Exploiter la fraîcheur du sous-sol pour rafraîchir les bâtiments

Le sous-sol conserve une température constante toute l’année, offrant une réserve de fraicheur qu’il est possible d’exploiter via différentes méthodes pour rafraîchir les bâtiments et réduire la consommation d’énergie.
Enjeux d'adaptation

Adaptation du bâti aux fortes chaleurs

Face à l'intensification des vagues de chaleur estivales, à la récurrence des canicules et à l'accentuation des îlots de chaleur urbains (ICU), l'adaptation des bâtiments représente un défi sanitaire, énergétique et sociétal majeur. Les bâtiments construits ou rénovés selon les standards traditionnels s'avèrent souvent de véritables « pièges à calories », accentuant l'inconfort thermique des occupants et augmentant le recours à la climatisation active. 

Le sous-sol, dont la température demeure constante tout au long de l'année, peut constituer une source de fraîcheur alternative, bas-carbone et renouvelable. La géothermie notamment, lorsqu’elle est possible, est une solution qui peut permettre à la fois de chauffer en hiver et de rafraîchir en été, sans réchauffer l'air extérieur. 
Points forts

Une énergie décarbonée et renouvelable présente presque partout en France

  • Efficacité énergétique
  • Absence de rejets d'air chaud dans la ville
  • Absence de nuisances sonores ou visuelles
Description de la solution


Il existe plusieurs moyens de bénéficier de la fraîcheur du sous-sol, que cette fiche présente de manière synthétique : 


Le puits climatique ou provençal : un système passif relativement simple

Le puits climatique exploite l'inertie thermique du sol à faible profondeur (entre 1 et 4 mètres) pour pré-traiter l'air neuf insufflé dans un bâtiment. Le puits climatique est qualifié de "canadien" lorsqu’il permet d’insuffler de l’air chaud dans l’habitat (fonctionnement hivernal), et de "provençal" lorsque cet air permet de refroidir la température intérieure (fonctionnement estival).

Principes de fonctionnement


  • Stabilité thermique du sol : À partir de 1,5 à 3 mètres de profondeur, la température du sous-sol reste relativement constante tout au long de l'année (environ 10 °C à 15 °C en France métropolitaine).
  • Échangeur air-sol : L'air extérieur est aspiré par une borne de prise d'air, puis circule à travers un réseau de conduits enterrés pour réaliser l'échange thermique avec la terre.
  • Mode estival (puits provençal) : L'air chaud extérieur cède ses calories au sol plus frais. L'air insufflé dans le bâtiment peut ainsi être rafraîchi de 5 °C à 10°C selon le dimensionnement de l'installation et les conditions climatiques.
  • Mode hivernal (puits canadien) : L'air très froid de l'extérieur se préchauffe au contact du sol avant d'entrer dans le bâtiment, réduisant d'autant la consommation liée au chauffage.

Composants et caractéristiques techniques

     
  • Borne de prise d'air extérieure, équipée de grilles de protection et de filtres pour retenir les poussières, pollens, particules fines et insectes.
  • Conduits enterrés (tuyauteries étanches).
  • Gestion des condensats : Les conduits doivent impérativement respecter une pente minimale de 1 % à 2 % vers un point bas muni d'un siphon ou d'un regard d'évacuation afin d'éliminer les condensats générés par le refroidissement de l'air chaud et humide en été.
  • Système de ventilation (VMC) : Le puits est raccordé à la centrale de ventilation (VMC simple ou double flux) qui assure la distribution homogène de l'air pré-traité dans les pièces de vie.
  • Registre de dérivation (bypass) : Un volet motorisé permet de court-circuiter le réseau enterré à l'intersaison (printemps/automne) lorsque la température de l'air extérieur est directement agréable pour le bâtiment.

