Sommaire
Principe
À l’état naturel, le sous-sol garde une température relativement constante de l’ordre de 10 à 14 °C à partir d’une profondeur d’une dizaine de mètres en Europe occidentale. Cette température peut varier selon les régions et les caractéristiques géologiques locales.
On peut donc logiquement exploiter cette ressource comme source naturelle de froid. Un réseau véhiculant un fluide caloporteur parcourant le sous-sol permet de produire de l’eau à température adéquate pour rafraîchir un bâtiment sans recourir à des systèmes de climatisation énergivores.
On appelle cela du “géocooling” ou “rafraîchissement géothermique passif”.
De même, cette température de 10 à 14 °C, plus élevée et plus stable que la température extérieure hivernale, constitue une source froide idéale pour une pompe à chaleur (PAC) de type sol/eau, permettant de chauffer efficacement le bâtiment en hiver avec un coefficient de performance (COP) optimisé.
On parle alors de “géothermie” ou plus précisément de “géothermie très basse énergie”.
Technologie des sondes géothermiques
Les systèmes fermés et ouverts
- Les forages ou sondes géothermiques verticales (SGV)
- Les pieux géothermiques (ou géostructures énergétiques)
- Les capteurs horizontaux (ou nappes horizontales)
Forages géothermiques
Source : REHAU.
Variantes : Sondes coaxiales en acier
Les forages géothermiques présentent une série de contraintes comme :
- la nécessité d’espace pour effectuer les forages;
- la gestion du forage au travers de couches de sous-sol parfois hétérogènes;
- la nécessité de maximiser l’échange de chaleur tout en garantissant la tenue mécanique des sondes,
- …
Cela conduit les fabricants à proposer des alternatives aux sondes traditionnelles en “double U”.
Il existe ainsi des sondes coaxiales : l’eau en provenance du bâtiment circule dans la périphérie de la sonde et revient par le cœur pour délivrer son énergie au bâtiment.
Exemple de sonde coaxiale en PE : le fabricant annonce que les performances d’une sonde de dimension 63 mm / 40 mm
correspondent à une sonde géothermique double U de dia. 32 mm.
Source : www.hakagerodur.ch
Pour encore augmenter l’échange thermique avec le sol les sondes peuvent être réalisées en acier (avec protection cathodique) ou en inox, sans enrobage : le tube périphérique est en métal et le tube intérieur en PE.
L’augmentation du transfert de chaleur, permet alors réduire le nombre de forages et la longueur des sondes. Ainsi des tests de réponse thermique montrent qu’en moyenne, les sondes coaxiales en inox ont une résistance thermique 2 fois moindre qu’une sonde avec doubles U en PE. Cela permettrait une puissance d’extraction de 10 à 20 % supérieure.
Exemple de sondes en acier, à visser (longueur de 3 m).
Source : Thermo-pieux.
Exemple de sonde en inox introduite par forage ou “vibro-fonçage”. La profondeur peut atteindre une centaine de mètres.
Source : geo-green.
La technologie des sondes coaxiales ouvre la porte à des installations avec des forages en étoile au départ d’un point d’entrée unique dans des lieux où l’accès pour des forages parallèles espacés n’est pas possible (par exemple, une cour intérieure dans un site existant).
Forages en “étoile” : on parle dans la littérature de “racines géothermiques”.
Pieux géothermiques
Une alternative aux forages consiste à intégrer les échangeurs géothermiques aux pieux de structure d’un bâtiment. Cela se justifie parce que ceux-ci sont souvent nécessaires dans des sous-sols humides, sous-sols favorables aussi à la géothermie.
On justifie cette technique par un souci de rationaliser les techniques en les combinant. Cependant, la pratique ne prouve pas que les coûts soient inférieurs par rapport à des installations distinctes. La mise en œuvre des pieux se complique également. La gestion de l’installation doit également interdire que les pieux de fondation ne gèlent en mode de chauffage hivernal.
Exemples de réalisation : La crèche de l’île aux oiseaux, ville de Mons : 16 pieux géothermiques de 10 m.
La crèche de l’ile aux oiseaux de Mons.
