Uponor GéothermieP R O D U C T I O N D ’ É N E R G I E E T D É V E L O P P E M E N T

D U R A B L E

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Sommaire

Géothermie : la terre, source d’énergie infinie •••••••••••••••••••••••••••••••••• 3

La planète comme source d’énergie, un sujet brûlant •••••••••••••••••••••••••••• 4

Exploiter judicieusement la chaleur de la terre avec un procédé technique adéquat •• 6

Défis de la géothermie •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 7

Encore faut-il disposer de la bonne technique •••••••••••••••••••••••••••••••••• 8

Géothermie Uponor – le système idéal pour votre projet •••••••••••••••••••••••• 10

Références ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 15

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La géothermie ou chaleur terrestre, un trésor caché juste sous nos pieds. Quasi inépuisable, cette source d’énergie est dite renouvelable.

Les avancées technologiques per-mettent désormais d’extraire la chaleur emmagasinée dans la partie accessible de la croûte terrestre de façon rentable afin de l’utiliser pour de multiples besoins.

La géothermie peut ainsi servir à produire de l’électricité et – à bien plus grande échelle – à fournir de la chaleur soit directement, soit indi-rectement au moyen d’une pompe à chaleur.

Exploiter les opportunités qu’offre la géothermie

La raréfaction des énergies pri-maires fossiles comme le pétrole et le gaz contraint les politiques et la société à prendre conscience de la nécessité de trouver des moyens sûrs et autosuffisants d’approvisionnement en énergie.

Géothermie : la terre, source d’énergie infinie

La géothermie (grec : geo = terre ; therme = chaleur) ou chaleur terrestre désigne la chaleur emmagasinée dans la partie accessible de la croûte terrestre. Le terme renvoie aussi bien aux activités techniques liées à la chaleur terrestre et à son exploi-tation qu’à l’étude scientifique des situations ther-miques de la planète.

Chaleur terrestre visible – une source chaude en Islande

En tant qu’énergie capable de sup-porter la charge de base, la géo-thermie ne cesse de gagner en importance. Elle n’est pratiquement pas tributaire des caprices de la météo et des saisons et constitue une source d’énergie gratuite et illi-mitée.

L’expansion de l’exploitation géo-thermique pourrait permettre de couvrir une grande partie de la con-sommation d’énergie et de réduire les émissions de CO2 à l’échelle mondiale.

En plus de ces considérations envi-ronnementales, la géothermie a aussi d’autres atouts à faire valoir, notamment sur le plan économique. L’exploitation locale de sources d’énergie naturelles qui se régénè-rent en permanence depuis l’intérieur de la terre et grâce aux rayons du soleil se révèle peu coûteuse, pour autant que la plani-fication et l’exécution soient effec-tuées de manière compétente.

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Comparée au diamètre de la terre (près de 12 750 km), l’épaisseur de la croûte terrestre paraît bien faible. Sous les océans, elle ne dépasse pas cinq à dix kilomètres de profondeur, contre 15 à 50 kilomètres sous les continents. Dès la croûte, la terre affiche des températures très éle-vées pouvant atteindre les 1 100 °C dans la partie basse.

Sous la croûte terrestre se trouve le manteau de la terre divisé entre le manteau supérieur et inférieur, selon leurs propriétés géophysiques, séparés par une couche de transi-tion. Le manteau supérieur s’étend jusqu’à environ 400 km de profon-deur avec des températures pouvant aller jusqu’à 1 400 °C, la zone de transition jusqu’à 900 km et le man-teau inférieur jusqu’à 2 900 km de profondeur avec des températures pouvant atteindre les 3 700 °C.

A partir de 2 900 km commence le noyau de la terre avec un noyau externe liquide et un noyau interne solide. Les températures atteignent les 4 000 °C dans le noyau externe et dépassent, selon toute vraisem-blance, les 5 000 °C dans le noyau interne.