Avantages et performances

      
  • Très faible consommation électrique : Le fonctionnement repose uniquement sur l'énergie mécanique des ventilateurs du système de ventilation.
  • Absence de fluides frigorigènes polluant ou à fort potentiel de réchauffement climatique.
  • Confort hygrothermique : garantit un renouvellement d’air neuf continu, filtré et rafraîchi de manière douce, sans provoquer de flux d'air froid agressif ni rejet de chaleur dans la rue.
Puits climatique ©ADEME-BRGM 








Limites, entretien et contraintes d'installation


  • Compromis foncier et coût initial : L'implantation exige une surface de terrain non bâtie importante (30 à 50 mètres de linéaire enterré dégagés d'arbres ou de charges lourdes), rendant son déploiement complexe en milieu urbain dense et coûteux sur sols rocheux. 
  • Maintenance et hygiène stricte : La qualité de l'air repose sur le remplacement régulier des filtres et la parfaite évacuation des condensats. Une stagnation d'eau ou un conduit défectueux présente des risques de moisissures, d'odeurs, voire d'infiltration de radon selon les zones géographiques. 
  • Inertie et régulation du sol : En cas de canicule prolongée, le sol environnant peut progressivement emmagasiner de la chaleur, réduisant ponctuellement l'efficacité du rafraîchissement.


La géothermie de surface

La géothermie de surface exploite également l'énergie thermique du sous-sol à faible profondeur (de quelques mètres à 200 mètres en fonction du système), généralement pour assurer le chauffage en hiver, mais pouvant aussi assurer la production de froid en été ou l’acheminement du frais. Elle est une énergie décarbonée et renouvelable présente presque partout en France. En France métropolitaine, à partir de 10 mètres de profondeur, la température de la terre demeure constante toute l'année, oscillant généralement entre 8 °C et 16 °C selon la région et l'altitude.

La géothermie de surface représente un parc estimé en 2019 à environ 210 000 pompes à chaleur en France, pour une puissance installée de 1 980 MW thermiques et une production globale (chaleur et froid) d'environ 3 360 GWh/an, soit l'équivalent des besoins annuels en chauffage de près de 380 000 foyers.

Principe général de la géothermie de surface


La géothermie de surface peut être déployée sur quasiment tous les sous-sols, puisque deux techniques de captage existent :  

  • La géothermie sur nappe
Elle exploite une nappe d'eau souterraine  peu profonde, sans perte de ressource en eau puisqu’elle est entièrement réinjectée. Un premier puits prélève l'eau souterraine pour capter sa température, puis un second puits la réinjecte entièrement dans sa nappe d'origine après l'échange thermique, garantissant la préservation de la ressource.
C'est l'eau souterraine elle-même qui alimente directement un échangeur de chaleur intermédiaire (souvent à plaques) situé en surface avant d'être réinjectée sans altération chimique.

  • La géothermie sur sondes (ou corbeilles) :
Des sondes géothermiques verticales, avec des forages de 100 à 200 mètres, ou des corbeilles géothermiques (des tuyaux en spirale) enterrés à faible profondeur, entre 1,5 à 4 m, captent la fraîcheur du sous-sol.












Sondes © ADEME-BRGM                    Corbeilles © ADEME-BRGM


De l'eau (seule ou mélangé à un antigel, glycole) circule en circuit fermé dans les échangeurs enterrés pour capter la température de la terre.

Que ce soit sur nappe ou sur sondes, le principe en hiver repose sur une PAC. Pour rafraîchir en été, deux fonctionnements sont possibles :

  • La géothermie réversible
Elle utilise la pompe à chaleur (PAC) présente dans l’installation géothermique pour chauffer l’hiver, et dont le cycle du fluide frigorigène est ici inversé pour produire activement du froid en été. C’est donc une production de climatisation, mais où les calories du bâtiment sont rejetées dans le sous-sol, et non à l'extérieur, réduisant l'impact sur l'îlot de chaleur urbain. De plus, comparativement à une PAC qui rafraîchit l’air qu’elle puise à l’extérieur, dont la température peut être très haute, en géothermie la PAC bénéficie d’une température puisée toujours constante et déjà plutôt faible. Elle consomme donc potentiellement moins d’électricité, et le rendement est très stable.
 