Aéroport de Zurich : 350 pieux géothermiques de 30 m de profondeur.
Nappes horizontales
La géothermie se décline également sous la forme de nappes de tuyaux déployés horizontalement à faible profondeur (0,6 à 1,2 m).
Le système est peu applicable dans le secteur tertiaire. En effet,
- Il demande une surface de terrain très importante : de 28 à 100 m²/kW de puissance de chauffage nécessaire.
- En hiver, elle peut conduire à un refroidissement excessif du sol préjudiciable à la végétation.
- L’utilisation en refroidissement n’est guère possible, la température du sol étant fortement soumise à l’environnement extérieur.
Alternative pour les bâtiments de taille réduite : les sondes de faible profondeur.
Pour les petits projets, pour lesquels un forage n’est pas autorisé et où les systèmes horizontaux ne disposent pas de surface suffisante, certains fabricants proposent des sondes de petite taille constituées d’un échangeur spiralé. Ce système permet notamment de limiter l’influence que peut avoir la géothermie sur la couche de sol où se développe la végétation.
Source : SANA FONDATIONS sprl.
Cas particulier : le puits canadien
Le puits canadien ou puits provençal constitue une forme de géothermie puisque l’air neuf de ventilation est prétraité (chauffé ou refroidi) par son passage dans le sol.
Pour en savoir plus sur le puits canadien. |
Schémas de principe
Traditionnellement, on retrouve 2 types de schéma de principe, selon que le froid est produit par échange direct avec le sol soit par la pompe à chaleur réversible utilisant le sol comme source chaude. Une troisième configuration se retrouve lorsqu’on puise directement l’eau de la nappe phréatique.
Free cooling direct
En été : le froid est produit par échange direct avec le sol et distribué via un échangeur vers les unités terminales. Le géocooling est ainsi mis en œuvre moyennant uniquement la consommation de pompes. Si on compare cette consommation à l’énergie frigorifique produite, on calcule un ESEER équivalent du système de l’ordre de …12…, voire plus en fonction des dimensionnements des équipements. Souvent une machine de production de froid vient en appoint pour satisfaire les demandes de pointes ou pour alimenter des utilisateurs demandant des températures d’eau plus basses (comme les groupes de traitement d’air).
En hiver, le sol sert de source froide à une pompe à chaleur sol/eau. Le coefficient de performance saisonnier obtenu varie entre 4,5 et 5,5. Une chaudière est utilisée en appoint pour couvrir les pointes de puissance par grands froids. Généralement, le système est dimensionné pour que la PAC couvre environ 70 % du besoin de chaud grâce à environ 30 % de la puissance totale nécessaire.
Recharge du sol par pompe à chaleur réversible
La pompe à chaleur sol/eau est réversible. En été, elle fonctionne comme un groupe de production d’eau glacée en utilisant le sol pour évacuer la chaleur de son condenseur régénérant ainsi ce dernier.
L’avantage d’un tel système est de mieux gérer la recharge du sol et peut-être de pouvoir se passer d’un groupe de froid d’appoint et d’un échangeur intermédiaire. L’investissement est donc moindre.
En contrepartie, alors que l’on peut toujours parler de stockage géothermique, il ne s’agit plus réellement de géocooling naturel puisqu’il est nécessaire de faire fonctionner une machine thermodynamique pour extraire le “froid” du sol. Le bilan énergétique global est donc moins favorable.
Systèmes ouverts
Si la nappe phréatique se situe près de la surface du sol, on peut envisager de puiser directement l’eau dans cette dernière plutôt que de la parcourir avec un échangeur et un fluide caloporteur. On parle de système ouvert. Dans ce cas, l’eau de la nappe sert par l’intermédiaire d’un échangeur :
- En mode chauffage, de source froide à une pompe à chaleur.
- En mode refroidissement, de source de froid directe pour une boucle d’eau.
L’eau puisée est ensuite réinjectée dans la nappe à une certaine distance créant ainsi 2 zones dans la nappe phréatique à températures différentes, l’eau passant de l’une à l’autre en fonction de la saison :
- En hiver une zone se refroidit par l’eau réinjectée après échange avec la pompe à chaleur.
