Thermo-Active Foundations for Net-Zero Buildings: A Transferable Energy-Geostructure Design Framework from the United Kingdom to the Peruvian Andes

Résumé technique : Fondations thermo-actives pour les bâtiments à émission nette zéro

Énoncé du problème
Les géostructures énergétiques (EGS) — des éléments de fondation tels que des pieux et des parois intégrés à des échangeurs de chaleur au sol — constituent une stratégie mature et bas carbone pour le chauffage et le refroidissement des bâtiments au Royaume- l'Unité et aux États-Unis. Cependant, un écart de connaissances important subsiste concernant leur application dans les régions de l'Amérique latine, spécifiquement au Pérou, qui sont géologiquement distinctes et à risque sismique élevé. Malgré le fait que le risque sismique élevé au Pérou nécessite des pieux forés profs pour la plupart des bâtiments de moyenne et grande hauteur (selon le code national du bâtiment NTE E.030), et une demande croissante en refroidissement mécanique à Lima, aucune installation d'EGS n'est documentée dans la littérature scientifique indexée du pays. De plus, aucune directive de conception locale n'existe pour coupler les fondations avec l'échange thermique au sol, et il y a un manque de données cartographiées sur la conductivité thermique des sols superficiels dans les Andes péruviennes, ce qui est critique pour la conception.

Méthodologie
Cette étude est une analyse technique comparative structurée, basée sur la littérature. Elle n'implique pas de nouvelles instrumentations de terrain, de tests en laboratoire ou de collecte de données humaines. La méthodologie se compose de trois composantes primaires :

1. Synthèse des cadres britanniques : Une consolidation des paramètres de conception géotechnique, thermique et thermo-mécanique ainsi que des équations directrices (par exemple, le flux thermique conducteur de Fourier, la réponse radiale transitoire, la contrainte axiale thermo-mécanique contrainte) utilisés pour les pieux énergétiques au Royaume-Uni.
2. Matrice comparative quantitative : Une matrice construite exclusivement à partir de données rapportées dans des sources évaluées par les pairs et vérifiées par DOI pour le Royaume-Uni, les États-Unis et des conditions de sol andines analogues (spécifiquement une cartographie géospatiale de l'Équateur de 2025). Pour les paramètres où les données péruviennes sont absentes, les valeurs sont explicitement étiquetées comme « projetées » sur la base des analogues andins les plus proches disponibles.
3. Proposition de trajectoire d'adaptation : Une proposition de parcours de construction et d'instrumentation par étapes pour le Pérou qui intègre la construction des EGS aux codes sismiques et géotechniques obligatoires (NTE E.050, E.060, E.030).

Principales contributions
L'article fournit la première traduction systématique et quantitative de l'expérience des pieux énergétiques du Royaume-Uni et des États-Unis au contexte péruvien. Ses contributions spécifiques incluent :

• Synthèse de la base de conception : Organisation de cadres de conception thermo-mécanique complexes sous une forme utilisable par les ingénieurs praticiens au Pérou.
• Analyse comparative : Établissement d'une matrice sourcée contrastant les paramètres britanniques, américains et les paramètres projetés du Pérou (incluant la conductivité thermique du sol, la technologie dominante et la performance du cycle de vie).
• Trajectoire conforme aux codes : Proposition d'une procédure de construction spécifique où la fonction d'échange d'énergie est traitée comme un ajout de rénovation aux pieux sismiques déjà imposés par la loi péruvienne. Cette trajectoire détaille l'intégration de circuits en boucle U en PEHD avec les armatures, assurant la compatibilité avec les exigences de détail sismique.
• Spécification de pilote : Définition des exigences pour le premier pieu énergétique instrumenté pilote de Lima au Pérou, incluant l'utilisation de tests de réponse thermique, de jauges de déformation et de thermocouples pour valider les valeurs projetées.

Résultats
L'étude souligne que, bien que la technologie EGS soit mature au Royaume-Uni et aux États-Unis, son application au Pérou demeure théorique.

• Projections de performance : Sur la base des évaluations du cycle de vie internationales, les systèmes à source de chaleur au sol devraient réduire la consommation d'énergie opérationnelle d'environ 40 % et les émissions de carbone d'environ 35 % par rapport aux bases de référence CVC à base de combustibles fossiles. Cependant, l'article note que ces chiffres dépendent des facteurs d'émissions du réseau local ; le réseau dominé par l'hydroélectricité au Pérou peut modifier la logique d'évitement du carbone par rapport aux réseaux dépendants du charbon.
• Conductivité thermique : En utilisant les données de l'Équateur comme analogue, l'étude projette que plus de 70 % des sites andins (incluant le Pérou) ont probablement une conductivité thermique du sol supérieure à 1,25 W·m⁻¹·K⁻¹, avec une plage projetée de 1,0 à 2,3 W·m⁻¹·K⁻¹.
• Logique économique : La logique du coût marginal pour les pieux énergétiques au Pérou est jugée favorable en principe, car les pieux profonds sont déjà requis pour la sécurité sismique, ce qui signifie que le coût supplémentaire est limité aux boucles d'échangeur de chaleur et à la pompe à chaleur, de manière similaire à la logique appliquée à Londres et dans les villes nord-américaines.
• Lacune de données : Crucialement, les résultats confirment qu'aucun pieu énergétique péruvien instrumenté n'existe actuellement. Par conséquent, toutes les valeurs quantitatives spécifiques au Péru présentées dans l'étude sont des projections, et non des mesures empiriques.

Signification et affirmations
L'article affirme modestement combler un écart de connaissances spécifique en assemblant une trajectoire d'adaptation défendable, conforme aux codes et logiquement rentable pour le Pérou. Il ne prétend pas avoir généré de nouvelles données de terrain ou avoir validé la technologie localement. Au contraire, sa signification réside dans :

1. Combler le fossé : Fournir un cadre structuré pour traduire les pratiques internationales établies vers une région sismiquement active et sous-recherchée.
2. Définir la prochaine étape : Identifier explicitement la construction d'un seul pieu énergétique pilote entièrement instrumenté à Lima comme la prochaine étape nécessaire. Les auteurs affirment que sans ce pilote, les valeurs projetées présentées ne peuvent être élevées au rang de paramètres de conception validés.
3. Distinguer les faits des projections : Maintenir rigoureusement une distinction entre les résultats de terrain documentés (du Royaume-Uni et des États-Unis) et les estimations génératrices d'hypothèses pour le Pérou, garantissant que le cadre proposé est transparent quant à sa nature théorique en attendant une vérification locale.