Le réchauffement climatique représente un défi contemporain majeur, les systèmes de chauffage contribuant de manière significative à cette problématique. Dans ce contexte, nous, deux étudiants en Classe Préparatoire aux Grandes Écoles (CPGE) spécialisés en physique et science de l'ingénieur, avons développé un concept novateur visant à exploiter l'énergie naturelle de la terre pour chauffer ou refroidir des bâtiments de manière moins énergivore.

L’article s’articulera en 6 points, tout d’abord le principe d’un puits canadien classique, puis l’adaptation du système, les expérimentations sur le système et les résultats, l’efficacité du système, puis ses limites.

1: Principe de fonctionnement d'un puits canadien classique:

Un puits canadien classique est un système géothermique utilisant la température constante du sol pour réguler la température intérieure des bâtiments. Les tuyaux enterrés échangent la chaleur avec le sol, améliorant l'efficacité énergétique du chauffage et de la climatisation. Cependant, l'installation requiert une longueur significative de tuyaux, par exemple, 70 mètres pour une habitation de 120 m2.

2: Adaptation de notre système:

Pour répondre aux contraintes urbaines, nous proposons une adaptation de ce concept en utilisant l'inertie thermique de l'eau au lieu de l'air. Notre système comprend une cuve d'eau en sous-sol avec un échangeur thermique dans le sol pour exploiter pleinement l'énergie géothermique. L'eau est ensuite distribuée dans l'immeuble via des tuyaux intégrés aux murs extérieurs, offrant une "isolation active" en simulant une température moyenne plus élevée dans le mur. (Voir l'explication dans le PDF)

3: Création de modélisations:

Pour optimiser notre système, nous avons développé des modèles complexes pour représenter la température du sol en fonction du temps et de la profondeur, ainsi que la température en fonction du temps et de l'emplacement dans le mur. Pour le sol, nous le modélisons en trois couches : une première d’asphalte, une deuxième de sable et de gravier et une dernière couche de terre. Ensuite, à la surface, on modélise une température périodique sur l’année, une puissance solaire elle aussi périodique et une convection à la surface qui elle est constante. Ensuite, le mur est modélisé en trois couches : deux de briques/bétons et une couche au centre constituée d’un tuyau de cuivre rempli d’eau. Ces modèles sont détaillés dans le document PDF joint.

4: Expérimentations et résultats:

Nous allons étudier deux expérimentations pour valider nos modèles. La première consiste en des relevés de température effectués en Finlande à différentes profondeurs et moments de l'année. La deuxième concerne l'évolution de la température d'un mur en été avec une circulation d'eau froide à l'intérieur. Les courbes obtenues à partir de nos modèles ont été comparées aux données expérimentales, montrant une cohérence générale. Cependant, nous reconnaissons que notre modèle peut être amélioré en prenant en compte des variables externes telles que l'hygrométrie et le vent.

5: Efficacité théorique et gains énergétiques:

De manière théorique, notre système aurait un COP (Coefficient de Performance) proche de 77, surpassant ainsi les systèmes de chauffage de manière significative, ce qui donnerait un système de chauffage globale ayant une COP de 29. En été, il remplace efficacement les systèmes de climatisation. Ces avantages se traduisent par un gain énergétique d'environ 95% sur les dépenses de régulation thermique.

6: Limitations et défis:

Néanmoins, malgré ses avantages, le système présente des défis majeurs. Son implémentation est particulièrement difficile, surtout dans les bâtiments déjà construits qui ne peuvent pas être facilement adaptés. De plus, des vagues de froid extrêmes pourraient potentiellement endommager le système, nécessitant une réflexion approfondie sur la résilience face à des conditions climatiques exceptionnelles.

En conclusion, notre système d'isolation hydrique active offre une approche novatrice pour améliorer l'efficacité énergétique des bâtiments en milieu urbain, ouvrant la voie à des solutions durables face au défi du réchauffement climatique. Bien que des défis subsistent, les gains potentiels en termes d'économie d'énergie et de durabilité pourraient justifier des efforts continus dans la recherche et le développement de cette technologie.