La planète comme source d’énergie, un sujet brûlant

Structure de l’enveloppe terrestre

Croûte (env. 30 km)env. 3°C/100m

Manteau> 1 200°C

Noyauenv. 5 000°C

A l'heure actuelle, l’exploitation économique de la géothermie se limite à la partie supérieure de la croûte terrestre. On établit toutefois une distinction entre géothermie peu profonde (proche de la surface) et pro-fonde.

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Géothermie profonde

Concernant la géothermie pro-fonde, on distingue 2 applications ou systèmes : hydrothermaux et pétrothermaux.

Géothermie hydrothermaleLa géothermie hydrothermale con-siste à puiser les gisements d’eau thermale naturellement présente à de grandes profondeurs. Ces couches aquifères peuvent être exploitées pour la production d’énergie tant directe (chaleur) qu’indirecte (électricité).

Géothermie pétrothermaleEn géothermie pétrothermale, l’énergie est produite à partir de la chaleur de la roche. L’énergie géo-thermique est rendue utilisable par un procédé appelé Hot-Dry-Rock. La roche à laquelle on accède par forage à plusieurs milliers de mètres de profondeur, est « fracturée » (fendue) par de l’eau injectée à très haute pression afin de créer un flux d’eau. L’« échangeur de chaleur » souterrain ainsi créé achemine à présent l’énergie vers le haut sous forme de vapeur d’eau à travers un autre puits. Elle peut alors servir soit à la production d’électricité au moyen de turbines, soit directement à la production de chaleur.

0 5 10 15 20° C

5 m

10 m

15 m

Surface de la terre

Profondeur

Février AoûtNovembreMai

Géothermie peu profonde

On parle de géothermie peu pro-fonde quand la profondeur d’extraction ne dépasse pas les 400 m. En moyenne, la température gagne environ 3 °C tous les 100 m de profondeur. La température à la surface de la terre est d’environ 13 °C en moyenne et est détermi-née selon un ratio entre l’énergie rayonnante du soleil, le rayonne-ment thermique dans l’univers, le flux de chaleur géothermique et les variantes et interférences de ces facteurs.

Contrairement à la géothermie pro-fonde, la géothermie peu profonde ne fournit pas d’énergie sous une forme directement utilisable. Pour le chauffage et la préparation d’eau chaude, il faut amener la tempéra-ture aux valeurs requises via une pompe à chaleur.

En plus de la profondeur et le type de roche, l’eau souterraine joue également un rôle important dans la production d'énergie. Sous les lati-tudes d’Europe centrale, elle affiche une température relativement con-stante tout au long de l’année. Grâce à son écoulement permanent, de l’énergie thermique est constam-ment apportée pour le chauffage ou évacuée pour le refroidissement.

Même en cas de fortes variations de la température extérieure en fonc-tion de la saison, la température à quelques mètres de profondeur sous le sol reste relativement con-stante à 10 °C. La géothermie peu profonde est ainsi une source d’énergie toujours disponible, qui peut être utilisée tout au long de l’année tant pour le chauffage que pour la climatisation des bâtiments.

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Exploiter judicieusement la chaleur de la terre avec un procédé technique adéquat

Collecteurs thermiques (circuits géothermiques)Echangeurs de chaleur enfouis horizontalement ou en biais dans les cinq premiers mètres du sous-sol. Il s’agit de lignes de tubes individuels ou de circuits de tubes parallèles. En règle générale, ils sont installés à proximité du bâtiment, mais aussi sous le radier, ce dernier pouvant alors être utilisé comme accumulateur.

Pieux géothermiques Echangeurs de chaleur enfouis dans des fondations et installés pour les projets de construction sur sous-sol non-porteur. Des lignes de tubes simp-les ou multiples, en u ou en méandres, sont mises en place dans des pieux de fondation. Les pieux géothermiques sont soit préfabriqués en usine (pieux battus préfabriqués), soit construits directement sur le chantier (pieux forés en béton coulé sur place ou pieux battus en béton coulé sur place).

