Modélisation d'une fondation géothermique ventilée naturellement par réduction de modèle

International audienceFace aux exigences de confort thermique croissantes de la part des usagers des bâtiments mais aussi aux contraintes de rationalisation des consommations énergétiques, les systèmes passifs contribuant au conditionnement des ambiances apparaissent comme étant une solution prometteuse par rapport aux enveloppes statiques, standard de la réglementation actuelle. Les échangeurs air-sol (plus connus sous le nom de puits canadiens ou puits provençaux), permettent selon les besoins de préchauffer ou rafraîchir l'air extérieur injecté dans le bâtiment en bénéficiant de la capacité de charge et de décharge thermique du sol. L'intégration de systèmes passifs en double-façade commence à émerger, en revanche celui de type puits canadien est assez limité. D'une part, ces composants souffrent souvent d'un manque de place sur le terrain d'implantation du bâtiment et d'un surcoût important nécessaire à l'enfouissement des gaines de ventilation. D'autre part, le système n'est pas complètement passif puisque son fonctionnement implique généralement le recours à une ventilation mécanique. C'est pourquoi cette étude envisage un couplage entre une cheminée solaire et un échangeur air-sol innovant composant d'enveloppe : une fondation géothermique. La cheminée solaire permet d'optimiser ce système de prétraitement de l'air, en réduisant la consommation électrique du ventilateur. En effet, en s'échauffant au sein de la cheminée, l'air va créer un tirage naturel dans le bâtiment engendrant ainsi une circulation naturelle dans l'échangeur. En outre, la fondation préfabriquée en béton, creuse, remplace la conduite classique d'un puits canadien (généralement en PVC). Puisque les fondations sont indissociables de tout bâtiment, la réalisation de tranchée ou de déblais/remblais supplémentaires devient inutile et l'emprise au sol du bâtiment est ainsi réduite. L'objet de ce travail est donc le développement d'un modèle thermo-aéraulique de la fondation géothermique, et de son couplage avec une cheminée solaire. Le modèle de fondation est dynamique et basé sur la méthode des volumes finis. Il prend en compte les transferts de chaleur sensible en 3D dans le sol, ainsi que les échanges sensibles et latents entre l'air circulant et les parois internes de la fondation. Le modèle de cheminée solaire s'appuie sur l'évaluation des transferts de chaleur en 1D perpendiculairement à la section fluide pour estimer l'élévation en température de l'air, et ainsi la dépression induite dans le bâtiment puis dans la fondation. Le modèle doit permettre d'évaluer les performances d'une situation réelle, c'est-à-dire un bâtiment équipé d'une fondation géothermique de plusieurs dizaines de mètres et de mener une analyse sur une année complète. Une étude relativement précise de la fondation nécessite un maillage fin, ce qui, sous les conditions précédentes, implique d'avoir recours à une technique réduction de modèle d'état afin d'obtenir des résultats en un temps de calcul raisonnable. Plusieurs méthodes visant à réduire le problème de conduction de la chaleur en 3D dans le sol sont donc mises en place et comparées dans le but d'identifier le meilleur compromis précision/temps de calcul. Cette étude s'inscrit dans le cadre du projet FUI 16 Fondatherm, financé par la BPI