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ENR – ÉNERGIE et ÉNERGIES RENOUVELABLES
Mise à jour : 2021-04-17
13.3.a Exercice géothermie_basse énergie.docx 1
13.3 EXERCICE DE GÉOTHERMIE BASSE ÉNERGIE
Exercice 13.3.a : L'échangeur sol-air
Dans ce problème, un échangeur sol-air est considéré pour préchauffer l'air frais d'une VRC. Le sol est considéré à
température constante de 7o
C pendant toute la période de chauffage. Le tube de PVC de longueur L= 40 m possède
un diamètre intérieur de 20 cm1
et une épaisseur de 3mm2
. Le rayon considéré au-delà duquel le sol ne varie pas en
température est de 15 cm3
.
Les conductivités du sol et du PVC sont de 0,52 W/mK et 0,35 W/mK4
On circule 200 CFM5
d'air et on considère que la puissance consommée par le ventilateur est négligeable en première
approximation. On évalue aussi les propriétés de l’air à 0o
C6
.
Les températures moyennes mensuelles pour Montréal sont de :
January -10,2
February -8,4
March -2,3
November 1,6
December -6,3
QUESTIONS
Question 1 : Quel est le gain thermique pendant ces cinq mois?
Question 2 : Quelle est la valeur de cette énergie si vous devez entrer en compétition avec un fournisseur:
a) d'électricité à 0,10$/kWh?
b) de gaz à 0,40$/m3?
Question 3 : Si vous désirez une PRI simple de 10 ans, quel est le budget d'investissement initial maximal possible?
Quelle est votre recommandation:
- On abandonne, ce ne sera jamais rentable
- On poursuit par une étude de faisabilité en engageant une firme spécialisée
Note : vous négligez, en première approximation:
- Les variations de propriétés de l'air,
- Les variations de la température du sol,
- La consommation du ventilateur (pertes de charge),
1
20cm est en fait 8po. Un diamètre que vous retrouverez dans le commerce au Canada. Plus gros que cela, ça devient trop cher au
pied linéaire pour les solutions deviennent potentiellement rentables.
2
3mm est en fait 1/8 po. Encore ici une épaisseur standard. C’est assez considérable mais on ne veut pas que le tuyau ne s’Affaisse
avec les années sous le poids et la pression de sol.
3
Ceci est une approximation et il ne faut en aucun cas penser que cela est vrai pour tous les sols.
4
Ce sont des valeurs typiques plausibles tirées de tables de propriétés thermiques.
5
Un débit assez standard pour l’alimentation du VRC type. Souvent, il fonctionne avec un débit moindre. Le débit est fourni en
CFM car c’est le standard pour les débits volumétriques au Canada.
6
Tref ici n’est pas une VRAIE température. C’est la température calculée qui peut être employée pour estimer les propriétés «
moyennes » du fluide dans le tuyau. Par exemple, puisque Tin ne sera pas Tout, strictement, la densité de l’air dans le tuyau va
varier le long de celui-ci. Il est de pratique courante d’employer une température dite de référence pour estimer les propriétés
thermiques des fluides et SOUVENT, pour simplifier l’analyse, on utilise des propriétés constantes évaluées à la moyenne
arithmétique de Tin et Tout. Comme on ne connait pas Tout, si on veut employer cette approximation, on a recours à une solution
itérative. Si vous aviez à résoudre une tel problème «à la main ». Il vous faudrait estimer Tout avec les valeurs de propriétés
évaluées à Tin, puis a ré-évaluer les propriétés à la moyenne des deux, et de recommencer.
Mais dans ce problème, cette stratégie n’Est pas adoptée. Puis que l’Air entre dans le tube à -5,1oC en moyenne et qu’il est
réchauffé par un sol à 7oC, la solution estime les propriétés à 0oC en première approximation et reste avec cet estimé. Certes, les
propriétés varient avec T mais dans un intervalle si faible de 12oC au maximum, il est absolument inutile d’employer la moyenne
arithmétique.
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13.3.a Exercice géothermie_basse énergie.docx 2
- Les frais annuels d'entretien et de maintien d'actifs
Notez que dans ce qui suit:
- Les équations sont groupées par thème,
- Chaque équation ou variable est complétée par sa description et comporte les unités
Notez que ce problème possède une solution complète sur INTERACTIVE HEAT TRANSFER, disponible sur le site du
cours. Enfin, remarquez que ce problème fait appel à des notions de thermique non spécifiquement couvertes par le
module 2 : Notions fondamentales. Pour le réaliser et le comprendre, il faut avoir fait un cours de thermique.
