Développement et validation expérimentale de modèles d'échangeurs géothermiques horizontaux et verticaux pour le chauffage de bâtiments résidentiels

The inreasing use of geothermal heat pumps on the French territory represents an important reduction potential of greenhouse gases emissions. To encourage this trend, it is necessary to accurately assess the annual performances of geothermal heat pumps in comparison with the other existing heating systems. In such a context, this thesis aims to establish a precise and functional model for calculating the annual energy performances of geothermal heat pumps with horizontal or vertical ground heat exchangers.After a literature review of horizontal and vertical ground heat exchangers models, the geothermal borehole models more adapted to dynamic simulations are identified and their validity ranges are reported. Concerning the horizontal ground heat exchangers, we could not find any suitable model for our purposes. A semi-analytical model, is then developed in two versions for two different time ranges of heat exchanges. To evaluate the model, an experimental set-up, equipped with an innovative device permitting a distributed temperature measurement by optical fibers is installed. A validation test elaborated and applied on the horizontal ground heat exchanger model allows to confirm its relevance. Finally, a calculation method of the seasonal performance factor is developed for heat pumps equipped with horizontal or vertical ground heat exchangers. The application of this method to a typical residential building in the climate of Orléans gives promising results.Le déploiement des pompes à chaleur géothermiques sur le territoire national représente un important potentiel de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Afin de le favoriser il est nécessaire de comparer précisément les performances annuelles des pompes à chaleur géothermiques aux autres systèmes de chauffage et ce en fonction des caractéristiques du bâtiment, du climat et du sol rencontrés. Dans ce contexte, cette thèse vise à élaborer un modèle précis et fonctionnel de calcul des performances énergétiques annuelles de pompes à chaleur à échangeurs géothermiques horizontaux ou verticaux.Après un état de l'art des différents modèles d'échangeurs géothermiques horizontaux et verticaux existants, des modèles de sondes verticales utilisables pour des simulations dynamiques sont identifiés et leurs domaines de validité sont précisés. Un modèle d'échangeur horizontal semi-analytique décliné en deux versions adaptées respectivement à des courtes et longues durées de sollicitations thermiques est ensuite développé. Un dispositif expérimental est alors mis au point bénéficiant d'une technique novatrice de mesure répartie de température du sol par fibre optique. Un essai de validation du modèle d'échangeur horizontal est ainsi réalisé et permet de confirmer la pertinence de ce dernier. Enfin une méthode de calcul du coefficient de performance annuel est développée pour une pompe à chaleur à échangeur horizontal ou vertical. L'application de cette méthode à un bâtiment type dans un climat orléanais permet d'éprouver la méthode avec de premiers résultats prometteurs