- En été l’eau est pompée en sens inverse de cette zone et réinjectée plus chaude dans la zone de puisage hivernal.
Étant donné les mouvements dans les nappes phréatiques et en fonction de la distance entre les zones chaude et froide, l’influence d’un éventuel déséquilibre entre les besoins de chauffage et de refroidissement est nettement moindre dans le cas d’un système ouvert par rapport à un système fermé.
En outre, il est également possible de produire du chaud et du froid en même temps dans le bâtiment. En effet, si nécessaire, l’eau pompée de la nappe peut être dirigée à la fois vers la pompe à chaleur et vers l’échangeur de géocooling ou vers un échangeur commun entre les productions de chaud et de froid.
Exemples d’installations
Le schéma ci-dessous est proposé par un constructeur allemand. Il permet le chauffage par pompe à chaleur, le refroidissement libre par un échangeur vers les sondes géothermiques, éventuellement assisté par le fonctionnement réversible de la pompe à chaleur.
Le schéma ci-après, plus complet, permet un fonctionnement mixte en mi-saison : une chaudière alimente la zone périphérique en chaleur, alors que simultanément, la zone centrale est refroidie par l’échangeur dans le sol via la pompe à chaleur. Attention cependant à la destruction d’énergie qui pénalise l’intérêt énergétique de ce système.
Étude d’un projet de géothermie
Un projet de géothermie consiste à mettre en corrélation le comportement thermique du bâtiment et celui du sous-sol. Tout cela se passe de façon dynamique : les besoins varient, le sol se charge, se décharge, échange avec son voisinage tout cela sur une échelle de temps quotidienne, mais aussi saisonnière. Cela justifie l’utilisation d’outils de simulation thermique dynamique prenant en compte la variabilité des besoins, des échanges et l’inertie du système.
Étapes de l’étude d’un projet de géothermie :
- Définir les besoins par simulations dynamiques en évaluant différentes variantes de manière à trouver le bon équilibre entre le besoin de chaud et de refroidissement du bâtiment (niveau d’isolation, type de vitrage, protections solaires, …).
Besoins simulés de chauffage et de refroidissement d’un bâtiment, h par h ou 1/4h par 1/4 h.
- Connaître la nature du sol par études géologique et hydrogéologique pour préévaluer les caractéristiques physiques et thermiques du sous-sol et pour évaluer les éventuels risques liés aux forages (présence de nappes phréatiques, de couche argileuse, de quartzites, …). Cela permet de prédéfinir la pertinence et la configuration des forages (par exemple, leur longueur minimale et maximale en fonction des couches de sous-sol susceptibles d’être rencontrées). Ces données sont de plus en plus disponibles, notamment sur le géoportail de la wallonie, ou BrugeoTool, qui lui vous dira tout sur le sous-sol bruxellois.

Potentiel des systèmes géothermiques fermés peu profonds. Source : Géoportail de la Wallonie
Pour exemple, voici quelques données moyennes selon les types de sol:
Caractéristiques du sol | Puissance spécifique d”extraction | |
---|---|---|
Sur 1 800 heures de fonctionnement | Sur 2 400 heures de fonctionnement | |
Valeurs indicatives générales | ||
Sous-sol de mauvaise qualité (sédiment sec) (λ < 1,5 W/m²K) | 25 W/m | 20 W/m |
Sous-sol rocheux normal et sédiment saturé en eau (λ < 1,5 – 3.0 W/m²K) | 60 W/m | 50 W/m |
Roche compacte à conductibilité thermique élevée (λ < 3,0 W/m²K) | 84 W/m84 W/m | 70 W/m |
Minéraux respectif | ||
Gravier et sable secs | < 25 W/m | <20 W/m |
Gravier et sable aquifères | 65 – 80 | 55 – 65 W/m W/m |
Dans le cas de fort courant des eaux souterraines dans le gravier ou le sable et d’installations uniques | 80 – 100 | 80 – 100 W/m |
Argile et glaise humides | 35 – 50 W/m W/m | 30 – 40 W/m |
Calcaire (massif) | 55 – 70 W/m | 45 – 60 W/m |
Grès | 65 – 80 W/m | 55 – 65 W/m |
Roche magmatique acide (par ex. granit) | 65 – 85 W/m | 55 – 70 W/m |
Roche magmatique basique (par ex. basalte) | 40 – 65 W/m | 35 – 55 W/m |
Gneiss | 70 – 85 W/m | 60 – 70 W/m |
Puissances traditionnelles extractibles.