DONC : pas de problème aussi complexe à résoudre lors de l’examen. Surtout la portion qui fait l’estimer du coef de
transfert h. Dans un examen, si un tel problème est abordé, il sera alors simplifié.
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REPONSES
Question 1 : Quel est le gain thermique pendant ces cinq mois?
Gain thermique instantané :
𝑞 = 𝑚
̇ 𝑐 (𝑇 − 𝑇 )
1-Le débit massique doit être évalué à partir de 𝜌 𝑉̇ et 𝑉̇ doit ête converti des CFM à des m3
/s. Un CFM est une unité
usuelle au Québec (Cubic Feet per Minute).
vdot_CFM = 200 //Volumetric flow rate, [CFM]
vdot = vdot_CFM/2.1189e3 //Volumetric flow rate, [m3/s]
mdot = rho_air*vdot //Mass flow rate, [kg/s]
Pour obtenir 𝜌 il faut le faire à une température appropriée. Cette Tref (référence) a été choisie à 273K soit 0o
C
comme première approximation. Nous savons que la température de l’air variera entre l’entrée et la sortie et
comme on le voit en 2, 0o
C est une bonne approximation. La densité de l’air peut être obtenue de tables, sur
internet ou d’une fonction implantée dans IHT. Ici, 1,287 kg/m3
.
2-La température moyenne pondérée des 5 mois peut être employée pour 𝑇 car le débit reste constant sur toute la
période.
TinC = (TJ*31+TF*28+TM*31+TN*30+TD*31)/(31+28+31+30+31) //Average Inlet temperaure, [oC]
Tin = TinC+273 //Inlet temperaure, [K]
TJ = -10.2
TF = -8.4
TM = -2.3
TN = 1.6
TD = -6.3
C’est une moyenne pondérée qui donne -5,099o
C. Puisque nous avons un sol à 7o
C, il est plausible de fixer que l’air se
réchauffera peut-être jusqu’à 5o
C (il pourrait atteindre la limite théorique de 7o
C si le tube était infiniment long) et
qu’il sera en moyenne à 0o
C le long du tube enfoui.
3- La chaleur spécifique de l’air à 0o
C est de 1006 J/kgK
4- 𝑇 est inconnue
5- q est inconnue
Il faut donc une seconde équation pour résoudre. Pour cela, il faut référer à la théorie du transfert thermique
(Module 2, Thème2.4). Référence à Incropera et Dewitt, Fund. Heat Mass Transfer
𝑇 − 𝑇
𝑇 − 𝑇
= exp
−1
𝑚
̇ 𝑐 𝑅
= exp
𝑈𝐴
𝑚
̇ 𝑐
L’indice g réfère au sol (ground). U est le coefficient de transfert global et A la surface d’échange du tube (2 pi r L). Il
est plus simple d’évaluer directement R.
Il faut donc estimer la Résistance thermique 𝑅 qui est la somme des résistance du sol, de la paroi de plastique et du
film d’air intérieur.
- La résistance du sol est Rg = ln(Dg/Do) / (2*pi*L*k_g)
- La résistance de la paroi est Rt = ln(Do/Di) / (2*pi*L*k_PVC)
- La résistance de l’air est Rair = 1/(hDbar*pi*Di*L)
Mais le coefficient de transfert hDbar demeure une inconnue à évaluer. Tout le reste est fourni dans les données. Au
global les résistances sont données par :
// Thermal resistances
L= 40 //Tube length, [m]
RTot = Rair+Rt+Rg //Total resistance, [K/W]
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13.3.a Exercice géothermie_basse énergie.docx 4
Rair = 1/(hDbar*pi*Di*L) //Air resistance, [K/W]
Di = 0.20 //Internal diameter, [m]
Rt = ln(Do/Di) / (2*pi*L*k_PVC) //Tube resistance, [K/W]
Do =Di+2*e //External diameter, [m]
e = 0.003 //Wall thickness, [m]
k_PVC = 0.35 //Wall conductivity, [W/mK]
Rg = ln(Dg/Do) / (2*pi*L*k_g) //Ground resistance, [K/W]
Dg = 0.30 //Groud radius for invariant temperature, [m]
k_g = 0.52 //Ground conductivity, [W/mK]
Il faut alors déterminer le coefficient de transfert. L’intuition du thermicien permet de savoir que ce coefficient sera
sans doute compris entre 7 et 50 W/m2K et qu’il sera davantage faible que fort. Autour de 10 (je sais qu’il faut un
peu d’expérience mais dans les notes de cours on fournit un petit tableau qui indique les ordres de grandeur).