Sondes géothermiquesEchangeurs de chaleur enfouis verticalement ou en biais dans le sous-sol. Une ligne de tube simple ou deux lignes de tubes doubles sont intégrées en ou concentriques comme tube intérieur et extérieur dans un trou de forage.

Corbeilles géothermiquesEchangeurs de chaleur enfouis verticalement dans le sous-sol. Différentes lignes de tubes sont disposées en spirale ou en vis. Les corbeilles géother-miques constituent une forme particulière de circuits géothermiques.

L’énergie proche de la surface de la terre peut être récupérée au moyen de différentes techniques. Les applications de géothermie peu

profonde ont en commun de repo-ser sur le principe de l’échangeur de chaleur. Un fluide traverse directe-ment ou indirectement les zones

géothermiques en en prélevant (extraction de chaleur = chauffage) ou en y libérant (apport de chaleur = refroidissement) de l’énergie.

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Défis de la géothermie

Au-delá de des connaissances de base en géologie, une utilisation adéquate de la chaleur terrestre de surface requiert également une cer-taine expérience en matière de géohydraulique.

L’eau souterraine joue un rôle important concernant la puissance de captage. Mais il faut également tenir compte de la conductivité hydraulique du sous-sol aquifère. On établit à ce titre une distinction entre les roches meubles et les roches dures en fonction de leur perméabilité de pores et de joints de séparation.

Pour les roches meubles (aquifères interstitiels), ce sont avant tout la granularité et la répartition des grains et pour les roches solides, la fréquence et la largeur d’ouverture des joints de séparation qui déter-minent la conductivité hydraulique.

Les influences des applications géothermiques sur les températures du sous-sol dépendent de la pro-fondeur des installations et doivent également être prises en compte lors de la planification. Si les échangeurs de chaleur géother-mique comme les circuits géother-miques (collecteurs superficiels) et les corbeilles géothermiques (pro-fondeur d’enfouissement de 5 m max.) sont correctement dimen-sionnés, le refroidissement du sous-sol environnant n’est que tempo-raire en cas de chauffage et le retard du réchauffement par les rayons du soleil à la surface ou la pluie est minime. Une installation de trop faibles dimensions risque d’entraver la croissance de la végétation au-dessus du système de captage de la chaleur.

Concernant les sondes géother-miques et les pieux géothermiques, l’influence des rayons du soleil pour compenser la température n’est plus qu’infime et le flux thermique à ces profondeurs est ralenti. Lors de la planification de ces applica-tions, il faut étudier les conditions de température dans le sous-sol sur une période prolongée. Les puis-sances utiles prévues ne peuvent être atteintes sur le long terme que si l’équilibre de température peut être préservé. L’alternance chauf-fage/refroidissement est ainsi recommandée pour que la régénéra-tion du sous-sol soit suffisante. Des échangeurs de chaleur de dimen-sions insuffisantes peuvent ent-raîner une baisse des températures des sources de chaleur d’une période de chauffage à l’autre.

Avant d’effectuer des forages (pour sonde), il faut connaître la struc-ture de la couche géologique du sous-sol. Sans étude géologique préalable, on risque, lors des forages, d’endommager les couches de la terre, et plus particulièrement, les couches aquifères. Ceci peut considérablement perturber l’équilibre hydraulique et modifier le flux de l’eau souterraine. En mélangeant différentes eaux dans différentes couches, on risque en outre d’altérer la qualité de l’eau potable.

En fonction des formes d’application de la géothermie et du choix du site, il est impératif de se procurer des autorisations rela-tives à la législation du pays en matière d’eau et de montagne avant de mettre l’installation en place. En Allemagne, en Autriche et en Suisse, il faut également respecter la VDI 4640 feuille 1 « Utilisation thermique du sous-sol - principes, autorisations, aspects environnementaux ».

Afin de vous aider à relever de tels défis, Uponor vous propose bien plus que des systèmes de conduites pour l’exploitation géothermique. Outre les circuits géothermiques (collecteurs thermiques), les pieux géothermiques ainsi que les systèmes de raccordement et de distribution pour les sondes géo-thermiques et les corbeilles géo-thermiques, Uponor Géothermie vous propose son assistance égale-ment lors de la planification de votre projet, de l’étude et de la simu lation des systèmes, de l’exécution du montage et de l’installation ainsi que la direction de projet sur place.