Source Rehau.
- Effectuer un test de réponse thermique (“TRT”). Il s’agit de réaliser un forage en taille réelle et de le soumettre à une sollicitation thermique pour pouvoir calculer la conductibilité et la capacité thermique du sol et la résistance thermique des sondes, en moyenne sur toute la longueur de la sonde. Cette sonde test pourra ensuite être valorisée dans le champ de sondes final.
Source : Group Verbeke.
- Dimensionner le champ de sondes au moyen d’un logiciel de simulation dynamique du sous-sol : simulation du comportement du sol compte tenu des besoins du bâtiment (heure par heure) et des caractéristiques thermiques des sondes prévues et du sol (définies par le TRT) ; optimalisation de la puissance de la PAC, du nombre et de la profondeur des sondes en s’assurant de l’équilibre à long terme de la température du sol.
Dimensionnement de l’échangeur de sol
Cadre normatif actuel
- La norme européenne EN 17522:2022 “Conception des systèmes de pompes à chaleur géothermiques”, qui a remplacé les anciennes références à la norme allemande VDI 4640
- La norme ISO 13370:2017 “Performance thermique des bâtiments – Transfert de chaleur par le sol”
- La norme EN 15450:2022 “Systèmes de chauffage et de refroidissement dans les bâtiments – Conception des systèmes de chauffage et de refroidissement à pompe à chaleur”
Capacités d’extraction thermique de référence
Pour les collecteurs horizontaux (en W/m²) :
Type de sol
|
Exploitation 1 800 h / saison
|
Exploitation 2 400 h / saison
|
---|---|---|
Sol sec, non cohérent (λ < 1,5 W/m.K)
|
10-15
|
8-12
|
Humide, cohérent (λ = 1,5-2,0 W/m.K)
|
20-30
|
16-24
|
Sable, gravier, saturés d’eau (λ > 2,0 W/m.K)
|
35-45
|
28-35
|
Pour les sondes géothermiques verticales (en W/m linéaire) :
Type de sous-sol
|
Exploitation 1 800 h / saison
|
Exploitation 2 400 h / saison
|
Exploitation 6 000 h / saison
|
---|---|---|---|
Sédiments secs et peu conducteurs (λ < 1,5 W/m.K)
|
25-30
|
20-25
|
15-20
|
Roche, sédiments saturés d’eau (λ = 1,5-3,0 W/m.K)
|
55-65
|
45-55
|
35-45
|
Roche dure très conductrice (λ > 3,0 W/m.K)
|
80-90
|
65-75
|
55-65
|
Facteurs d’ajustement pour le dimensionnement
- Modification des heures de fonctionnement des pompes à chaleur par rapport aux hypothèses de base
- Besoins importants en eau chaude sanitaire
- Utilisation en mode réversible (chauffage et refroidissement)
- Présence d’une nappe phréatique active
- Interaction thermique entre sondes dans les grands champs
- Déséquilibre thermique annuel important
Outils de dimensionnement avancés
-
Simulation dynamique : Pour les installations de moyenne et grande puissance (>30 kW), une simulation dynamique du comportement thermique du sous-sol est désormais recommandée, voire exigée par certaines réglementations régionales. Des logiciels comme TRNSYS, EED (Earth Energy Designer), GLD (Ground Loop Designer) ou PILESIM permettent de modéliser précisément les échanges thermiques et d’optimiser le dimensionnement.
-
Approche systémique : Le dimensionnement ne se limite plus à l’échangeur géothermique seul, mais intègre l’ensemble du système (bâtiment, pompe à chaleur, émetteurs, stockage) dans une approche globale visant à optimiser l’efficacité énergétique et le confort.