Le système peut produire du froid compris entre 7 °C et 24 °C selon les émetteurs (planchers rafraîchissants, ventilo-convecteurs ou centrales de traitement d'air).
La technologie permet de fournir en même temps du chaud et du froid (par exemple pour l'eau chaude sanitaire tout en refroidissant les locaux) ou d'assurer la déshumidification de l'air.

  • Le géocooling
Aussi nommé freecooling géothermique, il fonctionne sans utiliser la pompe à chaleur, en utilisant directement la température du sous-sol, via un bypass activé automatiquement. Ce système ne produit donc pas du froid mais plutôt du frais, la température diffusée étant directement celle puisée dans le sous-sol. Il est moins énergivore que la géothermie réversible, mais assure moins de contrôle sur la température du bâtiment, notamment en période de très fortes chaleurs, puisque l’on doit « se contenter » des 8°C à 16°C du sous-sol.
 

Les avantages de produire du froid


  • Recharge de la ressource géothermale pour la saison hivernale
L’apport thermique généré par l’utilisation de la géothermie de surface pour produire du froid participe au rechargement de la ressource géothermale pour la saison hivernale. En effet, la chaleur extraite des locaux est réinjectée dans le sous-sol (ou la nappe). Cette alternance saisonnière préserve la ressource sur le long-terme.

L'équilibre annuel entre calories extraites et réinjectées doit faire l'objet de vérifications pour garantir que le gisement thermique reste pérenne et inchangé dans le temps. Le Cerema propose une série de fiches pédagogiques sur les différents impacts des aménagements sur l'eau souterraine dans les espaces urbains. À Lyon, un observatoire du réchauffement de la nappe a été mis en place avec le Cerema afin d’établir une stratégie de gestion et d’exploitation de la ressource géothermique. 
 
  • Performance énergétique et efficacité
Dans le cas du géocooling, seuls les circulateurs ou les pompes hydrauliques de forage sont en fonctionnement, consommant donc très peu d'énergie avec un très bon rendement. L'ADEME indique que pour 1 kWh d’électricité consommée, on produit 50 kWh de froid. 
 

Les conditions pour mettre en place de la géothermie

      
  • Cadre réglementaire français : Les travaux de forage et d'exploitation du sous-sol sont strictement en cadrés par le Code de l'environnement et le Code minier. Selon la profondeur (notamment plus de 10 mètres), la puissance prélevée et les volumes d'eau prélevés, les projets relèvent du régime simplificateur de la Géothermie de Minime Importance (GMI) (régime déclaratif) ou des régimes d'autorisation et de déclaration du Code minier / Loi sur l'eau.
  • Superficie et contraintes de sol : Le besoin d'espace dépend de la technologie retenue : les sondes verticales (dans la terre) exigent du terrain libre en surface, tandis que le forage sur nappe phréatique (dans l'eau) nécessite moins de surface mais dépend directement d'une eau présente en quantité et qualité suffisantes. Pour la géothermie sur nappe, il faut également pouvoir espacer le puits de prélèvement et le puits de rejet de plusieurs dizaines de mètres afin d'éviter que l'eau rejetée ne réchauffe l'eau captée (bouclage thermique).
  • Équipements intérieurs (émetteurs) : Pour diffuser le frais sans risquer de créer de la condensation (gouttelettes d'eau sur les parois), le bâtiment doit être équipé d'émetteurs adaptés : planchers ou plafonds rafraîchissants, ventilo-convecteurs ou centrales d'air (CTA). En rénovation, le remplacement des radiateurs classiques est donc souvent obligatoire.
  • Entretien : Les besoins varient selon la technologie. Les sondes (boucle fermée) demandent peu d'entretien, limité à la vérification annuelle de la PAC et des circulateurs, au contrôle du point de congélation tous les 3 ans et au remplacement du fluide caloporteur tous les 5 ans. Les systèmes sur nappe (boucle ouverte) nécessitent un suivi adapté à l'aquifère capté : la maintenance annuelle implique de contrôler la qualité de l'eau, les paramètres physico-chimiques, les niveaux d'eau et le débit pour prévenir l'encrassement, avec une inspection endoscopique des forages tous les 5 à 10 ans.
  • Viabilité économique : La rentabilité financière repose sur une utilisation mixte : chauffer en hiver et rafraîchir en été. Le rafraîchissement seul ne suffit pas à amortir l'investissement initial.

