Étude de terrain sur la performance d’échange thermique et les propriétés thermo‑mécaniques des pieux énergétiques PHC pré‑forés

Transformer les fondations en assistants énergétiques discrets

Alors que les villes cherchent des moyens plus propres de chauffer et rafraîchir les bâtiments, les ingénieurs se tournent vers ce qui se trouve déjà sous nos pieds : les fondations qui soutiennent les structures. Cette étude porte sur un nouveau type de pieu de fondation capable de transférer discrètement la chaleur vers le sol et depuis celui‑ci tout en remplissant sa fonction principale de soutien. En testant ces « pieux énergétiques » à l’échelle réelle, les chercheurs montrent leur efficacité d’échange thermique et la façon dont ils supportent en toute sécurité les sollicitations supplémentaires que génèrent les variations de température au sein du béton.

Pourquoi utiliser le sol pour chauffer et rafraîchir ?

Les systèmes classiques de pompe à chaleur sur source de sol chauffent et rafraîchissent les bâtiments en faisant circuler un fluide dans de longs tuyaux enfouis dans des forages. Bien qu’efficaces, ces systèmes exigent des forages supplémentaires qui occupent l’espace souterrain et augmentent les coûts de construction. Les pieux énergétiques combinent soutien structurel et échange thermique en un seul élément : les mêmes pieux en béton qui portent la charge d’un bâtiment hébergent aussi des tuyaux en plastique qui véhiculent l’eau porteuse de chaleur. Cette recherche se concentre sur une version particulière dite pieu énergétique PHC pré‑foré, où un pieu en béton à haute résistance est placé dans un trou préalablement foré et rempli de coulis, les tuyaux d’échange thermique étant fixés à l’extérieur du pieu plutôt qu’encastrés à l’intérieur. Ce simple changement d’emplacement des tuyaux s’avère déterminant pour la performance et la durabilité.

Un nouveau concept de pieu qui protège les tuyaux

Dans les villes chinoises denses, les pieux forés traditionnels génèrent des boues et les pieux battus peuvent compacter excessivement le sol, limitant leur usage. Le pieu planté pré‑foré et coulé (PGP) évite ces deux problèmes en forant un trou, en le remplissant de sol cimenté, puis en insérant un pieu préfabriqué dans cette colonne souple. Les auteurs ont adapté cette méthode en un « pieu énergétique PHC pré‑foré » en collant les tuyaux plastiques d’échange thermique directement à l’extérieur du pieu en béton avant l’insertion. Comme le pieu glisse dans le sol cimenté encore fluide, les tuyaux subissent très peu de contraintes et sont protégés contre les dommages. Sur un projet réel de 46 pieux, la pression dans chaque tuyau est restée inchangée après l’installation, indiquant qu’aucun n’était endommagé — un taux de survie de 100 %, nettement supérieur à de nombreuses approches conventionnelles.

Mesurer le flux de chaleur en profondeur

Pour évaluer l’efficacité de ces pieux à transférer la chaleur, l’équipe a instrumenté deux pieux à l’échelle réelle, chacun de 45 mètres de long, avec des capteurs à fibre optique distribués collés le long de la surface en béton. Ces fibres de verre ultra‑fines mesurent en continu la température et la déformation le long de la profondeur du pieu. D’abord, les chercheurs ont réalisé un essai à flux thermique constant pour déterminer la conductivité thermique du sol environnant, trouvant une conductivité globale d’environ 1,98 watts par mètre et par degré Celsius — typique des argiles et limons humides. Puis ils ont simulé une exploitation réelle du bâtiment. En conditions « été », de l’eau chaude à environ 35 °C a circulé dans les tuyaux pendant 48 heures. Chaque pieu a fourni environ 77–85 watts de chaleur par mètre de longueur, donnant une moyenne de 81,3 W/m. C’est supérieur aux valeurs typiques de nombreux pieux énergétiques conventionnels et même meilleur que beaucoup de forages de pompe à chaleur sur nappe, vraisemblablement parce que les tuyaux sont en contact direct avec le sol environnant plutôt qu’enfouis dans l’intérieur plus frais du béton.

Comment la chaleur fait dilater et contracter une fondation

Chaque fois que le pieu est chauffé ou refroidi, il tend à se dilater ou à se contracter, mais le sol environnant et la structure du bâtiment le contraignent partiellement. Cette contrainte transforme la variation de température en efforts mécaniques à l’intérieur du béton. Les capteurs à fibre optique ont enregistré de très faibles allongements et compressions (mesurés en micro‑déformations) le long du pieu lors du réchauffement et du refroidissement. En chauffage estival, les pieux se sont dilatés, montrant les plus grandes déformations à la tête libre et à la base mais la plus forte compression interne au milieu, où le mouvement était le plus restreint par le sol. La contrainte de compression thermique maximale a culminé autour de 2 mégapascals (MPa), bien en dessous de la résistance en compression du béton d’environ 80 MPa. En conditions hivernales, lorsque de l’eau à 8 °C a refroidi le pieu, le béton s’est contracté et des déformations de traction sont apparues. La contrainte de traction maximale a atteint environ −1,6 MPa près de la moitié de la profondeur — encore inférieure à la résistance en traction du pieu mais déjà proche de 20 % de sa limite estimée, signe que des cycles répétés sur de nombreuses saisons pourraient devenir importants pour la sécurité à long terme.

Ce que cela signifie pour les bâtiments de demain

L’étude montre que les pieux énergétiques PHC pré‑forés peuvent combiner de façon fiable le soutien structurel et un échange thermique efficace, avec une excellente survie des tuyaux lors de l’installation et un rendement thermique par mètre supérieur à la moyenne. Pour les propriétaires et les aménageurs urbains, cela signifie que les fondations pourraient contribuer discrètement à réduire la consommation d’énergie et les émissions sans exiger d’espace souterrain supplémentaire. En même temps, le travail met en évidence un point de conception clé : en fonctionnement hivernal, les pieux subissent des contraintes de traction notables qu’il faut prendre en compte, surtout sur de nombreuses années de cycles de chauffage et de refroidissement. Les recherches futures se concentreront sur l’accumulation de ces contraintes dans le temps, mais le message initial est prometteur — nos fondations peuvent remplir une double fonction en tant que composants discrets et durables de systèmes de chauffage et de refroidissement plus propres.

Citation: Zhou, Jj., Zhang, Rh., Yu, Jl. et al. Field study on heat transfer performance and thermo-mechanical properties of pre-bored PHC energy pile. Sci Rep 16, 7781 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37817-z

Mots-clés: pieux énergétiques, pompe à chaleur géothermique, fondations géothermiques, chauffage et climatisation des bâtiments, énergie souterraine urbaine