Un fournisseur unique. Pour une planification parfaite et une sécu-rité maximale.

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Encore faut-il disposer de la bonne technique

Uponor PE-Xa – La base d’une exploitation efficace de la géo-thermie

Les systèmes Uponor Géothermie constituent un complément logique aux systèmes de chauf-fage/rafraîchissement Uponor par le sol, les murs et le plafond, mais aussi à nos systèmes d’activation des éléments de construction thermique. En combinaison avec les pompes à chaleur, ils sont le lien optimal entre la source et la production d'énergie d’une part et l’utilisation de la chaleur d’autre part.

Les systèmes de géothermie d’Uponor reposent également sur le matériau de tube PE-Xa qui allie une extrême robustesse à une très grande résistance à l’usure. Avec plus de 1,5 milliards de mètres de tubes produits depuis plus de 30 ans, Uponor compte parmi les fournisseurs de systèmes de conduites en PE-Xa les plus expérimentés.

Contrairement aux tubes conven-tionnels en polyéthylène, les chaînes de molécules des tubes en PE-Xa Uponor sont intercon-nectées. Cette particularité con-fère à ces tubes leur extraordi-naire résistance à la pression, à la température et à l’usure, ce qui

Structure moléculaire de polyéthylène PE non-réticulé

Structure moléculaire de polyéthylène PE-Xa réticulé

Flexibilité et longévité : le tube PE-Xa d’Uponor

PE-Xa d’Uponor obtient les meilleures notes dans les quatre tests majeurs :

Propagation lente des fissures néant Propagation rapide des fissures néantRésistance au fluage sous contrainte Un temps de test réel

de 30 ans donne une durée de vie bien supérieure à 100 ans

Comportement à la charge ponctuelle aucune altération

en fait le choix numéro un pour la pose en sous-sol. En raison de leur grande capacité de résistance mécanique, les tubes en PE-Xa conviennent parfaitement à la pose en tranchée sans lit de sable et sont également le seul type de tube à être parfaitement adapté à tous les procédés de pose sans tranchée comme le forage humide, le relining et le Berstli-

ning. Les tubes Uponor en PE-Xa sont donc le choix judicieux pour l’utilisation de la chaleur terrestre proche de la surface, sous forme de circuits géothermiques (colle-cteurs thermiques) et de pieux géothermiques mais aussi de systèmes de raccordement et de distribution pour les sondes géo-thermiques et les corbeilles géo-thermiques.

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Elargir : enfiler la tête d'expansion et élargir. Répéter l’opération jusqu’à atteindre la butée. Pour chaque opération, faire tourner l’outil d’environ 1⁄4 de la circonférence.

Emboîter : pousser la bague jusqu’à la butée de fixation sur l’extrémité du tube.

Monter : pousser le tube jusqu’à la butée sur le manchon de raccord, le tenir jusqu’à ce que le tube ait rétréci.

Les techniques novatrices de raccordement PE-Xa

Un réseau de tubes ne peut fonc-tionner à long terme de façon fiable et sûre que si la technique utilisée pour les raccordements est à la hau-teur des exigences imposées aux conduites. C’est la raison pour laquelle Uponor développe égale-ment des techniques de raccorde-ment parfaitement adaptées aux propriétés des tubes.

