Lorsque les conditions sont favorables, les fondations d’un bâtiment peuvent servir d’échangeurs de chaleur, tout en puisant les calories du sous-sol.
Un des freins au développement de la géothermie réside dans le coût d’installation des infrastructures de captage (nappes ou sondes). Si certaines conditions sont réunies, une alternative est possible : celle de transformer en échangeur de chaleur, les structures en béton des fondations d’un nouveau bâtiment ou d’un nouvel ouvrage. Le cas le plus général est de noyer dans les pieux de fondation un réseau de tubes caloporteurs en plastique, fixé à la cage d’armature en acier. Toute autre fondation en béton en contact avec le sol peut être exploitée comme une paroi moulée, une dalle ou un radier. Le rendement énergétique de ces fondations thermo-actives dépend des fondations, mais aussi de la nature du sous-sol et de la conception du bâtiment. « Les pieux de fondation sont nécessaires pour la portance de bâtiments situés sur des sols de mauvaise qualité. Mais certains sols, comme le sable sec, ne conviennent pas pour la géothermie. Un sol instable avec de l’eau, du limon ou de la marne, est en revanche idéal pour les échanges thermiques des pieux énergétiques », explique Maxime Pappens, chargé d’affaires chez Rehau France. Typiquement, avec des fondations profondes de plusieurs mètres, la température du sol se maintient sur l’année autour de 12 °C, et la pompe à chaleur peut fournir de l’eau entre 25 et 40 °C, ce qui convient à un système basse température, plancher ou plafond chauffant/rafraîchissant. Si le sous-sol le permet, des calories peuvent être récupérées en période froide, et des frigories en période chaude, renforçant la rentabilité du système. Le sous-sol peut servir de stockage journalier ou saisonnier des calories.
Trente ans de retour d’expérience
L’autrichien Enercret du groupe Nägelebau a mis en œuvre pour la première fois des fondations thermo-actives en 1980. Ce système a été depuis largement exploité non seulement en Autriche (avec entre autres les parois moulées du Musée d’arts contemporains de Bregenz), mais aussi en Allemagne, en Suisse, en Angleterre et maintenant en Chine... La technique est présente en France depuis peu, le chantier le plus important est celui de la Cité du design de Saint-Étienne (42) avec une centaine de pieux énergétiques d’une profondeur de 7 à 8 mètres, fournis par Rehau France, avec comme bureau d’études thermiques Hervé Thermique (voir les CTB, n° 286). On peut aussi citer la Smac (Salle pour les musiques actuelles) d’Auxerre (21), avec 24 pieux énergétiques plantés dans la couche alluvionnaire en bordure de l’Yonne, et le parc de stationnement Vinci à Neuilly-sur-Seine (92), avec cinq nappes placées dans le radier du troisième sous-sol à 9 mètres de profondeur.
Ce dernier projet a été conçu par le BE Ecome, associé à l’entreprise de mise en œuvre Géothermie professionnelle. Présents sur de nombreux projets en cours de réalisation, ces deux sociétés sœurs sont partenaires de Rehau France et d’Enercret, dont ils sont le distributeur exclusif sur le marché français. Rehau qui commercialise son procédé de pieux énergétiques Raugéo, défend pour la matière des tuyaux du circuit primaire le recours à du polyéthylène réticulé, un produit particulièrement résistant qu’ils garantissent trente ans. « Nous sommes réservés sur l’utilisation en fondations thermo-actives d’un simple polyéthylène qui nécessite un raccord dans le pieu, du fait de son fort rayon de courbure, qui s’altère si le cœur du pieu s’échauffe et qui est moins résistant aux frottements mécaniques. Le PE réticulé est beaucoup plus performant sur ces différents sujets », avance Maxime Pappens.
Dans les boucles fermées de la tuyauterie plastique du circuit primaire circule le fluide caloporteur, en général de l’eau glycolée. Le diamètre en 20 ou 25 mm, la longueur des conduites qui varie entre 150 et 300 mètres entre le répartiteur et le collecteur, ainsi que leur écartement, sont établis par calculs énergétiques et hydrauliques. Le dimensionnement est fixé par la structure, mais il faut au moins des pieux de 300 à 350 mm de diamètre pour en faire des pieux énergétiques. Les réseaux de tuyaux peuvent être fixés en usine dans les armatures, mais sont généralement préparés sur le chantier. Enercret fournit aussi des pieux préfabriqués de diamètre 300 ou 400 mm, avec une profondeur allant jusqu’à 14 mètres et depuis peu, grâce à une jonction à montage rapide, jusqu’à 28 mètres.
Il faut aussi penser au raccordement : avec les pieux, il est préférable d’en mettre plusieurs en série, avec une boucle de type Tichelmann. Pour une dalle thermo-active comme celle du parking Vinci, l’instauration de plusieurs réseaux (cinq sur ce projet) permet de neutraliser une zone en cas de percement ultérieur accidentel d’un tuyau pendant la vie de l’ouvrage. Enfin, les circuits de tuyaux doivent être mis sous pression pendant la durée des travaux. L’éventuelle rupture de leur étanchéité est détectée par manomètre.