-
Prise en compte du changement climatique : Les méthodes récentes intègrent l’évolution des températures extérieures due au changement climatique, qui modifie progressivement l’équilibre thermique du sous-sol et les besoins des bâtiments.
Géocooling et équilibre thermique
-
Pour les systèmes sans recharge thermique active, les capacités d’incorporation de chaleur (été) peuvent être estimées à 70-80% des capacités d’extraction (hiver), ce qui représente une amélioration par rapport aux 70% recommandés en 2014.
-
Pour les systèmes avec recharge thermique active (panneaux solaires thermiques, rejets de chaleur de process), des simulations spécifiques sont nécessaires pour optimiser l’équilibre thermique annuel.
-
L’équilibre thermique du sous-sol doit être évalué sur une période de 30 ans (contre 20 ans précédemment) pour garantir la pérennité du système.
Test de Réponse Thermique (TRT)
- La conductivité thermique effective du sous-sol
- La résistance thermique du forage
- La température initiale du sous-sol non perturbé
Monitoring et optimisation
- De vérifier les performances réelles par rapport aux prévisions
- D’optimiser les stratégies de régulation
- De détecter précocement d’éventuelles dérives
- D’alimenter des bases de données permettant d’améliorer les méthodes de dimensionnement futures
Aspect réglementaire lié à la réalisation du projet
(Rédaction : 2014 – mise à jour en 2025)
En région wallonne
- Un permis d’environnement (installations classées)
- Un permis d’urbanisme
Procédure d’autorisation
- Le formulaire général de demande de permis d’environnement et de permis unique (Annexe I)
- Le formulaire relatif aux forages (Annexe XVIII, rubrique 45.12.01) ou le formulaire relatif aux prises d’eau (Annexe III, rubrique 41.00)
- Une coupe géologique probable du puits avec profondeur estimée de la nappe aquifère
- La description des méthodes de forage et les équipements du puits avec coupe technique
- Un rapport technique sur la nature de la nappe aquifère éventuelle
- Un plan de situation des puits
Coordination des procédures
Cartographie et données géologiques
En région bruxelloise
Systèmes géothermiques fermés
- Pompe à chaleur < 12 kWelec sans fluide frigorigène à effet de serre : Installation non classée (rubrique 132-A)
- Pompe à chaleur entre 12 et 100 kWelec ou contenant des fluides frigorigènes à effet de serre : Installation classée de classe 2 soumise à déclaration environnementale (rubrique 132-B)
- Pompe à chaleur > 100 kWelec : Installation classée de classe 1B soumise à permis d’environnement (rubrique 132-C)
Systèmes géothermiques ouverts
Outil d’aide à la décision
Contenu du dossier de demande
- Le cadre du projet (usage du bâtiment)
- Le profil géologique et hydrogéologique détaillé
- La technique de forage et les mesures de protection des aquifères
- La description technique complète de l’installation
- L’évaluation des besoins énergétiques et du bilan thermique sur 30 ans (contre 20 ans en 2014)
- Une étude d’incidence environnementale incluant l’analyse des risques de pollution des eaux souterraines
- Les mêmes éléments que pour les systèmes fermés
- Une modélisation hydrodynamique et thermique de l’impact sur la nappe
- Un plan de monitoring de la qualité et de la température de l’eau
- Des mesures de prévention des risques de contamination croisée entre aquifères
Évolutions communes aux deux régions
-
Certification des foreurs : Depuis 2020, les foreurs réalisant des sondes géothermiques doivent être certifiés QualiForage, garantissant leur compétence technique et le respect des normes environnementales.
-
Normes techniques : La norme NBN EN 17522:2022 “Conception des systèmes de pompes à chaleur géothermiques” a été adoptée, remplaçant les anciennes références à la norme allemande VDI 4640.
-
Fluides caloporteurs : Les exigences concernant les fluides caloporteurs ont été renforcées, avec une préférence pour les solutions à base de propylène glycol biodégradable plutôt que l’éthylène glycol.
-
Monitoring énergétique : Les installations de plus de 70 kW doivent désormais être équipées de systèmes de monitoring énergétique permettant de suivre les performances réelles et de détecter d’éventuelles dérives.
