Captage géothermique en parois moulées de stations de métro

Par Bastien BARDONESCHI et Jean-Baptiste BERNARD – BET ECOME

Le procédé de captage géothermique en structures de bâtiment et ouvrages (pieux, radiers, parois moulées, tunnels), couplé à une pompe à chaleur, permet une valorisation énergétique et environnementale de nombreuses installations très performantes. C’est le cas pour des projets de type stations de métro et de bâtiments environnants. La structure de l’ouvrage est alors un atout énergétique.



Cette technologie largement éprouvée, notamment en Autriche, est développée en France par ECOME et est adaptée à tous types d’ouvrages de fondations spéciales ou d’infrastructures. A titre d’exemples, plusieurs projets, sous l’impulsion du STIF et de la RATP, sont en cours de réalisation à Paris sur les lignes 12 et 14, permettant ainsi de couvrir les besoins énergétiques des stations de métro (chauffage et rafraîchissement de locaux).

Ce procédé géothermique est donc une solution intéressante à envisager dans le cadre des futures stations du Grand Paris et sur l’ensemble du territoire national pour des projets de bâtiments dont le choix de soutènement est la paroi moulée.

Principe de la production géothermique

Le principe de captage géothermique repose sur la présence d’une « boucle fermée » pour laquelle la source énergétique est constituée par le sous-sol environnant. Le fluide caloporteur circulant dans les tubes de la « boucle fermée » a alors pour rôle de récupérer l’énergie du sous-sol ou de lui en transmettre. Il est ainsi possible de chauffer ou refroidir des bâtiments avec l’énergie collectée (figure 1).

Captage géothermique

Figure 1 : Captage géothermique

Le rafraîchissement et/ou le chauffage de la station nécessite alors l’utilisation d’une pompe à chaleur (PAC), qui a pour fonction de procéder à l’échange thermique entre le circuit primaire (réseaux géothermiques) et le circuit secondaire (réseaux de distribution de l’énergie).
Néanmoins, en mode froid, un fonctionnement en free-cooling est envisageable sur ce type d’installation. L’action mécanique de la pompe à chaleur n’est alors pas utilisée et l’échange entre les deux réseaux se fait naturellement.

Principe du captage énergétique sur parois moulées

Ce procédé largement éprouvé puisque les premières réalisations remontent à 35 ans en Autriche, est développé en France par le BET ECOME à travers un partenariat exclusif avec la société autrichienne à l’origine de cette technologie. Le rôle du BET est de s’interfacer avec la maîtrise d’ouvrage, la maîtrise d’œuvre et les entreprises afin d’apporter son expertise de « géothermicien » pour la valorisation énergétique des projets, et garantir la performance des réalisations.

La solution consiste en la mise en place de tubes dans les cages d’armature des parois moulées (figure 2). Ces réseaux permettent alors la circulation d’un fluide caloporteur, vecteur d’énergie entre le terrain et la pompe à chaleur.

Cage d’armature de la paroi moulée équipée de tubes géothermiques

Figure 2 : Cage d’armature de la paroi moulée équipée de tubes géothermiques

En fonction du mode de fonctionnement du captage géothermique, en mode chaud et/ou froid, les zones équipées des parois moulées seront différentes (figure 3). Cette détermination des zones se fait au moment du dimensionnement.

Principe de captage géothermique sur parois moulées

Figure 3 : Principe de captage géothermique sur parois moulées

Les différents réseaux de captage sont collectés sous le radier ou au-dessus du radier, selon les cas. Ils sont rassemblés via des nourrices, qui sont ensuite connectées à la pompe à chaleur où l’échange thermique va avoir lieu.

Les avantages de cette géothermie résident dans la pérennité du système (supérieure à 50 ans pour le système de captage), dans la faible maintenance du système et dans la possibilité de « sécuriser » la production du système à 100% avec mise en œuvre d’une installation de relève (chaudière gaz, électricité).

Le principal avantage de ce procédé est d’utiliser directement la structure de la station comme échangeur. Cela donne une valeur ajoutée à la structure qui sert de captage énergétique en plus de sa fonction structurelle. Aucune dalle ou autre paroi supplémentaire n’est nécessaire pour le captage énergétique, ce qui n’induit pas un coût supplémentaire sur la mise en œuvre.


