Intégration thermique et mécanique des géostructures thermiques : de l'échelle du bâtiment à l'échelle de la cité

par Yvon Delerablee

Thèse de doctorat en Géotechnique

Sous la direction de Philippe Reiffsteck.

Le président du jury était Hussein Mroueh.

Le jury était composé de Philippe Reiffsteck, Cristina Tsuha, Lionel Demongodin, Alice Di Donna, Eric Antoinet.

Les rapporteurs étaient Cristina Tsuha.


  • Résumé

    Cette thèse vise à améliorer la compréhension des transferts de chaleur au sein des géostructures thermiques à l’échelle de l’échelle de l’ouvrage mais également d’étudier leur interaction thermique. Le rôle de l’écoulement d’une nappe est prépondérant dans cette analyse. Elle s’inscrit dans le cadre d’une thèse CIFRE en collaboration entre Antea Group et l’IFSTTAR. Un modèle numérique en trois dimensions présentant un couplage thermo-hydraulique est construit à l’aide du logiciel FLAC3D. Une approche basée sur le calcul de la divergence des flux est développée afin de définir la contribution de la conduction et de l’advection dans les transferts de chaleur. Cette approche est appliquée dans des volumes de contrôle autour de l’ouvrage modélisé afin de prendre en compte l’intégralité des flux de chaleur entrant et sortant. Ce protocole est utilisé afin de tester de multiples paramètres dimensionnants tels que la vitesse d’écoulement, la géométrie de l’ouvrage et la sollicitation thermique appliquée. L’analyse de ces résultats indique la présence d’une forte hétérogénéité à l’échelle de l’ouvrage lorsqu’il est soumis à un écoulement. Cette conclusion renforce la nécessité de la prise en compte des effets 3D et fournit des pistes d’optimisation quant à la répartition du chargement thermique dans les géostructures thermiques. Afin de confirmer les conclusions émises grâce aux modèles numériques, les résultats d’un site expérimental à échelle réduite sont analysés. La possibilité de contrôler les conditions aux limites durant les expériences implique une meilleure compréhension des phénomènes en jeu grâce à la réduction du nombre d’inconnus. Les données des capteurs dans les géostructures thermiques et dans le terrain valident les hypothèses évoquées pour les calculs numériques. Les conclusions sont donc appuyées par deux approches distinctes. Avec pour objectif d’améliorer les modèles numériques présentés, les données du site expérimental sont utilisées afin de caler un modèle numérique 3D d’une expérience de référence. La complexité du milieu, la multiplication des inconnus et les conditions expérimentales rendent cette opération difficile. Les variations de température dans le terrain sont bien retranscrites mais l’approche adoptée semble trop simplifiée pour reproduire avec précision les variations de température du fluide caloporteur qui circule dans les géostructures thermiques. L’ensemble des résultats permet de fournir des pistes quant à l’amélioration des méthodes d’analyse. Des recommandations pour la prise en compte de l’écoulement dans les transferts thermiques et sur le comportement des ouvrages thermoactifs de grande dimension sont émises

  • Titre traduit

    Thermal and mechanism integration of thermoactive geostructures : from building to city scale


  • Résumé

    This PhD work concerns the improvement of heat transfer phenomena for thermoactive geostructures at building scale but also their thermal interaction. The role of the groundwater flow is of major importance in this analysis. The PhD thesis is a part of a research contract between Antea Group and IFSTTAR.A three-dimensional numerical model with a thermo-hydraulic coupling is built thanks to the software FLAC3D. An approach based on the heat flux divergence computation is developed to define the thermal contribution of conduction and advection. This approach is applied in control volume around the building to consider the inlet and outlet heat fluxes.This protocol is used to test different parameters such as the groundwater flow, the building geometry and the thermal solicitation. The analysis of these models highlights the strong heterogeneity at building scale when the groundwater flow. This conclusion reinforces the necessity to consider 3D effects and provides some insights to optimise the thermal load for the thermoactive geostructures.To confirm the conclusion produced thanks to the numerical analysis, data from a reduced scale experimental site are analysed. Since it is possible to control the boundary conditions, it implies a better assumption of the thermal behaviour thanks to the reduction of unknowns. The data from the sensor in the thermoactive geostructures and in the ground validate the numerical part. Therefore, the conclusions are robust thanks to the two different method of analysis.To improve the numerical models, the data from the experimental site are used to calibrate a 3D numerical model of a reference test. The complexity of the site, its composition and the different boundary conditions are hard to properly model. The thermal variations in the ground are well computed but this approach seems to be too simple to repeat with precision the thermal variation in the heat carrier fluid.These results provide some insights to improve the thermal analysis methods. Some guidelines to consider the groundwater flow effect and the thermal behaviour of large buildings are presented in this thesis


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