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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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

• www.ecome.fr