Les géostructures thermiques consistent en l’équipement sur les armatures des pieux, parois moulées ou autres types d’ouvrages enterrés profondément, de tubes dans lesquels circule un fluide caloporteur.

Par l’intermédiaire de ce fluide les calories présentes en sous-sol sont récupérées et transférées vers une pompe à chaleur située dans l’ouvrage construit afin de le chauffer. Le dispositif peut également être utilisé pour rafraîchir ou refroidir le bâtiment (injection de chaleur dans le sol dans ce cas).

Le dispositif est adossé le cas échéant à une source de chauffage d’appoint, en fonction de sa capacité à couvrir tout ou partie des besoins.

Les applications principales sont pour les bâtiments tertiaires et les logements, elles peuvent également être utilisées dans des ouvrages d’infrastructures (gares, parkings, ...) pour chauffer les locaux techniques ou des ouvrages annexes.

Ces structures présentent peu de pathologies. La fiche est donc orientée sur les risques essentiellement liés à l’impropriété à destination qui peuvent engager la responsabilité décennale des participants à sa conception et mise en œuvre : BET, entreprises, etc.

Côté conception, on peut noter :

• la mise en œuvre de solutions ne satisfaisant pas à la demande de chauffage et/ou de rafraîchissement du bâtiment, c’est-à-dire aux niveaux de température demandés, peut conduire à une impropriété du bâtiment ;
• d’importantes sollicitations thermiques (extraction/recharge de calories) au sein des géostructures peuvent induire à terme des fissurations du béton des pieux, parois moulées, radiers notamment en cas de mauvais dimensionnement.

En raison d’une mauvaise prise en compte des caractéristiques thermiques du sol, celui-ci ne se recharge pas et s’épuise en termes de calories disponibles.

Pour les risques liés à l’exécution, on relève le point suivant :

• la mise en œuvre des tubes au sein du béton de la géostructure peut s’avérer délicate en raison de contraintes fortes. Cela peut entraîner une dégradation de ceux-ci et les rendre inopérants lors de la mise en fonction.

Cette difficulté peut se produire sur plusieurs pieux des fondations d’un bâtiment et réduire le taux de couverture du besoin que l’installation est censée satisfaire.

Les principaux risques constatés sont :

> lors de l’étude de faisabilité, une mauvaise prise en compte du test de réponse thermique du sol et/ou une mauvaise évaluation des capacités thermiques du sol peuvent conduire à la mise en œuvre de solutions ne satisfaisant pas à la demande de chauffage/rafraîchissement du bâtiment.


Raccordement des tubes et pose des collecteurs. Source : Géothermie professionnelle.

Le sol se régénère naturellement à des rythmes différents en fonction des caractéristiques thermiques du sol (conductivité, capacité thermique). La présence de circulation d’eau dans les terrains ou un fonctionnement du dispositif en extraction (production de chaleur)/injection (production de froid) peuvent favoriser la recharge thermique du sol.

Un mauvais dimensionnement ne prenant pas en compte ces paramètres de recharge du sol, ou bien conduisant à des prélèvements excessifs à long terme, peut conduire à un épuisement de la ressource.Le prélèvement des calories peut à terme modifier les propriétés mécaniques des terrains de fondations, en cas d’injection à long terme de températures négatives provoquant un gel du sol.

> les fissurations potentielles du béton trouvent leur origine dans l’absence de prise en compte des effets thermiques lors du dimensionnement des fondations et parois moulées. La zone de sortie des tubes introduits dans la fiche d’une paroi moulée peut constituer une zone de faiblesse et introduire de la fissuration localisée ; 

> l’absence de fonctionnement de tout ou partie de l’installation peut être due à une difficulté d’exécution rencontrée par l’entreprise de fondations  spéciales. Une mauvaise reconnaissance des sols peut être à l’origine de ces difficultés comme pour tout chantier de fondations profondes, parois moulées, radiers ;

> le dysfonctionnement de tout ou partie de l’installation peut trouver son origine dans l’absence de réalisation de boucles indépendantes permettant de shunter la partie défectueuse et laissant le reste de l’installation en fonctionnement.

Image : Raccordement des tubes et pose des collecteurs.
Source : Géothermie professionnelle

Comment réduire les risques ?

• L'ouvrage doit avoir des fondations profondes dès sa conception, une préférence sera accordée aux terrains avec circulation d’eau pour recharge en calories.
• Un test de réponse thermique du sol doit être réalisé dès l’étude de faisabilité dans le cas où aucun dispositif de relève n’est prévu. Dans le cas contraire, il peut être réalisé en phase exécution afin de définir le taux de couverture exact des besoins par l’installation de géothermie.

Les études des besoins comprennent :

> l’étude des ressources exploitables (BET géothermie) ;
> le dimensionnement thermique (BET thermique) ;
> le dimensionnement hydraulique (BET thermique et structure) ;
> le dimensionnement mécanique (BET géotechnique et structure).

•  La conception doit se faire par itérations successives entre les différents BET intervenants.

Source : Journée technique du CFMS 5 octobre 2017

Les BET doivent être spécialisés dans la conception et le dimensionnement de ces installations.

•  Le delta de température dans l’ouvrage doit être limité et pris en compte dans le dimensionnement afin de prévenir la fissuration des ouvrages.
•  La présence du même BET géothermique de la conception au suivi d’exécution est fortement recommandée.
• Afin de limiter le risque d’impropriété, il est à prévoir que la géothermie ne soit pas le seul équipement de chauffage/refroidissement.
• Lorsque la fiche des parois moulées est équipée, la sortie des tubes doit se faire au-dessus de la jonction radier/paroi (cas des gares par exemple).
• Les équipements des ouvrages doivent être mis en œuvre par des entreprises disposant d’une expérience pour la conception et la mise en   œuvre de ces dispositifs. Cela est d’autant plus important qu’aucune intervention n’est possible a posteriori.
• Une procédure de mise en service de l’installation doit être prévue et validée par l’ensemble de l’équipe de conception. Il en est de même pour les actions de maintenance de l’installation. 
• La réalisation de boucles indépendantes reliant des groupes de pieux permet en cas de problème de shunter la boucle défectueuse. Dans ce cas le défaut d’un ou plusieurs pieux ne remet pas en cause l’ensemble de l’installation, il réduit uniquement le taux de couverture des besoins.

Image: Mise en place des cages d’armatures des pieux équipées.
Source : Géothermie professionnelle

• Intégrer la composante géothermique le plus en amont possible dès la phase d’étude de faisabilité du projet.
• Impliquer tous les acteurs du projet de construction.
• Définir le plus précisément possible les caractéristiques hydrogéologiques et géothermiques du sol.
• Considérer la ressource géothermique comme une énergie renouvelable qui devient limitée si un soin n’est pas apporté à son exploitation.
• Définir le système échangeur en fonction des besoins énergétiques et surtout des caractéristiques du milieu exploité.

•  NF P94500.
• Recommandations pour la conception, le dimensionnement et la mise en œuvre des géostructures thermiques, CFMS 01/2017.

> Télécharger la fiche pathologie TP Désordres sur les géostructures thermiques