Avant de commencer à dimensionner les champs de forage, il est important de savoir quelles sont les informations nécessaires et où elles peuvent être trouvées. Dans ce chapitre, l'accent sera mis sur les propriétés du sol.
Propriétés du sol
Les champs de forage étant essentiellement des échangeurs de chaleur souterrains, il est assez banal que les propriétés du sol jouent un rôle important dans leur conception. Les géologues disposent de nombreuses méthodes pour classer les sols, notamment la taille des grains, la composition chimique ou les caractéristiques minéralogiques. Toutefois, pour la conception d'un champ de forage, seuls deux paramètres clés sont nécessaires :
- Conductivité thermique - la capacité du sol à conduire la chaleur
- Capacité thermique volumétrique - la capacité du sol à emmagasiner la chaleur
Les deux sont expliqués ci-dessous.
Conductivité thermique
La conductivité thermique mesure l'efficacité avec laquelle le sol conduit la chaleur. Les champs de forage interagissent à la fois avec le sol entre les trous de forage et avec le sol environnant, infini. Un champ de forage situé dans un endroit où la conductivité thermique est plus élevée permet un échange de chaleur plus efficace avec son environnement.
Par exemple, si vous avez un champ de forage avec un déséquilibre important (c'est-à-dire un champ de forage qui se refroidit année après année), il est préférable d'avoir une bonne conductivité du sol, de sorte que la distorsion thermique locale puisse être dissipée plus rapidement.
Capacité thermique volumétrique
La capacité thermique volumétrique décrit l'efficacité avec laquelle le sol peut stocker la chaleur. Elle représente la quantité d'énergie nécessaire pour augmenter la température d'un certain volume de sol de 1°C, et peut être considérée comme la capacité du champ de forage à fonctionner comme une batterie de chaleur. Lorsque nous avons mentionné précédemment que les champs de forages constituent un stockage saisonnier d'énergie thermique, c'est la raison pour laquelle nous l'avons fait.
Si un champ de forage présente un déséquilibre presque nul (ce qui signifie que la température du sol reste constante dans le temps), une capacité thermique volumétrique élevée est souhaitable, car elle permet au champ de forage d'agir comme un système de stockage saisonnier de l'énergie thermique (STES). Dans ce cas, une faible conductivité thermique est également bénéfique car elle minimise les pertes de chaleur dans l'environnement.
Outre la conductivité thermique et la capacité thermique volumétrique, d'autres mesures sont utilisées pour quantifier les propriétés thermiques du sol, telles que la diffusivité thermique et la conductivité hydraulique.
Diffusion thermique
La diffusivité thermique, $\alpha$, d'un matériau est définie comme sa capacité à conduire la chaleur par rapport à sa capacité à l'emmagasiner. Elle est définie comme suit $$\alpha=\frac{\lambda}{C_v}$$ où $\lambda$ est la conductivité thermique du sol en (W/(mK)) et $C_v$ est la capacité thermique volumétrique en (J/(m³K)). Les unités de la diffusivité thermique sont donc (m/s²). La diffusivité thermique, la conductivité thermique et la capacité calorifique volumétrique peuvent être utilisées indifféremment.
Conductivité hydraulique
La conductivité hydraulique $K$ du sol est importante pour l'écoulement des eaux souterraines, car elle détermine la vitesse d'écoulement (m/s) à travers le sol. Elle dépend de la porosité du matériau, qui est exprimée par la perméabilité intrinsèque ($k$ en m²), ainsi que de la densité et de la viscosité du fluide. La conductivité hydraulique peut être définie horizontalement ou verticalement, en fonction du débit considéré.
Pour la conception des champs de forage, cela ne présente pas d'intérêt immédiat, mais cela joue un rôle certain dans les simulations géothermiques plus avancées.
Exemple de données
Les propriétés du sol varient considérablement en fonction de l'emplacement du projet. Le tableau ci-dessous présente la conductivité thermique et la capacité thermique volumétrique de différents types de sols et de roches, comme indiqué dans la littérature.
Quelques observations clés :
- Même au sein d'un même type de sol, la gamme de conductivité thermique varie considérablement. Cela est dû aux différences géologiques au sein de chaque catégorie, qui influencent les propriétés du sol.
- Les propriétés thermiques des sols granulaires (par exemple, le gravier, le sable, le limon et l'argile) sont fortement influencées par la saturation en eau. Les espaces entre les particules du sol peuvent être remplis soit d'air, qui est un isolant, soit d'eau, qui a une conductivité thermique et une capacité calorifique élevées. Par conséquent, les sols saturés en eau ont une conductivité thermique beaucoup plus élevée que les sols secs.
Pour obtenir les résultats les plus précis, vous pouvez effectuer un test de réponse thermique. Il s'agit de mesurer in situ les propriétés thermiques de votre sol, ainsi que la température du sol non perturbé. Pour réaliser un TRT, vous devez forer un trou sur le site de votre projet jusqu'à la profondeur de conception finale souhaitée. Ensuite, une charge constante est appliquée au trou de forage. Sur la base des mesures de température, la conductivité thermique du sol, la température du sol non perturbé et parfois la capacité thermique volumétrique peuvent être déduites.
Nous aborderons l'analyse TRT en détail plus tard, une fois que les notions de physique nécessaires auront été abordées.
