
8 W/m sans période de régénération ;
• deux durées de fonctionnement continues de 6 et 8 h/jour ;
• les propriétés physiques du fluide caloporteur et du tube sont
constantes ;
• la viscosité cinématique est d’environ 1,37.10-5 m²/s pour le
fluide caloporteur considéré à une température de –4,5°C ;
DES
• la température extérieure de paroi du tube est de –2°C, soit
une température moyenne du fluide caloporteur de l’ordre de
–4,5°C ;
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Les hypothèses suivantes ont été retenues :
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3.2.2. • Les hypothèses de calculs
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• le débit de fluide caloporteur est constant ;
• la température de surface de sol est égale à 10 °C ;
• deux types de sol avec une conductivité thermique différente : λ
de 1,8 et 2,3 W/(m.K) ;
• deux types de corbeilles : la première avec un diamètre de 1 m,
un tube de diamètre 25 mm extérieur et une longueur de tube
de 100 m ; la seconde avec un diamètre de 0,38 m, un tube de
diamètre 25 mm extérieur et une longueur de tube de 40 m ;
• deux pas de tubes : 0,08 et 0,12 m ;
• une profondeur d’enfouissement de 1 m.
Par ailleurs, le sol est supposé être un matériau homogène dans
lequel seul un échange par conduction a lieu. L’échange entre la paroi
extérieure du tube et le sol est considéré parfait. Les tubes sont supposés être des sources ponctuelles dans le sol à température constante
égale à la température de la paroi extérieure.
Note
Il est tenu compte d’un remblaiement de la corbeille par cimentation, par méthode
ascendante à l’aide d’un tube perdu par injection d’un coulis de remplissage
depuis la base du trou jusqu’à la cote d’environ 1 m de profondeur du terrain
naturel pour faciliter la tranchée de liaison. La cimentation permet de favoriser
les échanges entre les tubes et le terrain et de réaliser un remblaiement correct
sans vide d’air.
3.3. • Résultats des simulations

Pour chaque corbeille simulée, les résultats obtenus sont présentés
sous la forme d’une image présentant les évolutions de températures
entre la température de paroi extérieure du tube de la corbeille (bleu)
et la température de sol (rouge). Il est ainsi possible de comparer les
températures du sol à proximité des parois des tubes.
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Les images présentent ainsi une vue en coupe de la corbeille avec des
températures données à une profondeur de 2,50 m.
Rappelons que les simulations sont réalisées à une puissance d’extraction fixe de 8 W/m linéaire de tube.
Influence du temps de fonctionnement
Sur la (Figure 6) sont comparés les résultats de simulation d’une corbeille en fonction du temps de fonctionnement. Ses caractéristiques
principales sont les suivantes :
• un diamètre de 1 m ;
• une profondeur d’enfouissement de 1 m ;
• un pas de tubes de 0,08 m ;
• un coefficient de conductivité thermique de sol de 1,8 W/(m.K).
Les calculs sont menés pour des temps de fonctionnement de 6 h et
de 8 h.
Avec un temps de fonctionnement plus élevé (de 8 h), les températures négatives se généralisent à l’intérieur de la corbeille, même si
elles restent du même ordre de grandeur : par exemple –0,1°C au
centre de la corbeille à une profondeur de 2,50 m. Entre les tubes, la
température chute légèrement pour atteindre –1,3°C au bout de 8 h
au lieu de –1°C au bout de 6 h. A l’extérieur de la corbeille, à environ 0,25 m, la température de sol chute de 0,5 K entre 6 h et 8 h de
fonctionnement.
Notons que les résultats sont obtenus avec un temps de fonctionnement continu, sans tenir compte de périodes d’arrêt donc sans régénération possible. Il s’agit par conséquent d’un cas extrême.
Note