Quick & EasyLes tubes PE-Xa Uponor possèdent une mémoire technique ou effet mémoire. Nous mettons à profit de manière ciblée cette grande capacité à reprendre sa forme d’origine avec la technique de raccordement Quick & Easy. Quand un tube PE-Xa Uponor est élargi au moyen d’un outil approprié, il retrouve sa forme initiale en peu de temps. Nous exploitons cette propriété

Soudage par résistance chauf-fante noyée sur joint emboîtéLes tubes en PE-Xa peuvent être soudés au moyen de raccords de soudage par résistance chauffante noyée sur joint emboîté que l’on trouve dans le commerce. La limite de charge du raccord avec des man-chons en PE 80 ou PE 100 corre-spond à la pression de service maxi-male autorisée selon la norme

DIN 8074 pour les tubes de la même série. Les opérations de travail nécessaires sont décrites en détail dans la directive DVS 2207-1, feuille annexe 1, « Soudage par résistance chauffante noyée sur joint emboîtéde tubes en PE-Xa avec éléments de conduites en PE-HD ».

Raccordement de PE-Xa en toute sécurité avec manchon de soudage par résistance chauffante noyée sur joint emboîté.

positive du matériau dans notre technique de raccordement Quick & Easy. Dans ce type de raccorde-ment, le matériau du tube devient le matériau d’étanchéité. Il se fixe par adhérence et par forme au raccord Quick & Easy. On obtient ainsi un raccordement sûr à 100% entre le raccord et le tube sans joint torique. Les travaux exigeants comme le soudage et ou le brasage sont de l’histoire ancienne.

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Collecteurs thermiques (circuits géothermiques)

Pour les conduites de collecteurs et de distribution, on utilise le système de tubes pour collecteurs géother-miques d’Uponor Géothermie PE-Xa et le système de raccords Quick & Easy.

Pour fixer les conduites, on pose tout d’abord des treillis d'armature dans la zone du collecteur. On y fixe en-suite les tubes en PE-Xa au moyen d’attache-câbles.

Uponor Géothermie – le système idéal pour votre projet

Les conduites d’alimentation et de retour des collecteurs thermiques sont raccordées soit individu-ellement, soit en groupe au moyen de pièces moulées Quick & Easy, à une bague Tichelmann ou directe-ment à l’élément de distribution Uponor.

Une fois la pose effectuée, toutes les conduites sont remplies d’un mélange de saumure, ventilées et soumises à un contrôle de pression et de fonctionnement.

Fixation sur place des tubes de collecteur en PE-Xa sur treillis d'acier aumoyen d’attache-câbles

Raccordement des collecteurs thermiques aux conduites PE-Xa par la technique Quick & Easy

Détail : jonction des conduites PE-Xa au moyen d’un Té Quick & Easy Raccordement des conduites PE-Xa aux collecteurs/distributeurs centraux

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Construction verticale contre le mur extérieur d’une cave (forme de construction spéciale)

Surface de collecteurs en place

Raccordement des tubes muraux au distributeur/collecteur dans le bâtiment

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Pieux géothermiques

Les tubes en PE-Xa d’Uponor Géo-thermie sont également utilisés dans les cages d'armature des pieux géothermiques. En fonction du diamètre intérieur des cages, les boucles de collecteur sont fixées les unes à côté des autres ou, pour les diamètres intérieurs de cages plus petits, en croix au moyen d’attache-câbles.

Avant de bétonner les pieux, on bouche les extrémités de tube ouvertes afin de les protéger contre la saleté et les enveloppe d’une iso-lation de protection de tube dans la zone située au-dessus et sous le niveau d’installation ultérieur.

Après l’opération de bétonnage, les conduites d’alimentation et de retour des pieux géothermiques qui dépassent du béton sont raccour-cies, puis raccordées soit individu-ellement, soit en groupe au moyen de pièces moulées Quick & Easy, à une bague Tichelmann ou directe-ment à l’élément de distribution Uponor.

Une fois la pose effectuée, toutes les conduites sont remplies d’un mélange de saumure, ventilées et soumises à un contrôle de pression et de fonctionnement.

