Lorsque l’on parle de géothermie de faible profondeur en Suisse, on songe essentiellement à des sondes géothermiques verticales (SGV). Elles constituent le moyen le plus courant d’exploiter la géothermie. Chez nous, quelque 90’000 sondes sont en service aujourd’hui. Elles sont essentiellement répandues sur le Plateau. En règle générale, les sondes géothermiques sont utilisées entre 120 et 150 m de profondeur et servent surtout à approvisionner des maisons individuelles. De nos jours, les sondes peuvent atteindre une profondeur de 500 m.

Principe
Une sonde géothermique verticale est un tube en forme de U inséré dans un forage. Un liquide composé d’eau additionnée d’antigel circule dans le tube. Ce liquide extrait la chaleur du sous-sol et la transmet au système de chauffage par le biais d’un échangeur de chaleur et d’une pompe à chaleur. Le fluide refroidi retourne dans le sous-sol, où il capte de nouveau la chaleur terrestre. La longueur de la sonde dépend de la puissance calorifique nécessaire. Toute optimisation des sondes géothermiques en augmente l’efficacité. Pour toute information complémentaire, cliquer ici.

Des sondes géothermiques peuvent aussi être utilisées pour rafraîchir sans avoir besoin de pompe à chaleur (free cooling). La chaleur excédentaire d’un bâtiment est transportée dans le sous-sol où elle est entreposée de façon temporaire. En hiver, elle peut de nouveau être utilisée à des fins de chauffage. Cela ne fonctionne toutefois que jusqu’à une profondeur d’environ 200 m. Au-delà de cette limite, le sous-sol est trop chaud pour servir à des fins de rafraîchissement.

Si une installation ne sert qu’à chauffer, c’est-à-dire que l’on extrait uniquement de la chaleur du sous-sol, celui-ci se refroidit légèrement. Après quelques années, il s’établit un équilibre thermique relativement constant à un niveau de température plus bas.

Sonde coaxiale
Il est également possible d’employer des sondes coaxiales comme sondes géothermiques. Dans l’espace extérieur de forme annulaire d’un tube coaxial, le fluide caloporteur achemine la chaleur vers le bas, avant que celle-ci ne remonte vers la surface dans le tube intérieur. L’avantage d’une sonde coaxiale est que le tube intérieur peut être isolé thermiquement de l’espace extérieur.

Si aucune sonde géothermique verticale ne peut être installée pour des raisons écologiques ou géologiques, les corbeilles géothermiques représentent une solution de rechange appropriée. Elles permettent d’exploiter la chaleur du sous-sol jusqu’à une profondeur d’environ 4 m à des fins de chauffage et/ou de rafraîchissement. En Suisse, leur emploi est peu répandu. Dans le passé, on a aussi eu recours à des capteurs horizontaux. Il s’agit des sondes placées à l’horizontale immédiatement sous la surface du sol à l’instar des corbeilles géothermiques. Cette technologie ne s’est pas imposée.

Principe
Le chauffage d’une maison individuelle nécessite environ deux à trois séries de trois corbeilles géothermiques chacune. Le bord supérieur de la corbeille géothermique est à environ 1,5 m de profondeur. Les corbeilles sont reliées entre elles et raccordées à une pompe à chaleur. Le nombre de corbeilles à installer dépend de la puissance calorifique souhaitée.

Des corbeilles géothermiques peuvent être installées pour des maisons neuves ainsi que pour des bâtiments plus importants neufs ou rénovés en cas de sous-sol approprié.

Afin de pouvoir chauffer et/ou rafraîchir de grands bâtiments, il est possible d’installer plusieurs sondes géothermiques verticales appelées champs de sondes géothermiques.