L’exemple Parisien du prolongement des lignes 12 et 14

Trois stations vont être équipées d’un captage géothermique au sein des parois moulées de la station : Station Mairie d’Aubervilliers (ligne 12), Stations Porte de Clichy et Mairie de Saint Ouen (ligne 14), sous maîtrise d’ouvrage STIF et RATP, avec ECOME en tant qu’expert géothermique.

Dimensionnement du système géothermique

Le captage géothermique est conçu pour satisfaire les besoins en chauffage et/ou rafraîchissement des locaux de la station. Suivant les surfaces disponibles en station, la couverture énergétique d’ouvrage située à proximité de la station est envisageable (bâtiments tertiaires ou de logements, centres commerciaux,…).

Le système géothermique interagissant avec le sol, il est nécessaire de déterminer les caractéristiques thermiques de celui-ci pour les zones de captage considérées. Pour cela, un test de réponse thermique (TRT) est réalisé. Cette étape permet de mesurer les caractéristiques thermiques du sous-sol in situ, qui sont indispensables pour le dimensionnement du système et la garantie de la performance à long terme de l’installation. Les caractéristiques déterminées lors du TRT sont notamment la température et la conductivité thermique du sous-sol sur la hauteur considérée.

Le dimensionnement du captage géothermique permet principalement de déterminer la surface de captage nécessaire à équiper en réseaux géothermiques dans les parois moulées.

Cette surface doit répondre aux besoins énergétiques à couvrir et ceci en fonction :


  • Des caractéristiques des besoins (chaud ; froid ; chaud + froid et ratio chaud/froid) ;
  • Des spécificités de la paroi et du sous-sol environnant ;
  • Des conditions de températures dans la station ;
  • Des conditions au secondaire de la PAC.

Le débit de fluide caloporteur dans les réseaux géothermiques est déterminé de façon à ce que le régime d’écoulement soit turbulent afin d’augmenter l’échange thermique. Le dimensionnement hydraulique des réseaux doit être réalisé de manière à ne pas avoir des pertes de charges trop importantes, ce qui conduirait à un surdimensionnement des pompes de circulation.

Les simulations thermiques sont réalisées sur l’ensemble de la surface de captage considérée en fonction du mode de fonctionnement chaud et/ou froid.

Les performances du système sont basées sur un choix par la maîtrise d’ouvrage d’un pourcentage de couverture de la puissance maximale à satisfaire sur les ouvrages concernés.

Mise en oeuvre technique du système de captage géothermique

Le choix du soutènement dépend du contexte géotechnique et de la profondeur du projet. Dans le cas où la paroi moulée est choisie comme ouvrage définitif, le captage géothermique peut être mis en place. La mise en œuvre du procédé géothermique suit alors le mode constructif de la station de métro et des interventions sont prévues aux différentes phases du projet par l’entreprise en charge de l’exécution.

Suite au dimensionnement réalisé en phase d’exécution, les linéaires de tubes et les cages d’armatures concernées par le captage sont connus. L’équipement des cages d’armatures peut de ce fait être entrepris.

Les tubes de captage sont fixés à l’aide d’attaches métalliques à la structure métallique des parois moulées, tels que les filants et cadres (figure 4). Les réseaux géothermiques présents sur la périphérie des cages procèdent à plusieurs allers-retours sur la longueur équipée.

Cage équipée de tubes de captage géothermique

Figure 4 : Cage équipée de tubes de captage géothermique

Suivant le cheminement et la longueur des réseaux géothermiques dans la cage, il peut être nécessaire de procéder à un raboutage. Le raboutage consiste à assembler deux réseaux à l’aide d’éléments de raccordement.

Lors de la descente des cages d’armature, des raboutages de réseaux géothermiques entre deux éléments de cage sont envisageables. Les cages sont alors retenues au niveau du sol afin de procéder aux opérations de raccordement (figure 5). Cette opération est brève et est réalisée par l’entreprise en charge de l’exécution et en relation avec les fondeurs lors de l’assemblage de deux éléments de cage d’armature.

Raboutage de tubes géothermiques

Figure 5 : Raboutage de tubes géothermiques

La récupération des tubes géothermiques dans la paroi, à l’endroit prévu à cet effet dans la station de métro, nécessite d’aménager une sortie des tubes de la paroi moulée.

