Article de recherche / Research Article

Aspects géotechniques et énergétiques des géostructures thermoactives : application à un cas d’étude réel

Geotechnical and energy aspects of thermo-active geostructures: application on a real case study

¹ Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP* (*Institute of Engineering Univ. Grenoble Alpes), 3SR, 38000 Grenoble, France
² EGIS Géotechnique, Le Carat, 170 avenue Thiers, 69455 Lyon, France
³ Aquassys, 27 Rue de l’Armée Patton, ZA Les rolandières, 35120 Dol de Bretagne, France

^★ Auteur de correspondance : alice.didonna@3sr-grenoble.fr

Résumé

La technologie des géostructures énergétiques consiste à adapter les structures géotechniques, comme les pieux de fondation, les parois moulées ou les tunnels, afin de les transformer en échangeurs de chaleur avec le sol. De fait, ce sont des systèmes géothermiques à basse enthalpie, avec le gros avantage de réduire les coûts initiaux d’installation grâce à l’utilisation des structures géotechniques qui seraient réalisées dans tous les cas. Les échanges de chaleur entre la géostructure et le sol induisent des variations de température cycliques sur les deux, et l’efficacité du système doit répondre à la fois à des critères énergétiques (bonne production de chaleur ou de froid) et géotechniques-structurels (analyse des contraintes et déformations thermiques du sol et de la structure en béton), qui dépendent fortement des conditions locales du site accueillant la construction. Il s’agit donc d’un système complexe avec un comportement dépendant de différents phénomènes thermiques, hydrauliques et mécaniques, éventuellement couplés, à la fois dans le sol et dans la structure. Dans un premier temps, une vue globale des différents aspects qui jouent un rôle important dans le comportement géotechnique et énergétique des géostructures thermoactives est présentée, depuis l’échelle de l’élément de sol jusqu’à celle de l’ouvrage. Ensuite, un cas récent d’application de la technologie aux parois moulées de la gare Jules Ferry de Rennes, en France, est décrit et analysé. D’abord, les premières mesures des Tests de Réponse Thermique Opérationnels (T.R.T.O.) réalisés sur le site d’étude sont discutées. Ensuite, l’analyse porte sur les résultats de la modélisation thermo-hydraulique (TH) par éléments finis du cas d’étude et la comparaison avec les mesures in situ. Le modèle numérique permet de reproduire correctement les données expérimentales quand un écoulement souterrain est pris en compte. Les résultats montrent une bonne efficacité énergétique de la technologie qui se confirme très prometteuse.

Abstract

Energy geostructures are structures in contact with the soil, as piled foundations, walls, tunnels, equipped to exchange heat with it. They belong to the family of low enthalpy geothermal systems, with the important advantage to reduce the initial installation cost thanks to the use of structures that would be built in any case. The use of geostructures as ground heat exchangers applies cyclic temperature variations on both the structure and the soil. The efficiency of the system relies on energy criteria (good heat and cold production) and geotechnical performance (admissible thermal displacements and stresses), both depending on the specific in situ conditions. Thus, the behaviour of these structures depends on mechanical, thermal and hydraulic aspects, possibly coupled. After a global view on the different aspects that play a role in the geotechnical and energy behaviour of thermo-active structures, from the soil scale to the structure one, this paper presents a recent real case study. It is the case of the metro station Jules Ferry in the city of Rennes. The station was entirely equipped by energy geostructures (walls and slab). The first results of Thermal Response Tests on Operational conditions are analysed. The last part of the paper presents a Finite Element numerical model of the station and the results of preliminary thermo-hydraulic simulations. The results show that the in situ measurements can be well reproduced by taking into account the underground seepage. Generally, the analyses highlight a very promising energy efficiency of the application.