Dans le cas d’une corbeille avec un pas de tube de 0,12 m, les tendances sont
similaires. Excepté les températures faiblement négatives obtenues entre les
tubes (-0,2°C) au bout de 8 h de fonctionnement, les températures de sol restent
positives. Ces simulations ne sont pas illustrées dans ce rapport.
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s Figure 6 : Évolutions des températures (en °C) dans le sol pour une corbeille de 1 m de diamètre, un pas
de tubes de 0,08 m, une conductivité de sol de 1,8 W/(m.K) et un temps de fonctionnement de 6 h et 8 h
Influence du pas des tubes
Sur la (Figure 7) sont comparés les résultats de simulation d’une corbeille en fonction de la variation du pas de tubes. Ses caractéristiques
principales sont les suivantes :
• un diamètre de 1 m ;
• une profondeur d’enfouissement de 1 m ;
• un coefficient de conductivité thermique de sol de 1,8 W/(m.K) ;
• un temps de fonctionnement de 8 h.
Les simulations étant menées avec une puissance constante de 8 W/m
linéaire de tube, avec un pas de tubes plus grand, les températures
augmentent autour des tubes. En effet, les températures de sol sont
légèrement négatives autour des tubes (environ –1,3°C) avec un pas

Les calculs sont effectués pour des pas de tube 0,08 et 0,12 m.
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de 0,08 m après 8 h de fonctionnement alors qu’elles sont proches de
zéro entre les tubes (environ –0,2°C) avec un pas de 0,12 m.
De même, au centre de la corbeille, la température de –0,1°C environ
pour un pas de 0,08 m devient positive jusqu’à atteindre une température de 0,7°C pour un pas de 0,12 m.
Un plus grand pas de tubes permet de conserver des températures
légèrement positives dans le sol et à l’intérieur de la corbeille même
si elles sont légèrement négatives entre les tubes. Une formation de
gel trop rapide est ainsi évitée.

s Figure 7 : Évolutions des températures (en °C) dans le sol pour une corbeille de 1 m de diamètre, une
conductivité de sol de 1,8 W/(m.K), un temps de fonctionnement de 8 h et un pas de tubes de 0,08 et 0,12 m
18
Influence de la conductivité thermique
Sur la (Figure 8) sont comparés les résultats de simulation d’une corbeille en fonction de la valeur de la conductivité thermique du sol. Ses
caractéristiques principales sont les suivantes :
• un diamètre de 1 m ;
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Les tendances sont similaires pour les corbeilles d’un diamètre de 0,38 m.
Cependant, les températures de sol obtenues sont plus basses et plus homogènes à l’intérieur de la corbeille (environ –1°C pour un pas de 0,08 m et environ
–0,3°C pour un pas de 0,12 m après un temps de fonctionnement de 8 h). Ces
simulations ne sont pas illustrées dans ce rapport.
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Note
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• une profondeur d’enfouissement de 1 m ;
• un pas de tubes de 0,12 m ;
• un temps de fonctionnement de 8 h.
Les calculs sont menés pour des conductivités thermiques du sol de
1,8 et 2,3 W/(m.K).
Avec une augmentation du coefficient de conductivité thermique, les
températures deviennent plus basses dans le sol à l’intérieur de la
corbeille, pour un même temps de fonctionnement.
Pour une conductivité de 2,3 W/(m.K), une température moyenne de
sol relativement constante est obtenue à l’intérieur de la corbeille,
de l’ordre de –1,2°C. Elle varie entre 0,4 à 0,7°C avec un coefficient de
conductivité thermique de 1,8 W/(m.K).

L’échange thermique est donc favorisé par un coefficient de conductivité thermique plus élevé. Cependant, même si la température du
sol obtenue est plus basse, il est probable que sa régénération thermique soit également favorisée par cette augmentation de conductivité thermique.
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s Figure 8 : Évolutions des températures (en °C) dans le sol pour une corbeille de 1 m de diamètre, d’un
pas de tubes de 0,12 m, un temps de fonctionnement de 8 h et une conductivité de sol de 1,8 et 2,3 W/(m.K)
3.4. • Conclusion de l’étude sur les corbeilles
géothermiques