La récupération des tubes est opérée une fois que le décaissage de la station est réalisé. Cette étape peut alors être réalisée plusieurs mois après la mise en œuvre des parois moulées, où les tubes géothermiques sont ainsi en attente.
Lorsque que les tubes géothermiques en parois ont été mis à jour, des liaisons horizontales permettent de les raccorder aux collecteurs géothermiques. Ces derniers peuvent recevoir de 2 à 20 réseaux et ont pour fonction de centraliser le flux hydraulique vers la pompe à chaleur.

La dernière étape de la mise en œuvre de ce procédé de captage consiste au remplissage et aux purges des circuits géothermiques. Les collecteurs sont par la suite laissés en attente avant leur raccordement à la pompe à chaleur par le lot en charge du Chauffage Ventilation Climatisation (CVC).

Exemple de la station de métro « Porte de Clichy » de la ligne 14

La ligne 14 de métro parisien relie la station « Saint-Lazare » à la station « Olympiades » et va être prolongée côté « Saint Lazare » avec 4 stations de prévues, dont la station « Porte de Clichy ».

La mise en place d’un captage d’énergie géothermique couplé à une pompe à chaleur dans les parois moulées est prévue dans le cadre de la valorisation énergétique du réseau RATP. Ce captage énergétique a pour objectif le chauffage et le rafraîchissement des locaux d’exploitation (bureaux, vestiaires, sanitaires) et techniques de la station.

La surface de captage géothermique prévue est de 3 724 m², située en partie inférieure au radier et au niveau du radier jusqu’au sous-quai, et ceci sur les côtés longitudinaux de la station. Les parois moulées ont une hauteur totale de 48 mètres.

La récupération des tubes géothermiques sera réalisée au niveau du sous quai de la station, où les liaisons horizontales et les collecteurs géothermiques seront également disposés. Un local au sein de la station sera dédié à l’installation de la pompe à chaleur.

Procédé adapté à différents types d'ouvrages en parois moulées

Ce type de procédé géothermique utilisé pour le chauffage et/ou le rafraîchissement peut être appliqué à tout type d’ouvrage dont le choix de soutènement est la paroi moulée, ce qui est un des atouts non négligeables de cette technologie. S’ajoute à cela l’avantage d’utiliser des structures indispensables à la construction de l’ouvrage comme source d’énergie.

Ce procédé est déjà appliqué sur différents types d’ouvrages notamment en Autriche, Angleterre, Allemagne, Suisse, Canada ou en Chine, sur des centres commerciaux, des parkings, des bâtiments de bureaux ou de logements, des stations de métro, ou des hôpitaux.

Les acteurs du projet

Maître d'ouvrage
RATP et STIF

Bureau d’études géothermie
ECOME

Mise en oeuvre systèmes captage :
Géothermie-professionnelle

Construction stations:
Station mairie de Saint Ouen : Soletanche Bachy
Station porte de Clichy : Eiffage
Station Aubervilliers : Botte fondations

Les chiffres clés

- 2 stations de la Ligne 14 et 1 station de la Ligne 12 avec captage géothermique

- Hauteur totale des parois moulées de la station Porte de Clichy - L14: 48 mètres

- Surface de captage géothermique de la station Porte de Clichy - L14: 3724 m²

- Pérennité du système supérieure à 50 ans



Par Bastien BARDONESCHI et Jean-Baptiste BERNARD
Bastien BARDONESCHI est ingénieur d'études au BET ECOME et Jean-Baptiste BERNARD est gérant d'ECOME

SOURCES ET LIENS

Commentaires

Aucun commentaire actuellement, soyez le premier à participer !

LAISSER UN COMMENTAIRE

ABONNEZ-VOUS !
En validant ce formulaire, vous acceptez que les informations saisies soient transmises à l’entreprise concernée dans le strict respect de la réglementation RGPD sur les données personnelles. Pour connaitre et exercer vos droits, vous pouvez consulter notre politique de confidentialité
Suggestions

Coup de projecteur sur les innovations « solutions techniques » d’EnerJ-meeting Paris 2024

Coup de projecteur sur les innovations « solutions techniques » d’EnerJ-meeting Paris 2024

Découvrez les dernières avancées technologiques au cœur d’EnerJ-meeting Paris 2024. Explorez les solutions techniques qui façonneront l’avenir de l’industrie du bâtiment.


