Caractéristiques thermiques du sol

La puissance qui est récupérable par un dispositif géothermique de surface dépend directement de la différence entre la température du sol et la température ambiante. Cette différence est notamment gouvernée par la capacité du sol à absorber le rayonnement solaire et par son inertie thermique. En effet, bien que le sol réponde à la température extérieure sa réponse est toujours déphasée et amortie. Il sera ainsi plus froid que l’air en été et plus chaud en hiver.

Température du sol

Il existe deux types de méthodes couramment utilisées pour obtenir la température du sol en fonction du temps et de la profondeur, celles analytiques et celles numériques.

Méthodes analytiques
Une première approche consiste à trouver une équation qui permet de facilement calculer la température. Une possibilité est de considérer le sol comme un solide semi-infini dans lequel seul le transfert de chaleur par conduction et suivant la loi de Fourier est considéré. Ces approximations permettent de calculer un gradient de température pour le sol en fonction de la profondeur. Pour une profondeur donnée, la variation est sinusoïdale et dépend uniquement des variations annuelles de la température à la surface (Kusuda & Achenbach, 1965).

Modèles numériques
Une autre méthode plus précise pour calculer la température du sol consiste en une analyse numérique du sol. Le domaine physique est alors transformé en un réseau de mailles dans lesquelles les équations de conservation sont appliquées. Sont généralement considérées comme énergie entrante dans le domaine : les radiations solaires et la convection avec l’air. Pour l’énergie sortante : les radiations émissent par le sol et la chaleur latente d’évaporation. Selon la précision recherchée, d’autres effets peuvent être pris en compte : comme le gel, la couverture par la neige, etc…

Cette méthode est exigeante en puissance de calcul en raison de la quantité de mailles à traiter et est donc rarement utilisée pour calculer la température du sol non perturbé. Son utilisation se justifie lorsque le domaine étudié devient plus complexe ou singulier. Notamment pour le cas où le sol est perturbé par la présence d’un échangeur ou d’un bâtiment.

Pour le cas de l’influence d’un bâtiment (Mihalakakou, Santamouris, Asimakopoulos, & Argiriou, 1995) présentent un modèle numérique permettant de calculer la température du sol dans cette configuration. Le modèle applique l’équation tridimensionnelle de transfert de chaleur à chaque volume de contrôle. Le modèle, ensuite développé dans le logiciel TRNSYS, est comparé à des données expérimentales mesurées dans le sol sous le bâtiment de la faculté de philosophie de l’université d’Ioannina. Le modèle prédit la température sous le bâtiment avec une erreur qui dépasse rarement les 0,3 °C.

Échangeurs de chaleurs géothermiques

Les échangeurs géothermiques sont constitués de tubes enterrés dans lesquels circule un fluide. Le fluide absorbe ou relâche de la chaleur dans le sol permettant respectivement de chauffer ou de climatiser. Ces échangeurs peuvent avoir différentes applications. Ils sont utilisés dans le secteur du bâtiment pour diminuer ou annuler les charges de chauffage/climatisation ainsi que dans le secteur agricole pour maîtriser l’environnement de culture et d’élevage. On peut aussi trouver ces échangeurs utilisés pour moduler la température de certains procédés industriels. Comme par exemple dans le système proposé par (Vidhi, 2014) où un échangeur à air est utilisé pour diminuer la température d’un drain thermique. L’ensemble des applications des échangeurs géothermiques à air peut être trouvé dans (Agrawal, Misra, Agrawal, Bhardwaj, & Jamuwa, 2019). Cette revue se concentrera sur les échangeurs dans le milieu résidentiel.

Échangeurs géothermiques à air (puits canadien) 

Les échangeurs géothermiques à air peuvent être nommés de différentes manières : puits canadien, puits provençal, puits climatique, échangeur géothermique air-air, échangeur air-sol, etc. Quel que soit le nom utilisé, c’est une ancienne technique pour gérer la température des habitations. Les nouvelles exigences sur la consommation des habitations en font de nouveau un sujet de recherche.

Utilisation
Pour répondre aux normes de construction, toute habitation doit être pourvue d’un système de ventilation permettant de progressivement renouveler l’air. En 2006 l’Institut National de Santé Publique du Québec estimait à 60 L/s ce débit pour une habitation de 10 pièces (INSPQ, 2006). Cet air est généralement directement prélevé depuis l’extérieur et devra donc être conditionné une fois à l’intérieur pour répondre aux exigences de confort en termes de température et d’humidité. L’objectif du puits canadien consiste à réduire la charge induite par cette entrée d’air en fournissant de l’air neuf déjà totalement ou en partie conditionné par l’échangeur géothermique.

Fonctionnement
Le principe de cet échangeur est assez simple. L’air est prélevé à température ambiante extérieure pour être envoyé sous terre dans des tubes. L’air est progressivement chauffé ou refroidi, selon les saisons, par échange thermique avec le sol. Il est ensuite diffusé dans un bâtiment.

En plus des tubes souterrains, un système de dérivation est nécessaire pour déconnecter le système dans le cas où l’effet du sol serait une contrainte pour le conditionnement de l’air. (Flaga-Maryanczyk, Schnotale, Radon, & Was, 2014) ont observé le cas où un échangeur à air refroidissait l’air ambiant pendant certains jours de l’hiver. Ce système de dérivation permet également au sol de récupérer de l’influence de l’échangeur. Le sol peut ainsi revenir à sa température non influencée lors des périodes de non-utilisation, comme la nuit pour les bureaux. Lorsque l’échangeur est utilisé sans interruption, donc sans possibilité de récupération, les performances peuvent être affectées. (Bansal, Misra, Agarwal, & Mathur, 2013) ; (Niu, Yu, Yu, & Li, 2015b).