Température du sol
Un autre paramètre crucial dans la conception du champ de forage est la température du sol, en particulier la température du sol non perturbé. Il s'agit de la température moyenne initiale du sol le long du forage, qui sert de point de départ à toute simulation géothermique. Si la température du sol non perturbé est de 11°C, par exemple, la simulation du champ de forage commencera à 11°C ; si elle est de 13°C, elle commencera à 13°C. Dans ce dernier cas, toutes les températures (fluide et sol) seront supérieures de 2°C.
La température du sol non perturbé peut être mesurée à l'aide d'un test de réponse thermique (TRT), ou déduite de la conductivité thermique du sol et du flux de chaleur géothermique. En utilisant ce modèle linéaire de température du sol, la température du sol non perturbé peut être calculée sur la base des températures au début et à la fin du forage (soit une donnée d'entrée, soit le résultat du dimensionnement).
Le gradient géothermique $\Delta T$ en (°C/100m) peut être fourni directement ou calculé à partir du flux de chaleur géothermique $q$ en (W/m²) et de la conductivité thermique $\lambda$ en (W/(mK)). Le gradient peut alors être calculé comme suit : $$\Delta T = \frac{\dot{q}}{100\lambda}$$Lorsque le gradient $\Delta T$ est connu ainsi que la température de surface du sol $T_s$, la température $T$ à la profondeur $x$ peut être calculée comme suit : $$T(x)=\frac{1}{2}\cdot\left(T_s+\frac{x\cdot\Delta T }{100}+T_s \right) = T_s+\frac{x\cdot\Delta T}{200}$$
La température du sol non perturbé $T_u$ pour un forage commençant à $x=D$ et se terminant à $x=H$ est donc donnée comme suit : $$T_u= \frac{T(D)+T(H)}{2} = T_s + \Delta T\cdot\frac{D+H}{200}$$
L'hypothèse d'une augmentation constante et linéaire de la température en fonction de la profondeur n'est pas toujours exacte, en particulier dans les zones densément peuplées ou les villes anciennes.
Comme le montre la figure ci-dessous, la température moyenne du sol augmente lorsqu'une ville est construite dessus (deuxième graphique). Cela est dû à l'effet d'îlot de chaleur urbain, par lequel la chaleur des bâtiments, des routes et des trottoirs est piégée et réchauffe l'ensemble de la ville. Avec le temps, cette température accrue pénètre dans le sol, créant un ‘blob’ de température qui peut s'étendre jusqu'à 100 mètres de profondeur.
Cette perturbation de la température est particulièrement importante pour les bâtiments ayant des besoins de refroidissement élevés, car une température initiale plus élevée les rapproche de la limite de température maximale. Alors que le modèle de température linéaire traditionnel suggère qu'un forage plus profond n'est pas bénéfique pour le refroidissement, dans certaines zones urbaines, il peut en fait être nécessaire d'atteindre des températures du sol plus fraîches pour un refroidissement efficace.
La température du sol étant toujours sujette à un certain degré d'incertitude, il est fortement recommandé, en particulier pour les grands projets, d'effectuer une TRT afin de mesurer la température initiale du sol non perturbé.
Données au sol en GHEtool
GHEtool propose deux façons d'entrer dans les propriétés foncières :
- Saisie des données couche par couche
- Hypothèse de propriétés homogènes du sol
Étant donné que GHEtool suppose en interne une couche de sol moyenne, les deux méthodes peuvent donner le même résultat.
Données stratifiées
La manière la plus précise et la plus fiable de saisir vos données sur le sol est d'utiliser l'option "couches" dans GHEtool Cloud. Vous pouvez ainsi saisir les propriétés de votre sol couche par couche, ainsi que l'épaisseur de chaque couche. GHEtool calculera alors automatiquement les propriétés thermiques correctes pour chaque projet, en fonction de la profondeur du trou de forage. Lorsque vous calculez la profondeur de forage requise pour rester dans les limites de conception, la saisie des propriétés du sol couche par couche vous permettra d'obtenir des résultats plus précis.
Données homogènes
Si vous devez effectuer un calcul rapide, la saisie de toutes les couches du sol peut prendre beaucoup de temps. C'est pourquoi vous pouvez saisir vos données de sol en utilisant l'hypothèse d'homogénéité. Dans ce cas, il vous suffit de saisir une valeur pour la conductivité thermique du sol et la capacité thermique volumétrique, qui sera utilisée pour toutes les tailles de champs de forage.
Veuillez noter que les données homogènes introduites seront toujours une moyenne de plusieurs couches de sol à une profondeur donnée. Si vous utilisez un champ de forage dont la profondeur est différente de celle utilisée pour calculer ces paramètres moyens, les résultats peuvent être inexacts. Par conséquent, si vous modifiez la profondeur de forage (ou si vous autorisez son calcul à l'aide de l'option ‘Calculer la profondeur de forage requise’), il est essentiel de revérifier les propriétés de votre sol.
Conclusion
Ce chapitre a abordé les propriétés du sol nécessaires à une simulation géothermique. La conductivité thermique et la capacité thermique volumétrique du sol, ainsi que la température du sol non perturbé, sont toutes nécessaires. Le prochain chapitre se concentrera sur demande thermique.
Questions
Références
- https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_diffusivity [dernier accès 22/01/2026]
- https://en.wikipedia.org/wiki/Hydraulic_conductivity [dernier accès 22/01/2026]
- Propriétés foncières pour la Belgique : smartgeotherm ou DOV virtuele ennuyeux (Flandre).
- Propriétés foncières pour la France : BRGM.
- Propriétés foncières pour l'Allemagne : GeotIS.