EnerJ-meeting Paris 2024 : Les outils et solutions disruptives pour des bâtiments sobres et efficaces

EnerJ-meeting Paris 2024 : Les outils et solutions disruptives pour des bâtiments sobres et efficaces

EnerJ-meeting Paris 2024 : Journée incontournable pour les professionnels du bâtiment. Découvrir comment les acteurs du bâtiment peuvent construire plus durable grâce à des solutions efficaces.


Nouvel Espace pro Hitachi, certainement la meilleure docuthèque du marché

Nouvel Espace pro Hitachi, certainement la meilleure docuthèque du marché

Hitachi se consacre à la création de services et d’outils innovants pour améliorer la vie de ses clients.


Conception d’une solution PAC hybride collective : les points d’attention

Conception d’une solution PAC hybride collective : les points d’attention

Solution PAC hybride collective : l’alliance parfaite entre efficacité énergétique et performance.


Construire et rénover : 1. Sobriété - 2. Efficacité - 3. Décarbonation, venez échanger à EnerJ-meeting Paris

Construire et rénover : 1. Sobriété - 2. Efficacité - 3. Décarbonation, venez échanger à EnerJ-meeting Paris

EnerJ-meeting Paris, le grand rendez-vous de toute la filière des décideurs du bâtiment fait peau neuve au Carrousel du Louvre le 6 Février 2024


Armoires électriques de chaufferie : pour le collectif, le tertiaire et l’industrie

Armoires électriques de chaufferie : pour le collectif, le tertiaire et l’industrie

Cette partie explore la problématique cruciale des armoires électriques de chaufferie, essentielles pour la gestion efficace des équipements de chauffage, de climatisation et de production.


Géothermie de surface avec pompe à chaleur, études et innovations

Géothermie de surface avec pompe à chaleur, études et innovations

Découvrez les dernières avancées dans le domaine de la géothermie de surface, où les pompes à chaleur (PAC) exploitent la chaleur du sous-sol.


Déshumidification de locaux et déshumidification de piscines

Déshumidification de locaux et déshumidification de piscines

Explorer les solutions de déshumidification pour locaux et piscines, pour un contrôle efficace de l'humidité.


Chauffage hybride de logements collectifs avec pompe à chaleur et chaudière

Chauffage hybride de logements collectifs avec pompe à chaleur et chaudière

Cette expertise vise à optimiser les performances énergétiques des logements collectifs en combinant chaudières à gaz naturel et pompes à chaleur, en réponse aux normes réglementaires et aux e


DPE : un toilettage est nécessaire, les adaptations à apporter

DPE : un toilettage est nécessaire, les adaptations à apporter

Optimisez votre DPE pour une efficacité énergétique maximale et réduire sa consommation d'énergie.


Performance des chaudières gaz condensation à 3 piquages

Performance des chaudières gaz condensation à 3 piquages

Les avantages des chaudières à gaz à 3 piquages : économies d’énergie et réduction des émissions.


Bilan 2023 des ventes d'équipements de CVC : il y a des chiffres positifs !

Bilan 2023 des ventes d'équipements de CVC : il y a des chiffres positifs !

Bilan 2023 : Ventes d'équipements de CVC en hausse ! Découvrez les chiffres positifs et les tendances du marché.


La maison de l'innovation du groupe La Poste, HQE « EXCELLENT », E+C-, OSMOZ, BIODIVERCITY ET R2S

La maison de l'innovation du groupe La Poste, HQE  « EXCELLENT », E+C-, OSMOZ, BIODIVERCITY ET R2S

Le parc immobilier de la poste est considérable avec plus de 9 000 immeubles et 6 millions de mètres carrés.


Performances et traitement des installations de chauffage

Performances et traitement des installations de chauffage

Sentinel partage son savoir-faire quant à l'optimisation du chauffage et de l'eau chaude sanitaire (ECS)


Les pompes à chaleur au réfrigérant naturel, le R290

Les pompes à chaleur au réfrigérant naturel, le R290

Les pompes à chaleur utilisant le réfrigérant naturel R290 sont des systèmes innovants qui exploitent les propriétés thermodynamiques exceptionnelles de ce fluide frigorigène écologique.