Dimensionner des installations géothermiques intégrant le géocooling dans les bâtiments tertiaires et collectifs
Acronyme : GEOCOOLDIM (APRED 2025)
Programme : Appel à projets de recherche - Énergie Durable : production, gestion et utilisation efficaces et à moindre impact
Mots-clés : Energie
Contexte : La géothermie de surface peut répondre aux enjeux d’adaptation des bâtiments au changement climatique en produisant le froid nécessaire en été. Ce service supplémentaire à la production de chauffage contribue à réduire le CAPEX de l’installation en réchauffant le sol d’une année sur l’autre, ce qui augmente l’efficacité globale du système et réduit la longueur d’échangeur nécessaire. Le recours à la géothermie en été peut être particulièrement efficace en refroidissant directement l’eau par circulation dans les sondes géothermiques, sans passer par la pompe à chaleur. Cette technique de rafraichissement très simple et extrêmement efficace est appelée géocooling ou freecooling . En outre, elle contribue à éviter les ilots de chaleur urbains et permet de recharger thermiquement le sol améliorant ainsi les performances de la pompe à chaleur en hiver. Cependant, cette méthode de rafraichissement est dite passive, c’est-à-dire qu’il n’est pas possible de contrôler la température en entrée du bâtiment, ce qui peut mener à une limitation des performances de rafraichissement si le sous-sol est trop chaud. Le dimensionnement de ces installations, en particulier pour les bâtiments tertiaires et logements collectifs nécessitant des champs de sondes, est complexe. En effet, il est nécessaire de prendre en compte de manière dynamique l’ensemble du système énergétique, jusqu’aux déperditions du bâtiment, sur plusieurs années, c’est-à-dire pour un fonctionnement en chauffage et en rafraichissement. Les bureaux d’études sont dépourvus d’outils pour concevoir ces installations et évaluer leurs performances, en particulier en rafraichissement et sur le confort d’été. Beaucoup de bureaux d’étude thermique ont besoin de ce type d’outil pour proposer de manière plus fiable et convaincante la géothermie à leurs clients. L’intérêt des développeurs d’outils numériques de dimensionnement thermique du bâtiment et du système énergétique, ainsi que des bureaux d’études utilisant ces outils, est donc évident. Il est aujourd’hui encore nécessaire d’effectuer des recherches en connaissances nouvelles sur ces questions : Comment améliorer les performances du rafraichissement géothermique passif permettant un taux de couverture et de confort optimal ? Comment prendre en compte ces performances de manière précise et efficace lors du dimensionnement sur toute la durée de vie de l’installation ?
Description : La première partie du projet est une étude théorique du géocooling comme point de jonction de la modélisation du transfert thermique dans le sous-sol et dans le bâtiment, en lien avec les performances du système énergétique de surface produisant le rafraichissement et/ou le chauffage, avec les différences de physique et d’échelle que cette approche intégrée entraine. Les résultats de cette étude permettront ensuite l'établissement d'abaques d'aide au dimensionnement dans les premières phases de conception, et l'établissement par simplification et modularisation du modèle complet d'une approche simple de prise en compte du géocooling dans le système énergétique global, en fonction des différentes approches de dimensionnement et des différentes architectures rencontrées. Cette simplification permettra en dernière partie le développement de plusieurs (au moins trois) modules logiciels sur différentes plateformes numériques de simulation thermique dynamique du bâtiment. Ces modules seront directement utilisable par les bureaux d'études pour mieux évaluer la pertinence d'une installation de géothermie de surface utilisant le géocooling. Les différents résultats théoriques et logiciels seront communiqués largement aux différents acteurs du milieu à travers des communications en salons professionnels ou dans des revues scientifiques à comité de lecture. Un colloque final pour présenter les résultats du projets aux acteurs de la filière sera organisé pour clôturer le projet.
Objectifs et résultats attendus : L’objectif principal du projet est de mettre à disposition des bureaux d’études une panoplie d’outils d’aide à la conception des installations énergétiques de chauffage et refroidissement utilisant la géothermie de surface et en particulier le rafraichissement par géocooling dans les bâtiments tertiaires et collectifs. L’objectif scientifique de la première partie porte sur la compréhension du fonctionnement et la détermination des grandes caractéristiques d’une stratégie de contrôle du rafraichissement passif (géocooling) efficace. Par la suite, le premier objectif technique sera de simplifier l’approche scientifique de la première partie pour permettre une implémentation fiable et efficace des systèmes de géocooling dans les différents logiciels de calcul numérique utilisés par les bureaux d’études. Enfin ce travail permettra la prise en compte du géocooling dans plusieurs logiciels de calcul numérique spécialisés dans la simulation thermique dynamique (STD) du bâtiment ou dans la simulation énergétique dynamique (SED) des systèmes produisant l’énergie nécessaire aux bâtiments. Il est important de noter que le projet ne s’intéressera qu’aux bâtiments tertiaires et collectifs demandant des puissances thermiques supérieures à quelques dizaines de kilowatts en chauffage et rafraichissement, et restant dans le cadre de la géothermie de minime importance (GMI). Les échangeurs géothermiques qui seront investigués seront donc principalement les champs de sondes géothermiques verticales, et les doublets sur aquifère peu profond.
Bénéficiaire : BRGM
Localisation : Orléans, Centre-Val de Loire, FRANCE
Début : 30/11/2025 — Durée : 36 mois
Budget total : 367660.36 € — Aide ADEME : 300000 €
Statut : Suivi du projet