Les étapes pour se lancer :


  • Étude de faisabilité : Réalisée par des spécialistes pour vérifier le potentiel du sol et valider le modèle économique.
  • Forage de test : Indispensable pour confirmer le débit et la qualité de l'eau avant de lancer les travaux définitifs.



Aménagement et valorisation des sous-sols bâtis

Cette section rassemble des pistes d'action encore émergentes ou peu déployées, mais qui constituent des leviers d'adaptation intéressants qui pourraient être explorés : 
 
  • Distribution de la fraîcheur par l'air : Il est possible d'aspirer l'air frais du sous-sol pour le distribuer dans le bâtiment via le système de ventilation ou les conduits de cheminés. Cette solution demande toute fois un suivi rigoureux de la qualité de l'air (filtrage de la poussière, contrôle de l'humidité et gestion du radon, un gaz naturel présent dans certains sols). L'entreprise VestaClim et le Syndicat du Génie Climatique Couverture Plomberie (GGCP) expérimentent actuellement cette solution.
  • Déplacement des activités génératrices de chaleur : Certaines tâches quotidiennes ou équipements dégagent beaucoup de chaleur ambiante. Les regrouper au sous-sol permet de ne pas surchauffer les pièces de vie ou de travail. C'est le cas par exemple des buanderies ou laveries collectives très répandues en Suisse.
  • Création d'espaces de repli frais : Les niveaux enterrés peuvent être aménagés en espaces de confort temporaires (salles de repos, salles de projection, espaces de réunion ou de jeux) pour permettre aux occupants de faire une pause au frais.
Une stratégie efficace de lutte contre les fortes chaleurs repose sur l’association de différents principes bioclimatiques. Retrouvez les autres solutions ici

Retours d'expérience

Deux retours d'expérience franciliens, sur sonde et sur nappe : 

  • Géothermie sur sonde d’une pension de famille (Ivry-sur-Seine) 

    Porté par l'association Solidarités Nouvelles pour le Logement (SNL) et conçu par l'agence d'architecture Grand 8 avec le bureau d'études thermiques Switch, le projet est une réhabilitation lourde d'un ancien foyer de travailleurs migrants. Prévu pour une livraison en avril 2027, le site comprend 29 logements (20 en pension de famille et 9 en habitat inclusif) accompagnés de locaux communs, d'une buanderie partagée et d'une salle ouverte sur le quartier. Le projet s'inscrit dans la démarche Bâtiments Durables Franciliens (BDF) d’Ékopolis, avec un objectif d'autonomie énergétique et d'amortissement des investissements sur 10 à 15 ans par l'association gestionnaire.

    Dispositif géothermique et solution de rafraîchissement (géocooling)


    L'installation repose sur la géothermie de surface avec quatre sondes descendues à 150 mètres de profondeur pour assurer le chauffage et le rafraîchissement passif (géocooling), avec un gain estimé de 3 à 4 °C en période estivale. Les retours du maître d'ouvrage soulignent une mise en œuvre rapide (48 h de forage par sonde) mais génératrice de nuisances sonores, une disponibilité restreinte des entreprises spécialisées et une complexité d'accès aux subventions de l'ADEME (qui financent l'ingénierie AMO mais non la réalisation des travaux). SNL systématise désormais la démarche de recherche de potentialité de géothermie via le portail du BRGM pour ses futurs projets (notamment à Soisy-sur-Seine).

    Investissement financier:  

    Le coût spécifique de l'infrastructure géothermique s'élève à 150 000 € HT, avec un amortissement estimé sur 10 ans.

