Les pieux énergétiques : étude de faisabilité

Revue Scientifique des Ingénieurs Industriels n°26, 2012.
Les pieux énergétiques : étude de faisabilité
Ing. D. BOURGEOIS
ECAM – Bruxelles
Cette étude centralise différentes informations sur l’influence qu’entraine la
transformation d’un pieu classique en pieu énergétique sur son
dimensionnement et sa mise en œuvre. Il y est aussi question de l’estimation
des performances d’une installation de pieux énergétiques, de ses influences
(sur le sol, les pieux eux-mêmes et le bâtiment qu’ils soutiennent) ainsi que
d’une analyse coûts/bénéfices d’un tel projet.
Mots-clefs : économies d’énergie pour nouvelles constructions, pieux
énergétiques, géothermie, échange de chaleur, pompe à chaleur,
dimensionnement
The aim of this report is to centralize different informations on the influence
of the transformation of a classical pile in an energy-giving pile on its
design and its set-up. An estimation of the performances of an energy-giving
piles installation, its different influences (on the ground, on the piles
themselves and on the building they are supporting) as well as a
cost/benefits analysis of such a project are also provided.
Keywords : energy savings for new buildings, energy-giving piles,
geothermal, heat exchange, heat pump, design

112
1. Introduction
Nos soucis et connaissances sur l’environnement et sur les ressources
naturelles grandissent d’année en année. A ce jour, notre consommation et
notre utilisation des énergies fossiles sont au centre de nombreuses
réflexions. Leurs substituts, les énergies renouvelables, ne cessent de gagner
en importance. Le domaine de la construction joue un rôle primordial dans
la diminution des quantités d’énergie utilisée (isolation, vitrage, ventilation,
etc.) et dans leurs provenances (solaire, éolien, géothermie, etc.).
L’évolution des prix des matières fossiles pousse à une utilisation plus
importante de toutes les techniques mises à notre disposition.
De nos jours, aucune énergie alternative ne semble pouvoir remplacer
intégralement les énergies fossiles et le nucléaire. Par contre l’utilisation
optimale de l’ensemble de toutes les techniques alternatives pourrait un jour
remplacer cette dépendance. Notre étude voudrait déterminer dans quelle
mesure le recours à des pieux énergétiques peut participer aux défis qui
s’offrent à notre société.
Un pieu énergétique ou pieu échangeur a, contrairement à un pieu classique,
deux fonctions. La première est de reprendre des charges et donc d’assurer
la stabilité de la construction qu’il supporte. Sa deuxième fonction est
d’assurer à coûts énergétiques très réduits, par l’ajout de tubes échangeurs
dans le pieu, le réchauffement ou le refroidissement du bâtiment. Les tubes
échangeurs se trouvant dans les pieux permettent une captation ou une
injection de chaleur dans le sol grâce à une pompe à chaleur.
Le but de cet article est de faire découvrir les avantages et limites des pieux
énergétiques. L’objectif est donc d’améliorer nos connaissances sur ce
système et de donner des pistes de réflexion afin d’encourager le recours à
cette solution, d’orienter la recherche en vue de l’amélioration de ses
performances et du perfectionnement des techniques de leur mise en œuvre.

113
2. Les pieux énergétiques
2.1 Principe général
Le pieu énergétique, ou pieu échangeur, est un pieu classique, qui permet de
supporter des charges, mais il est parcouru par un réseau de tubes. Ce réseau
de tubes permet de capter l’énergie du sol grâce au liquide caloporteur
contenu dans celui-ci. Les différents réseaux sont reliés ensemble à une
pompe à chaleur.
Figure 1 : Vue d'ensemble
L’utilisation de pieux énergétiques se fera uniquement pour les bâtiments
déjà prévus sur pieux étant donné le coût élevé de leur réalisation. On utilise
un système de fondation profonde quand une fondation superficielle ne peut
combler certains problèmes techniques (pouvoir portant, déformation) ou
économiques. L’augmentation du prix des énergies et l’amélioration des
techniques de construction et de mise en place des pieux rendront peut-être
un jour ce dernier critère négligeable. Des pieux déjà existants ne peuvent
être transformés en pieux énergétiques, ce système ne convient donc pas
pour la rénovation.
Les types de construction sur pieux sont généralement de grands bâtiments à
vocation publique, industrielle ou à appartements. Ce type de bâtiments a,
selon les périodes de l’année, de grands besoins de chauffe ou de
refroidissement, ce qui convient bien à première vue aux pieux
énergétiques. Pour les projets individuels ou de petite taille un système de
captation classique (horizontale ou verticale) est plus intéressant.
Le nombre de pieux, leur longueur et leur diamètre sont fonction des règles
de dimensionnement. La surface d’échange totale sera donc fixée par la
dimension du bâtiment.

