UNIVERSITÉ DE GENÈVE

FACULTÉ DES SCIENCES

Section de physique

Centre universitaire d'étude des problèmes de l'énergie
Dr Bernard Lachal

Utilisation des échangeurs air/sol pour le chauffage et le rafraîchissement des bâtiments

Mesures in situ, modélisation analytique, simulation numérique et analyse systémique

Thèse
présentée à la Faculté des Sciences de l'Université de Genève
pour obtenir le grade de Docteur ès Sciences,

mention interdisciplinaire

par

Pierre HOLLMULLER

(de Winterthur / Suisse)

sous la direction du
Pr Nicolas Gisin

Thèse No 3357

Genève, 2002

      Ce travail n'aurait pas été possible sans l'appui des personnes et institutions suivantes, que nous tenons à remercier :

• Le Professeur Nicolas GISIN du Groupe de Physique Appliquée et le Docteur Bernard LACHAL du Centre Universitaire d'Etude des Problèmes de l'Energie, de l'Université de Genève, pour avoir en tant que directeurs de thèse veiller à la conformité du travail et cadrer son développement scientifique.
• Le Professeur Servando ALVAREZ DOMINGUEZ de l'Escuela Superior de Ingenieros, Universidad de Sevilla, et le Docteur Claude-Alain ROULET du Laboratoire d'Energie Solaire et Physique du Bâtiment, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, pour avoir en tant que membre du jury attentivement relu et commenté le travail.
• L'Office Fédéral de l'Energie, l'Office Cantonal de l'Energie (Genève) et l'Etat du Valais pour le financement des divers projets de recherche se situant à la base de cette étude, ainsi que le Département de l'Instruction Publique (Genève), pour le financement du poste d'assistant qui en a permis le développement final et la synthèse.
• Les Professeurs Fabrizio CARLEVARO et Willi WEBER, directeurs successifs du Centre Universitaire d'Etude des Problèmes de l'Energie, pour la mise à disposition l'infrastructure nécessaire à cette étude.
• Le Docteur Thierry BOULARD de L'Institut National de la Recherche Agronomique (France), pour nous avoir transmis l'algorithme qui se situe à la base du modèle numérique développé dans le cadre de cette étude. Le Docteur Markus KOSCHENZ et le Docteur Robert WEBER, de l'EMPA, pour leurs suggestions et la relecture attentive liées à ce développement.
• Les tierces personnes ayant participé au projet de recherche 'Geoser' : Monsieur Antoine REIST de la Station Fédérale de Recherche Agronomique de Changins, pour avoir assumer la responsabilité du projet, effectué la compilation bibliographique et mené l'analyse agronomique ; Monsieur Pierre JABOYEDOFF de Sorane SA, pour avoir mené à bien l'ingénierie du projet et effectué la simulation numérique du stock en cuve ; Monsieur Javier GIL, ex-collaborateur du Centre Universitaire d'Etude des Problèmes de l'Energie, pour avoir mis en place le système de mesure et soigneusement étalonné les sondes ; Monsieur Luc DANLOY, ex-collaborateur du Centre Européen de Recherche Nucléaire, pour avoir assurer le transfert de connaissance entre le projet antécédent 'Horticern' et le projet 'Geoser'.
• Les tierces personnes ayant participé au projet de recherche 'Waedenswil' : Monsieur Alain LEGERET de l'Ingenieurschule Waedenswil, responsable du projet, pour nous avoir confié l'exploitation des mesures et l'analyse énergétique de l'installation ; Monsieur Constantin SOUTTER du Centre Universitaire d'Etude des Problèmes de l'Energie, pour avoir effectuer les mesures complémentaires et collaborer aux simulations numériques.
• Monsieur Jean PUTTALAZ, Ingénieur-conseil, pour l'étude financière et constructive de l'installation des 'Caroubier', ainsi que Monsieur Georges SPOEHRLE d'Erte SA, pionnier sur Genève de l'utilisation de puits canadiens, pour la mise à disposition de divers documents.
• Monsieur Mark ZIMMERMANN de l'Office Fédéral de l'Energie pour nous avoir confié l'exploitation des mesures et l'analyse énergétique de l'installation 'Schwerzenbacherhof'.
• Monsieur Camille ANÇAY du Département des Travaux Publics de l'Etat du Valais, pour avoir instiguer et suivi de près les projets de recherche 'Aymon' et 'Valère'. Le Docteur Michel BONVIN de l'Ecole d'Ingénieur du Valais, pour avoir, en continuité de l'étude du Centre Universitaire d'Etude des Problèmes de l'Energie, assuré l'étude d'ingénierie et la mise en oeuvre de l'installation de 'Valère'.
• Monsieur Olivier JOLLIET d'Ecoconfort SA, pour avoir mener à bien la construction et instiguer l'étude de l'installation du projet 'Costeau'.
• Pour l'ensemble de ces projets et pour leur travail de synthèse, mes collègues du Centre Universitaire d'Etude des Problèmes de l'Energie : Le Docteur Bernard LACHAL, pour m'avoir fait confiance, tout en me soutenant lorsque nécessaire de son savoir pointu combiné à son sens aigu de la mise en perspective ; Monsieur Eric PAMPALONI, pour son concours précieux et incontournable lors de la mise en place et du suivi technique des campagnes de mesure ; Le Professeur Willi WEBER, les Docteurs Pierre INEICHEN, André MERMOUD, Franco ROMERIO ainsi que Mme et MM. Gisela BRANCO, Constantin SOUTTER, Javier GIL, Peter HAEFELI et Peter GALLINELLI pour les discussions aussi fructueuses qu'informelles qui ont alimentées ce travail.
• Les innombrables êtres de chair et d'esprit, famille et amis, qui m'ont accompagnés et soutenu tout au long de ces années de recherche.

      Après définition des problèmes à aborder et description des projets pilotes qui sous-tendent le travail, la première partie pose les bases théoriques et opérationnelles : 1) Rappel des paramètres physiques. 2) Calcul analytique en situation géométrique simplifiée, permettant d'acquérir une bonne compréhension des phénomènes et de dégager les 'règles du pouce' utiles à l'ingénieur. Cette approche révèle également un phénomène nouveau et prometteur, le déphasage à amortissement quasi-nul d'une oscillation thermique. 3) Modélisation numérique, permettant d'étendre la capacité de calcul à des géométries plus complexes.

      La deuxième partie comprend l'analyse systémique de deux types d'utilisation des échangeurs air/sol : 1) Stockage diurne d'excès solaires en serres horticoles (boucle ouverte), étudié via une importante campagne de mesure. 2) Préchauffage / rafraîchissement par puits canadien (boucle fermée), mettant l'accent sur l'asymétrie fondamentale entre ces deux prestations et posant les bases d'une analyse énergétique complète du couplage d'échangeurs air/sol au bâtiment.