Le déploiement des pompes à chaleur géothermiques sur le territoire national représente un important potentiel de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Afin de le favoriser il est nécessaire de comparer précisément les performances annuelles des pompes à chaleur géothermiques aux autres systèmes de chauffage et ce en fonction des caractéristiques du bâtiment, du climat et du sol rencontrés. Dans ce contexte, cette thèse vise à élaborer un modèle précis et fonctionnel de calcul des performances énergétiques annuelles de pompes à chaleur à échangeurs géothermiques horizontaux ou verticaux.<br/>Après un état de l'art des différents modèles d'échangeurs géothermiques horizontaux et verticaux existants, des modèles de sondes verticales utilisables pour des simulations dynamiques sont identifiés et leurs domaines de validité sont précisés. Un modèle d'échangeur horizontal semi-analytique décliné en deux versions adaptées respectivement à des courtes et longues durées de sollicitations thermiques est ensuite développé. Un dispositif expérimental est alors mis au point bénéficiant d'une technique novatrice de mesure répartie de température du sol par fibre optique. Un essai de validation du modèle d'échangeur horizontal est ainsi réalisé et permet de confirmer la pertinence de ce dernier. Enfin une méthode de calcul du coefficient de performance annuel est développée pour une pompe à chaleur à échangeur horizontal ou vertical. L'application de cette méthode à un bâtiment type dans un climat orléanais permet d'éprouver la méthode avec de premiers résultats prometteurs.

Utilisée depuis des milliers d’années sous ses manifestations naturelles par l’Homme, cette ressource fait l’objet d’une exploitation commerciale depuis seulement le XXe siècle, à destination du chauffage de bâtiments, de certains usages industriels ainsi que de la production d’électricité. La France compte parmi les pionniers concernant l’usage direct de la chaleur alors qu’aucune filière industrielle n’est véritablement effective pour la production d’électricité d’origine géothermique. Le projet sélectionné, intitulé FONGEOSEC, a pour objectif la conception et la réalisation d’un démonstrateur innovant préindustriel d’une centrale géothermique haute enthalpie exploité par cogénération d’électricité et de chaleur. Un travail de recherche et développement, conduit par un consortium composé de partenaires industriels et scientifiques, vise au lancement de la filière industrielle géothermique haute température en France. L’objectif général des travaux de thèse porte sur une meilleure compréhension globale des comportements hydrauliques, massiques et thermiques des formations profondes en réponse à une sollicitation anthropique de longue durée. Il s’agit d’identifier les paramètres clés régissant la réponse du complexe réservoir à la suite d’une exploitation géothermique. Un point particulier sera consacré à caractériser la part de chacun des modes de transport de chaleur en milieu poreux – conduction thermique, convection libre et forcée – dans l’établissement des performances thermiques de l’ouvrage considéré. Plusieurs dispositifs techniques d’exploitation seront proposés afin de réduire les incertitudes associées au système géothermique souterrain et garantir le succès du projet FONGEOSEC. L’impact des mécanismes thermo-convectifs au voisinage des forages d’exploitation géothermique de grande profondeur reste peu documenté, a fortiori dans le cas de dispositifs déviés adoptant une complétion particulière. L’outil retenu pour l’évaluation des performances du dispositif au contact de l’encaissant est la modélisation numérique distribuée. La variabilité des propriétés physiques de l’hydrosystème, de la conception et des modalités d’exploitation du dispositif sur le comportement hydraulique et thermique de l’exploitation est envisagée selon différentes approches développées à partir de modèles numériques 3D. / Used for thousands of years under its natural manifestations, this resource has been commercially exploited since the twentieth century, for the heating of buildings, certain industrial uses and the production of electricity. France is one of the pioneers in the direct use of heat, whereas no industrial cluster is truly effective for the production of geothermal electricity. The selected project, FONGEOSEC, aims to design and produce an innovative pre-industrial demonstrator of a high enthalpy geothermal power plant operated by cogeneration of electricity and heat. A research and development project, led by a consortium of industrial and scientific partners, aims to launch the high-temperature geothermal industrial sector in France. The general objective of this thesis is to improve the understanding of the hydraulic, mass and thermal behavior of deep porous formations in response to long-term anthropogenic stress. The aim is to identify the key parameters governing the response of the reservoir complex related to geothermal operation. A particular point will be devoted to characterize the part of each mode of transport of heat in porous medium – thermal conduction, free and forced convection – in the establishment of the thermal performances of the geothermal power plant. Several technical operating devices will be proposed to reduce the uncertainties associated with the underground geothermal system and guarantee the success of the FONGEOSEC project. The impact of thermo-convective mechanisms in the vicinity of deep geothermal borehole remains poorly documented, especially in the case of deviated wells with a complex inner geometry. The evaluation of the hydraulic and thermal performances of the device, based on 3D numerical modeling, is conducted according to different approaches.