-
Intégration dans la stratégie de décarbonation : Depuis l’adoption du Plan National Énergie-Climat (PNEC) en 2019, la géothermie est reconnue comme une technologie clé pour la décarbonation du chauffage et du refroidissement des bâtiments, avec des objectifs quantifiés de déploiement à l’horizon 2030.
Conclusion et recommandations générales (2025)
Évolutions majeures depuis 2014
-
Cadre réglementaire : Renforcement et clarification des procédures d’autorisation, avec une meilleure prise en compte des enjeux environnementaux, particulièrement concernant la protection des eaux souterraines.
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Normes techniques : Adoption de normes européennes harmonisées remplaçant les références nationales (principalement allemandes) utilisées précédemment.
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Outils d’aide à la décision : Développement de cartographies du potentiel géothermique et d’outils numériques facilitant l’évaluation préliminaire des projets.
-
Méthodes de dimensionnement : Sophistication des approches de dimensionnement, avec une généralisation des simulations dynamiques et une meilleure prise en compte des interactions système-bâtiment-sous-sol.
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Technologies : Amélioration des matériaux (sondes, coulis thermiques) et des techniques de forage, permettant d’optimiser les performances et de réduire l’impact environnemental.
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Intégration énergétique : Évolution vers une approche systémique intégrant la géothermie dans des stratégies globales de décarbonation des bâtiments, en combinaison avec d’autres énergies renouvelables.
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Monitoring et optimisation : Généralisation des systèmes de suivi des performances, permettant d’optimiser le fonctionnement et de constituer des retours d’expérience précieux.
Recommandations pour les projets actuels
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Consulter les ressources cartographiques disponibles dès la phase d’avant-projet pour évaluer le potentiel géothermique du site.
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Intégrer la géothermie dès la conception du bâtiment pour optimiser l’adéquation entre besoins énergétiques et ressource géothermique.
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Réaliser un Test de Réponse Thermique pour les installations de moyenne et grande puissance, afin d’affiner le dimensionnement.
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Privilégier une approche d’équilibre thermique annuel entre extraction et injection de chaleur dans le sous-sol.
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Faire appel à des professionnels certifiés pour la conception et la réalisation des forages et installations.
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Prévoir un système de monitoring permettant de suivre les performances et d’optimiser le fonctionnement.
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Anticiper les évolutions réglementaires en adoptant dès maintenant les meilleures pratiques environnementales.
Découvrez cet exemple de géothermie et géo-cooling dans un centre de formation.
Auteur :Matriciel
Notes : mise en page, Sylvie
[…] chaleur liquides, on installera des échangeurs de chaleur multitubulaires, coaxiaux (tels quelles sondes géothermiques) ou à plaques, pour les échangeurs de chaleur à air, on préférera, dans la plupart des cas, […]
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[…] forages géothermiques en site existant, impossible ? Pas nécessairement. Il ne faut pas exagérer l’encombrement […]
[…] La géothermie très basse énergie représente une solution prometteuse pour la décarbonation du chauffage et du refroidissement des bâtiments existants. Cet article technique approfondit les principes, technologies et applications des échangeurs géothermiques, qu’il s’agisse de systèmes fermés (sondes verticales, capteurs horizontaux, géostructures énergétiques) ou ouverts (doublets géothermiques). L’article détaille les aspects techniques des différentes configurations, les méthodes de dimensionnement selon les normes actuelles, et présente un cadre réglementaire complet pour la Wallonie et la Région bruxelloise. Il aborde également les considérations pratiques liées à l’installation, à l’exploitation et à la maintenance de ces systèmes. Entièrement mis à jour en 2025, cet article intègre les évolutions majeures survenues depuis sa rédaction initiale en 2014 : actualisation des données techniques, intégration des nouvelles normes européennes (EN 17522:2022), refonte complète du cadre réglementaire wallon et bruxellois, présentation des outils cartographiques récents (WalOnMap, BrugeoTool) et contextualisation dans les stratégies de décarbonation actuelles. Lire l’article complet sur les échangeurs géothermiques (mise à jour 2025) […]