Les résultats des simulations ont montré, pour un fonctionnement
en chauffage, qu’il convient 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.
20
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.
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4
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Étude des capteurs double
couche
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POMPES À CHALEUR GÉOTHERMIQUES – ANALYSE DE DIFFÉRENTES TECHNIQUES DE CAPTEURS ENTERRÉS
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.
!
Cette étude considère des conditions de mise en œuvre
spécifiques.
Compte tenu du manque de retours d’expériences sur cette
technique, aucune règle de dimensionnement ne peut en
être déduite.
4.1. • Généralités
4.1.1. • Description
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.
21
PROFESSIONNELS
La (Figure 9) présente un exemple de disposition d’un capteur double
couche. Les tubes placés sur le même plan sont écartés de 0,60 m.
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s Figure 9 : Exemple de disposition d’un capteur horizontal en double couche
4.1.2. • 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.
4.2. • Les simulations menées
Il s’agit d’étudier la diffusion thermique dans le sol afin d’estimer le
risque d’apparition de gel au niveau du capteur double couche. Le but
est de visualiser les températures du sol obtenues à proximité et entre
les tubes et d’observer l’apparition de températures négatives après
un certain temps de fonctionnement.
Une étude paramétrique a été réalisée permettant de comparer différents scénarii.
Un modèle simple d’échange a été développé au COSTIC pour déterminer et vérifier sommairement des valeurs de pré-dimensionnement
pour les capteurs double couche. Une valeur de puissance d’extraction spécifique de 8 W/m linéaire de tube a été considérée.

Les simulations ont été réalisées sous tableur Excel.
22
Le sol modélisé est donc représenté par un maillage rectangulaire uniforme (Figure 10). Chaque nœud du maillage du sol constitue un nœud
de calcul pour lequel une température de sol est calculée. La partie
en rouge sur la figure représente la surface du sol considérée à une
température constante. Les points bleus correspondent aux tubes du
capteur géothermique. Ils sont à une température fixée.
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Afin d’étudier les capteurs horizontaux double couche, une section
de sol a été étudiée. Cette section est prise relativement éloignée
des courbures de bout de capteurs afin de s’affranchir des effets « de
bord » et de pouvoir modéliser l’ensemble en 2D.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
4.2.1. • Le modèle
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s Figure 10 : Vue du maillage du sol pour les capteurs horizontaux double couche modélisés
4.2.2. • Les hypothèses de calculs
Les hypothèses suivantes ont été retenues :
• la température extérieure de paroi du tube est de –2 °C, soit une
température moyenne du fluide caloporteur de l’ordre de –4,5 °C ;
• la puissance linéique apportée au fluide caloporteur est de
8 W/m sans période de régénération ;
• deux profondeurs d’enfouissement de la première couche : 0,60
et 0,80 m ;
• une distance entre les deux couches de 0,60 m ;
• une couche comprend 4 tubes ;
• deux pas de tubes : 0,60 et 0,40 m ;
• deux durées de fonctionnement continues de 6 et 8 h/jour ;
• les propriétés physiques du fluide caloporteur et du tube sont
constantes ;
• le débit de fluide caloporteur est constant ;
• la température de surface de sol est égale à 10°C ;

• deux types de sol avec une conductivité thermique différente : λ
de 1,8 et 2,3 W/(m.K).
23
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POMPES À CHALEUR GÉOTHERMIQUES – ANALYSE DE DIFFÉRENTES TECHNIQUES DE CAPTEURS ENTERRÉS
Par ailleurs, le sol est supposé être un matériau homogène dans
lequel seul un échange par conduction a lieu. L’échange entre la paroi
extérieure du tube et le sol est considéré parfait. Les tubes sont supposés être des sources ponctuelles dans le sol à température constante
égale à la température de la paroi extérieure.
Note
Pour permettre une meilleure régénération, les tubes sont disposés en quinconce.
La première couche de tubes repose à même le sol décapé, plan, dégagé de tout
accident. Une attention particulière est portée sur le risque de blesser les tubes. Il
convient de faire attention à tout point dur de roches ou de cailloux. Dans ces cas,
un lit de sable d’une épaisseur minimale de 150 mm est nécessaire.
La suite du remblaiement est réalisée mécaniquement avec la terre déplacée à
l’aide d’un engin de faible charge (pilonneuse, mini-pelle…). L’opération est à
renouveler pour la seconde couche.
Il est recommandé de mouiller et tasser la terre au niveau de la première couche
avant d’installer la couche supérieure.
4.3. • Résultats des simulations
Pour chaque cas simulé, les résultats obtenus sont présentés sous la
forme d’une image présentant les évolutions de températures entre
la température de paroi extérieure du tube de la corbeille (bleu) et la
température de sol (rouge). Il est ainsi possible de comparer les températures du sol à proximité des parois des tubes.
Le capteur double couche est présenté par une vue en coupe avec des
températures données dans le plan des tubes, à des profondeurs de
0,80 et 1,40 m et de 0,60 et 1,20 m selon les cas. Quelques valeurs à
proximité des tubes sont aussi indiquées.
Rappelons que les simulations sont réalisées à une puissance d’extraction fixe de 8 W/m linéaire de tube.
Influence du temps de fonctionnement
Sur la (Figure 11) sont comparés les résultats de simulation d’un capteur
double couche en fonction du temps de fonctionnement. Ses caractéristiques principales sont les suivantes :
• des profondeurs d’enfouissement de 0,80 et 1,40 m ;
• un pas de tubes de 0,60 m ;
• un coefficient de conductivité thermique de sol de 1,8 W/(m.K).