    Autres solutions bioclimatiques déployées


    Le projet combine un ensemble d'aménagements passifs et bas-carbone :

    • Performance de l'enveloppe et matériaux biosourcés : isolation en caissons bois-paille sur la façade centrale et fibre de bois sur le reste du bâtiment.
    • Ventilation et rafraîchissement naturel : logements tous traversants couplés à un système d'extraction par cheminées thermiques (tours à vent) traversant les pièces humides jusqu'en toiture.
    • Énergies renouvelables et récupération : installation de 250 m² de panneaux photovoltaïques en toiture et récupération de la chaleur des eaux grises pour l'alimentation des pompes à chaleur (PAC).
    • Gestion de l'eau et espaces extérieurs : stockage des eaux de pluie via 12 cuves pour l'alimentation des sanitaires et l'arrosage d'un potager partagé avec serre en réemploi, création d'une mare et aménagement paysager.
    • Réemploi et démarche sociale : organisation de chantiers participatifs mensuels, intégration d'entreprises d'insertion (Travail et Vie) et réemploi de matériaux (faïences en mosaïque, tomettes, bois de charpente et menuiseries issues de déconstructions).

  • Géothermie sur nappe pour bureaux et commerces (Paris 11ᵉ)

    Lors d'une opération de réhabilitation de logements en bureaux et commerces à Paris 11ᵉ par AG Real Estate France, une installation de géothermie sur nappe a été intégrée en sous-sol bâti pour répondre aux besoins thermiques du site et alimenter les 6 000 m² de bureaux et 1 900 m² de commerces en chaud et en froid. Ce retour d'expérience documente la faisabilité technique d'un forage réalisé sous des fondations existantes en faible hauteur sous plafond, l'impact sur le foncier ainsi que la réaffectation des surfaces de toiture.

    Caractéristiques du projet, faisabilité technique et implantation foncière


    Lancés en étude en 2018, avec un premier forage en 2020 et une livraison en 2024, les aménagements couvrent 100 % des besoins annuels en chaud (210 MWh/an) et en froid (400 MWh/an). La réalisation a nécessité le forage de deux puits de 60 mètres de profondeur directement depuis le 2ᵉ sous-sol avec 508 mm puis 380 mm de diamètres, malgré la présence des fondations et une hauteur sous plafond restreinte (2,10 m). L'installation requiert un regard dédié, un point d'eau et un local technique pour la pompe à chaleur (PAC). Sur le plan foncier, une distance de 40 mètres a été respectée entre les deux puits, s'inscrivant dans la plage recommandée de 30 à 100 mètres.
    L'intégration des équipements techniques en sous-sol a permis de libérer la toiture pour y aménager des espaces végétalisés.

    Planning du projet géothermie


    Phase 1· Études & autorisations (2018 - 2020)
    • Février 2018 : Avant-Projet Sommaire - faisabilité sommaire géothermie
    • Juin 2019 : Avant-Projet Détaillé objectif 100 % géothermie
    • Janvier 2020 : Dépôt du Permis de Construire et constitution du dossier de garantie Aquapac
    Phase 2 · Démolition & forages (2020 - 2021)
    • Février 2020 : Libération du site
    • Mars 2020 : 1ᵉʳ forage (reconnaissance) résultats concluants (60 m³/h · 15 °C)
    • Octobre 2021 : 2ᵉ forage
    Phase 3 · Construction & mise en service (2022 - 2024)
    • Fin 2022 : Équipement des puits, installation des pompes à chaleur et du système de géocooling
    • Fin 2023 : Achèvement des travaux CVC, essais et phase de mise au point.
    • Mars 2024 : Réception et livraison du projet (100 % géothermie).

    Exploitation et entretien


    La maintenance implique un suivi technique tous les 2 à 3 ans, un nettoyage des filtres tous les 8 à 10 ans et le remplacement préventif de la pompe d'extraction tous les 10 à 15 ans. On note toutefois l'absence de contrat d'exploitation conjointe entre l'entreprise de forage (Sanfor) et le prestataire CVC (Tempeol). 