Lorsque de nombreuses sondes géothermiques sont raccordées entre elles, il en résulte un grand accumulateur de chaleur. En été, il est possible de stocker de la chaleur excédentaire dans le sous-sol, puis de l’utiliser de nouveau en hiver à des fins de chauffage. Avec des champs de sondes géothermiques, il est possible de chauffer et/ou rafraîchir des groupes de maisons, des bâtiments administratifs et industriels ainsi que des hôtels et des salles polyvalentes.

Principe
De nombreuses sondes géothermiques sont installées à des profondeurs de 100 à 250 m sous ou à proximité des bâtiments à approvisionner. Les conduites des diverses sondes sont raccordées ensemble à une ou plusieurs pompes à chaleur. En hiver, la chaleur est extraite du sous-sol. En été, la chaleur excédentaire des locaux est stockée dans le sous-sol (free cooling). De plus, la chaleur issue d’installations solaires thermiques non utilisée en été peut être stockée de manière temporaire dans le sous-sol en hiver.

Si un champ de sondes géothermiques est utilisé aussi en été à des fins de rafraîchissement, les forages ne doivent pas atteindre plus de 250 m de profondeur, afin d’éviter les températures trop élevées du sous-sol.

Si le niveau des eaux souterraines est proche de la surface terrestre, la chaleur qu’elles contiennent peut être utilisée à des fins de chauffage et/ou de rafraîchissement.

Les grandes réserves d’eaux souterraines en Suisse se trouvent sur le Plateau et dans les vallées alpines tels que la vallée du Rhône et la vallée du Rhin antérieur. Ces vallées se composent en majeure partie de sables et graviers bien perméables où s’accumulent les eaux pluviales. De telles couches d’eaux souterraines utilisables peuvent atteindre des douzaines de mètres d’épaisseur.

Principe
Sur le Plateau, la température des eaux souterraines peut atteindre entre 10 et 12° C, alors qu’elle est plus basse de 2° C dans les vallées alpines. Les températures sont constantes tout au long de l’année. On procède à un forage jusqu’aux eaux souterraines pour mettre en place un puits. Puis une pompe immergée alimente une installation de chauffage en eau. Un échangeur de chaleur et une pompe à chaleur extraient la chaleur et assurent au système la température d’entrée requise. Ensuite, les eaux souterraines refroidies retournent dans le sous-sol via un deuxième forage.

Par principe, les eaux souterraines peuvent aussi être utilisées à des fins de rafraîchissement sans avoir besoin d’utiliser une pompe à chaleur (free cooling). Il faut toutefois veiller à ce que les eaux souterraines ne soient pas trop réchauffées.

Concernant les installations d’eaux souterraines, la protection de l’eau potable a la priorité absolue. Les eaux souterraines ne doivent être polluées en aucun cas, ni par les forages ni par les installations. Si plusieurs installations de pompage et d’infiltration existent dans un secteur, elles ne doivent pas interagir. Par principe, la température saisonnière naturelle des eaux souterraines ne doit pas varier de plus de 3°C.

Les autorités cantonales concernées sont compétentes pour octroyer les autorisations nécessaires à l’utilisation de la chaleur des eaux souterraines.

Les pieux, parois et dalles en béton assurent la capacité portante nécessaire aux grands bâtiments ainsi que la stabilité du sous-sol. Si des échangeurs de chaleur sont intégrés dans ces pieux, parois et dalles, on parle alors de géostructures énergétiques qui peuvent approvisionner le bâtiment en chaleur en hiver et en froid en été.

Principe
La conductivité thermique et la capacité de stockage thermique font du béton un matériau idéal pour capter la chaleur. Les ouvrages en béton servant de fondation ou de soutènement à des bâtiments de toutes tailles peuvent être équipés d’échangeurs de chaleur. Les pieux, parois et dalles en béton en contact avec le sous-sol sont équipés de tubes dans lesquels circule un fluide caloporteur qui permet l’échange de chaleur avec le sous-sol. Ces tubes sont reliés en réseau et raccordés à des pompes à chaleur. La puissance calorifique installée varie de quelques kilowatts (kW) à environ 1’000 kW.