114
L’ajout de la fonction d’échangeur de chaleur à un élément de structure peut
se faire avec tous les éléments en contact avec le sol. La capacité de
stockage et la conductivité thermique du béton et du béton armé sont idéales
pour absorber les calories du terrain. Ce travail n’étudie que les pieux mais
les murs de soutènement, les tunnels, les parois moulées, etc, peuvent aussi
être transformés en géostructures énergétiques.
2.2 Les différents composants
Le système de captage
Le système de captage doit être réalisé dans un matériau stable au cours du
temps avec de bonnes propriétés thermiques et doit pouvoir résister au
chaud, au froid, à la corrosion et au béton. Il doit avoir aussi une bonne
résistance aux produits chimiques, une faible résistance hydraulique et un
prix attractif. Le polyéthylène est un matériau qui possède une grande partie
de ces propriétés et est donc le matériau le plus utilisé pour les échanges de
chaleur. Mais sa conductivité thermique étant assez mauvaise, il faut que
son épaisseur soit réduite au minimum mais elle doit toujours être suffisante
pour résister aux efforts qui le sollicitent. C’est logiquement le diamètre et
la longueur du pieu qui influencent son épaisseur. Les tubes échangeurs ont
une épaisseur tournant autour de 1,5 à 2,5mm pour un diamètre extérieur
variant de 16 à 32mm.
Les tubes sont placés en U, leur nombre variant en fonction du diamètre du
pieu. En effet le diamètre permet de modifier l’espacement entre les tubes.
Cet espacement doit suivre certaines règles pour avoir un rendement idéal
Le fluide caloporteur
Les calories sont transportées du sol vers la pompe à chaleur par le fluide
caloporteur. Ce fluide circule en circuit fermé entre les pieux et un
collecteur relié à la pompe à chaleur. Le fluide est composé soit d’eau claire
soit d’un mélange d’eau et d’antigel. L’eau claire n’est que rarement utilisée
car il y a un risque de gel de l’échangeur de chaleur. Si le liquide n’est
utilisable qu’a certaines périodes, la durée d’utilisation du système diminue.
Le mélange d’eau et glycol (20 à 30%) permet une utilisation permanente
du système.

115
Le système de chauffage
Les calories transportées par le fluide caloporteur jusqu'à la pompe à chaleur
sont transférées par celle-ci au fluide de chauffage (généralement de l’eau
chaude). L’eau chaude peut être utilisée pour les systèmes de chauffage à
basse température (du type plancher chauffant) ou pour les systèmes
sanitaires.
3. Dimensionnement
L’intégration dans un projet d’un tel système doit se faire dès le départ car il
n’est plus possible de le modifier pendant la construction. Les
caractéristiques du bâtiment et du sol comme par exemple le nombre, la
dimension et le type de pieux, les caractéristiques thermiques du sol, les
besoins énergétiques du bâtiment et l’hydrogéologie locale doivent être
connus le plus précisément possible pour une intégration optimale des pieux
énergétiques.
Le calcul de la quantité d’énergie pouvant être extraite ou injectée dans le
sol pour satisfaire tout ou partie des besoins thermiques du bâtiment, c'est-à-
dire la détermination des performances énergétiques d’un groupe de pieux
énergétiques, demande une connaissance approfondie des éléments
suivants :
o Les caractéristiques (propriétés thermiques et hydrogéologie local) du
terrain ;
o Le type, les dimensions et les quantités des éléments de fondation ;
o Les caractéristiques de la (ou des) pompe(s) à chaleur ;
o La conception et les besoins énergétiques du bâtiment.
3.1 Caractéristiques géologiques et hydrologiques
Pour définir au mieux le potentiel du sol il faut connaitre entre autres ces
caractéristiques géologiques : la présence ou non de nappe d’eau
souterraine, son humidité et sa température. Il faut également connaitre ces
caractéristiques thermiques et d’écoulement :