    Investissement financier: 

    • Coût global des travaux de forage et production : environ 520 000 € HT, dont 350 000 € pour les forages
    • Subvention ADEME : 60 900 €
    • 43% d'économies d'énergie
    • 79% de décarbonation

Retours utilisateurs-rices

Co-bénéfices

Co-bénéfices environnementaux :

  •  Sobriété
  • Transition énergétique

Co-bénéfices autres :

Par rapport à des systèmes de climatisation classique : Suppression des rejets de chaleur dans la rue, réduction de la facture d'électricité estivale, confort thermique stable et silencieux.
Coûts

Coûts d'investissement 

Le coût de premier investissement élevé en raison des travaux de sous-sol, mais l'installation s'amortit progressivement grâce à des dépenses de fonctionnement très faibles et à la grande durabilité des infrastructures enterrées. 

Plus fraîche ma ville indique les couts suivants pour la géothermie de surface :

  • Sondes géothermiques entre 70 et 140 € HT/m linéaire (fourniture et pose) ;
  • Corbeilles géothermiques entre 1 200 et 1 800 € HT l'unité (fourniture et pose) ;
  • Forage sur nappe entre 300 et 1 700 € HT / mètre linéaire (fournitureet pose) ;
  • Pompe à chaleur entre 300 et 800 € HT / kW (fourniture et pose) ;
  • Coût d'entretien entre 8 et10 € HT / MWh par an. 

Aides financières

En Île-de-France, la Métropole du Grand Paris et la Région peuvent financer des opérations de géothermie pour des bâtiments publics.

Partout en France, le Fonds Chaleur de l'ADEME accompagne financièrement la réalisation d’installations de pompes à chaleur géothermiques et la production de rafraîchissement par géocooling pour les entreprises et les collectivités. L’aide du Fonds chaleur au rafraîchissement par géocooling est de 260 € / MWh (pour les installations inférieures à 2 000 MWh d’EnR / an). En amont des aides aux investissements, le Fonds chaleur peut être également mobilisé pour financer les études d’accompagnement de projet de géothermie adapté à tout bâtiment collectif.

En savoir plus sur les aides financières

Points d'attentions

  • Pour que le géocooling fonctionne efficacement, la température du sol doit être plus basse que la température nécessaire pour le refroidissement du bâtiment. Par exemple, si la température du sol est de 10 °C, un bâtiment qui nécessite un refroidissement entre 12 °C et 7 °C ne pourra pas utiliser le géocooling. En revanche, un bâtiment qui nécessite un refroidissement entre 18 °C et 13 °C pourra en bénéficier. 
  • L’utilisation de la fraîcheur (ou de la chaleur) du sous-sol varie en fonction de la saison. Il est donc fréquent que le géocooling ne couvre qu'une partie des besoins en climatisation, le plus souvent en intersaison. Lors de fortes chaleurs, lorsque le géocooling seul ne suffit plus, une pompe à chaleur géothermique (PAC) fonctionnant en mode réversible peut prendre le relais pour fournir la puissance de refroidissement nécessaire. Lorsque le géocooling est couplé à une PAC, la production de froid n’est requise qu’en cas de besoin exceptionnel. La climatisation via une PAC géothermique ne contribue pas aux îlots de chaleur urbain. 
  • Les coûts d’installation et de maintenance sont étroitement déterminés par le choix des matériaux et des sources de fraîcheur choisies, qu'il s'agisse de sondes, de nappes phréatiques, de corbeilles géothermiques, etc.  
  • Le recours au géocooling ne dispense pas le gestionnaire du bâtiment de combiner cette solution avec d'autres mesures : cela peut inclure l'utilisation de brasseurs d’air, de dispositifs de protections solaires, la mise en place de la surventilation nocturne, entre autres exemples.     

Prestataire(s)

  • GEOSOPHY

    Entreprise spécialisée dans les études de faisabilité et la modélisation numérique pour l'optimisation des projets géothermiques.


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  • STRATEGEO CONSEIL

    Bureau d'études spécialisé dans l'ingénierie géothermique, assurant la maîtrise d'œuvre, le suivi d'exploitation et la gestion technique des installations.
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  • SANFOR

    Entreprise spécialisée dans la réalisation de forages d'eau et géothermiques, l'installation des systèmes de pompage ainsi que la maintenance et réhabilitation des ouvrages.


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