Les calculs sont menés pour des temps de fonctionnement de 6 h et
de 8 h.
24
La (Figure 11) montre que quel que soit le temps de fonctionnement, les
températures de sol restent positives et aucune température négative
n’est observée. Après 8 h de fonctionnement continu, les températures
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Dans le cas d’un capteur avec des profondeurs d’enfouissement de
0,60 et 1,20 m avec un pas de tubes de 0,40 m, les résultats sont similaires. Même si les températures obtenues à proximité des tubes au
bout de huit heures de fonctionnement sont plus basses (environ
0,4°C au lieu d’environ 0,6°C pour 6 h), les températures de sol restent
positives. Un temps de fonctionnement de huit heures par rapport à
un temps de six heures entraîne l’apparition de températures légèrement plus faibles (de l’ordre de 0,5°C) entre les tubes. Cependant,
aucune température négative n’est atteinte. Ces simulations ne sont
pas illustrées dans ce rapport.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
autour du tube sont plus basses (environ 1°C au lieu d’environ 2°C pour
6 h). Entre les tubes, la température chute légèrement pour atteindre
6°C au bout de 8 h au lieu de 6,5°C au bout de 6 h.
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s Figure 11 : Évolutions des températures (en °C) dans le sol pour un capteur double couche avec des
profondeurs de 0,80 et 1,40 m, un pas de tubes de 0,60 m, une conductivité de sol de 1,8 W/(m.K) et un
temps de fonctionnement de 6 h et 8 h
Influence du pas et de la profondeur des tubes
Sur la (Figure 12) sont comparés les résultats de simulations d’un capteur
double couche lorsque le pas et les profondeurs des tubes sont modifiés. Ses caractéristiques principales sont les suivantes :
• un coefficient de conductivité thermique de sol de 1,8 W/(m.K) ;
• un temps de fonctionnement de 8 h.
Les calculs sont menés pour :
• des profondeurs de 0,60 et 1,20 m et un pas de 0,40 m.

• des profondeurs de 0,80 et 1,40 m et un pas de 0,60 m ;
25
PROFESSIONNELS
Avec des profondeurs d’enfouissement moindres et un pas de tubes
plus faible, des températures plus basses (4,5°C au lieu de 6°C) sont
atteintes dans le sol. Toutefois, même si la température à proximité du
tube chute (de 1 à 0,6°C), il n’y a aucune température négative entre
les tubes.
Une plus faible profondeur d’enfouissement couplée à une diminution du pas de tubes entraîne un abaissement de la température du
sol autour et entre les tubes sans forcément provoquer une formation
de gel.
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POMPES À CHALEUR GÉOTHERMIQUES – ANALYSE DE DIFFÉRENTES TECHNIQUES DE CAPTEURS ENTERRÉS
s Figure 12 : Évolutions des températures (en °C) dans le sol pour un capteur double couche avec une
conductivité de sol de 1,8 W/(m.K), un temps de fonctionnement de 8 h et différentes profondeurs et pas
de tubes
Influence de la conductivité thermique
Il s’agit de comparer les résultats de simulations d’un capteur double
lorsque le coefficient de conductivité thermique du sol augmente de
1,8 à 2,3 W/(m.K). Le temps de fonctionnement est de 8 h.
Les calculs sont menés pour :
• des profondeurs de 0,80 et 1,40 m et un pas de 0,60 m (Figure 13) ;

