Modélisation et analyse des interactions surface/subsurface pour une application à la géothermie de surface

Dans un contexte de réchauffement climatique global, le développement de technologies alternatives visant une sobriété énergétique accrue devient impératif. S’inscrivant dans cette dynamique, la solution innovante Aquater [Raymond, 2019] propose un système de chauffage individuel par géothermie de surface. Cette solution se distingue des systèmes géothermiques classiques par une configuration plus économique et moins invasive. Dans la perspective de déployer cette technologie, la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu et l’élaboration d’un outil de modélisation adapté constituent des étapes primordiales.
Ce travail s’attache à répondre à ces deux problématiques. Le Chapitre 1 replace l’étude dans son contexte général et présente la solution Aquater telle qu’elle a été conçue et installée sur trois bâtiments démonstrateurs. Les relevés effectués lors de la phase initiale de ce travail sur l’un de ces sites fournissent un cas de référence pour la comparaison entre résultats expérimentaux et numériques. En effet, une année complète de données (de mars 2023 à mars 2024) a été documentée, incluant l’ensemble des variables d’entrée nécessaires aux simulations numériques.
Une première réflexion s’articule autour de la modélisation des dynamiques fluides dans les sols granulaires et du couplage de ce domaine avec un écoulement libre. Ce point est traité dans les Chapitres 2 et 3. Dans un premier temps, un état de l’art de la modélisation numérique en milieu poreux, adapté aux échelles géologiques considérées, est présenté. Cette analyse permet d’orienter les choix numériques en fonction des contraintes physiques et du coût computationnel identifiés. La méthode retenue est ensuite développée et validée à l’aide de travaux expérimentaux issus de la littérature, réalisés en conditions de laboratoire. Le modèle est appliqué à différents types de sols afin d’évaluer l’influence de l’évapotranspiration sur la dynamique de saturation et les flux de chaleur en surface. Les résultats démontrent que la prise en compte de la zone non saturée et des processus d’évaporation est indispensable pour une modélisation précise des transferts de masse et de chaleur. Le modèle se révèle ainsi polyvalent, s’avérant pertinent tant pour les nappes phréatiques affleurantes que pour les nappes plus profondes.
La validation du modèle en conditions contrôlées a permis, dans un second temps, d’appliquer la démarche à une configuration numérique reproduisant l’installation réelle. Le Chapitre 4 démontre la capacité de l’outil développé à reproduire les dynamiques physiques observées sur une année de mesures. Ce travail souligne également l’influence prépondérante des conditions atmosphériques au sein du vide sanitaire sur les performances de la solution. Ces conclusions permettent de mieux appréhender le fonctionnement de ce système innovant et posent les jalons du développement d’un outil de dimensionnement fiable, vérifié et ergonomique.

Mots-clés : Milieux poreux, Écoulement multiphasique, Interactions surface–subsurface, Modélisation numérique, Systèmes géothermiques, Stockage d’énergie thermique