Fixation des tubes PE-Xa à l’intérieur de cages d’armature de pieux Foreuse pour les trous de pieux

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Mise en place des cages d’armature de pieux actifs dans le trou de forage

Remplissage des cages d’armature de pieux actifs avec du béton

Champ de fondation avec pieux géothermiques en place

Raccordement des différents pieux géothermiques aux systèmes de raccordement PE-Xa

Essai de pression de l’ensemble du système de conduites

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Système de tube de raccorde-ment et de distribution

Les tubes de raccordement et de dis-tribution pour les collecteurs ther-miques ou les pieux géothermiques doivent pouvoir résister fréquem-ment à de fortes charges méca-niques, car ils sont souvent à nu pendant une durée prolongée. Un système de conduite endommagé risque d’affecter sensiblement la progression du chantier voir le bon fonctionnement de l’ensemble du système. Ainsi, le matériau employé pour les tubes joue un rôle important dans l’application géothermique.

C’est l’une des raisons pour lesquel-les les tubes en PE-Xa utilisés par Uponor Géothermie sont de diffé-rentes dimensions. Les tubes en

PE-Xa d’Uponor sont dotés d’une grande résistance à la pression, à la température, à l’abrasion, à la propa-gation lente des fissures et aux dégâts dus aux charges ponctuelles.

Les tubes en PE-Xa sont ainsi parti-culièrement adaptés à la fixation sur des treillis ou des cages d'armature à arêtes vives ou pour la pose sur des sols rocheux ou dans du béton maigre à gros grains.

De plus, les tubes en PE-Xa sont les seuls (voir DVGW W400-2) à pouvoir être posés ou enfouis sans lit de sable.

Il va de soi que les tubes en PE-Xa d’Uponor présentent une résistance suffisante aux UV pour pouvoir être utilisés dans la géothermie.

Réseau d’alimentation en tubes de raccordement et de distribution en PE-Xa

Conduites d’alimentation en tubes flexibles et préisolés pour des déper-ditions de chaleur minimales

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Références

Source graphique : © Swissbuliding Concept AG / Bauengenieering AG / Giubbini ETH SIA AG

RSO Oberägeri RSO Oberägeri – CH Bâtiments résidentiels Début des travaux août 2010 220 pieux géothermiques et

conduites de raccordement Uponor

Tubes en PE-Xa 17, 25 et 32 mm ; technique de raccor-

dement Quick & Easy Chauffage : 122 KW Free-Cooling : 40 K

Bahnhofpark Sargans 8000 m2 de surface de vente

et de bureaux Début des travaux juin 2010 520 pieux géothermiques et

conduites de raccordement Uponor

Tubes en PE-Xa 17, 25 e 32 mm ; technique de raccorde-ment Quick & Easy

Chauffage : 245 KW Free-Cooling : 180 KW

Umweltarena Spreitenbach Hall d’exposition Début des travaux 2010 5000 m2 de circuit géother-

mique Uponor sous radier Tubes en PE-Xa 25 mm Chauffage : 110 KW Free-Cooling : 60 KW

Source: p-4 AG

Conception & conseils

PlanificationMise enoeuvre

Utilisation du bâtiment

simply more

Uponor propose à ses clients de la qualité, un savoir-faire ultramoderne, des services et un partenariat qui s’inscrit dans la durée. En tant que l’une des principales sociétés dans le domaine des techniques d’approvisionnement en eau et chaleur, nous sommes réputés pour nos solutions qui créent des univers où il fait bon vivre.

Notre philosophie du « simply more » implique un suivi à toutes les phases de projet – de la première ébauche à l’utilisation du bâtiment.

Chauffage/rafraîchissement Chauffage par le sol Activation des noyaux de béton Technique de distribution et de régulation

Systèmes de plomberie Installation d’eau sanitaire Raccordement de radiateurs Installation à air comprimé Installation de gaz

Approvisionnement Systèmes de tubes flexibles, préisolés Canalisations en PE-Xa de raccordement de maisons

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Uponor GmbH Industriestraße 5697437 HassfurtT +49 (0)9521 690-0 F +49 (0)9521 690-710

Tangstedter Landstraße 11122415 HamburgT +49 (0)40 30 986-0F +49 (0)40 30 986-433 Prof.-Katerkamp-Straße 548607 OchtrupT +49 (0)2553 725-77F +49 (0)2553 725-78W www.uponor.deE info.de@uponor.com

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