• des profondeurs de 0,60 et 1,20 m et un pas de 0,40 m (Figure 14).
26
Pour des profondeurs d’enfouissement de 0,80 et 1,40 m (Figure 13), un
coefficient de conductivité thermique du sol plus élevé de 2,3 W/(m.K)
engendre des températures plus basses dans le sol, pour un même
temps de fonctionnement. Une température moyenne de sol relativement constante est obtenue entre les deux couches, de l’ordre de 2°C.
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DES
La température à proximité du tube peut être faiblement négative,
environ –0,5 à –0,6°C.
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s Figure 13 : Évolutions des températures (en °C) dans le sol pour un capteur double couche avec un
pas de tubes de 0,60 m, des profondeurs de 0,80 et 1,40 m, un temps de fonctionnement de 8 h et une
conductivité de sol de 1,8 et 2,3 W/(m.K)
Dans le cas de plus faibles profondeurs d’enfouissement (de 0,60 et
1,20 m), couplées à une diminution du pas de tubes de 0,60 à 0,40
m (Figure 14), le coefficient de conductivité thermique du sol plus élevé
de 2,3 W/(m.K) induit aussi des températures plus basses dans le sol,
pour un même temps de fonctionnement.
La moyenne des températures de sol entre les tubes est plus basse
que dans le cas précédent (de l’ordre de 1K). Une zone de températures négatives (d’environ –1°C) apparaît autour des tubes, notamment de la couche inférieure.

L’échange thermique est donc favorisé par un coefficient de conductivité thermique plus élevé. Cependant, même si la température du
sol obtenue est plus basse, il est probable que sa régénération thermique soit également favorisée par cette augmentation de conductivité thermique.
27
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POMPES À CHALEUR GÉOTHERMIQUES – ANALYSE DE DIFFÉRENTES TECHNIQUES DE CAPTEURS ENTERRÉS
s Figure 14 : Évolutions des températures (en °C) dans le sol pour un capteur double couche avec un
pas de tubes de 0,40 m, des profondeurs de 0,60 et 1,20 m, un temps de fonctionnement de 8 h et une
conductivité de sol de 1,8 et 2,3 W/(m.K)
4.4. • Conclusion de l’étude sur les capteurs
double couche
Les résultats des simulations montrent 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.
28
PARTENAIRES du Programme
« Règles de l’Art Grenelle
Environnement 2012 »
■■ Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie
(ADEME) ;
■■ Association des industries de produits de construction
(AIMCC) ;
■■ Agence qualité construction (AQC) ;
■■ Confédération de l’artisanat et des petites entreprises
du bâtiment (CAPEB) ;
■■ Confédération des organismes indépendants de
prévention, de contrôle et d’inspection (COPREC
Construction) ;
■■ Centre scientifique et technique du bâtiment (CSTB) ;
■ Électricité de France (EDF) ;
■ Fédération des entreprises publiques locales (EPL) ;
■ Fédération française du bâtiment (FFB) ;
■■ Fédération française des sociétés d’assurance (FFSA) ;
■ Fédération des promoteurs immobiliers de France (FPI) ;
■■■Fédération des syndicats des métiers de la prestation
intellectuelle du Conseil, de l'Ingénierie et du Numérique
(Fédération CINOV) ;
■ GDF SUEZ ;
■ Ministère de l'Écologie, du Développement Durable et de
l'Énergie ;
■ Ministère de l'Égalité des Territoires et du Logement ;
■ Plan Bâtiment Durable ;
■ SYNTEC Ingénierie ;
■■ Union nationale des syndicats français d’architectes
(UNSFA) ;
■ Union nationale des économistes de la construction
(UNTEC) ;
■ Union sociale pour l’habitat (USH).
N
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Les productions du Programme « Règles de l’Art Grenelle
Environnement 2012 » sont le fruit d’un travail collectif
des différents acteurs de la filière bâtiment en France.
ABL
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R A P P O RT
POMPES À CHALEUR
GÉOTHERMIQUES
ANALYSE DE DIFFÉRENTES
TECHNIQUES DE CAPTEURS
ENTERRÉS
FÉVRIER 2015
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.
Les sondes géothermiques verticales constituent une solution intéressante par le
gain de place sur un terrain. Mais les différentes méthodes de dimensionnement
utilisées en France ou en Europe n’aboutissent pas toutes au même résultat.
Deux autres types de capteurs géothermiques, moins courants à ce jour, sont
également analysés dans cette étude :
• les corbeilles géothermiques ;
• et les capteurs double couche.
P R O G R A M M E
D ’ A C C O M P A G N E M E N T
D E S
P R O F E S S I O N N E L S
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Ce programme est une application du Grenelle Environnement. Il 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.
www.reglesdelart-grenelle-environnement-2012.fr
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