Pour calculer h, il faut déterminer le type d’écoulement tel que :
//Flow
ReDi= um * Di / nu_air
mdot = rho_air * um * Ac
Ac = pi * (Di^2) / 4
NuDbar = NuD_bar_IF_T_FD(ReDi,Pr_air,n) // Eq 8.60
n = 0.4 // n = 0.4 or 0.3 for Ts>Tm or Ts<Tm
NuDbar = hDbar * Di / k_air
//Tref = (Tin + Tout) / 2 //Fluid average mean temperature, K
Le travail du thermicien consiste à évaluer le nombre de Nusselt à partir des nombres de Reynolds et de Prandtl.
Chapitre 8, Incropera et Dewitt, Fund. Heat Mass Transfer, Wiley. Notez que la fonction NuDbar est intégrée à IHT. Il
est toutefois possible d’écrire l’équation 8.60 du bouquin au long.
Avec les deux équations, il est possible de déterminer Tout et q
Une fois que q est obtenu, il s’agit d’une valeur moyenne sur 5 mois car la température moyenne sur 5 mois est
employée comme température d’entrée.
L’intégrale sur le 5 mois se résume à une sommation.
// Global heat transfer
Q = mdot*cp_air*(Tout-Tin) //Overall power, [W]
Qmax = mdot*cp_air*(Tg-Tin) //Theoretical power, [W]
E = Q*(31+28+31+30+31)*24/1000 //The sum of local powers, [kWh]
Emax = Qmax*(31+28+31+30+31)*24/1000 //The sum of local powers, [kWh]
ToutC= Tout-273 //Local exit temperature, [oC]
(Tg-Tout)/(Tg-Tin) = exp(-1/(mdot*cp_air*RTot))
TgC = 7 //Soil invariable temperature, [oC]
Tg = TgC+273
Ici la valeur Qmax a aussi été calculée car elle permet d’apprécier l’efficacité de l’échangeur. Environ 72% ce qui est
raisonnable. Mais notez que la température de sortie est faible à 3,66o
C seulement. Mieux que -5o
C néanmoins, cela
permet une puissance de 1072 W.
Question 2 : Quelle est la valeur de cette énergie si vous devez entrer en compétition avec un fournisseur:
a) d'électricité à 0,10$/kWh?
b) de gaz à 0,40$/m3?
Lorsque toute l’énergie est cumulée sur les 5 mois, on obtient 3885 kWh
Électricité : valeur de 388$ environ
Gaz : 164$ environ (avec un rendement de 90% et un PCI de 37,89 MJ/m3- conversion de kWh en MJ).
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13.3.a Exercice géothermie_basse énergie.docx 5
Question 3 : Si vous désirez une PRI simple de 10 ans, quel est le budget d'investissement initial maximal possible?
Quelle est votre recommandation:
- On abandonne, ce ne sera jamais rentable
- On poursuit par une étude de faisabilité en engageant une firme spécialisée
Pour une PRI de 10 ans, il faut simplement multiplier par 10 la valeur de ce qui serait épargnée en électricité et en
gaz.
Électricité : 3885$
Gaz : 1640$
Ce budget est assez faible sauf s’il s’avère possible de ne pas avoir à payer pour l’excavation (en enroulant le tube
autour de la fondation lors de la construction de celle-ci). Sinon, il semble que la rentabilité pourrait être longue à
atteindre.

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13.3.a Exercice géothermie_basse énergie.pdf

  • 1. ENR – ÉNERGIE et ÉNERGIES RENOUVELABLES Mise à jour : 2021-04-17 13.3.a Exercice géothermie_basse énergie.docx 1 13.3 EXERCICE DE GÉOTHERMIE BASSE ÉNERGIE Exercice 13.3.a : L'échangeur sol-air Dans ce problème, un échangeur sol-air est considéré pour préchauffer l'air frais d'une VRC. Le sol est considéré à température constante de 7o C pendant toute la période de chauffage. Le tube de PVC de longueur L= 40 m possède un diamètre intérieur de 20 cm1 et une épaisseur de 3mm2 . Le rayon considéré au-delà duquel le sol ne varie pas en température est de 15 cm3 . Les conductivités du sol et du PVC sont de 0,52 W/mK et 0,35 W/mK4 On circule 200 CFM5 d'air et on considère que la puissance consommée par le ventilateur est négligeable en première approximation. On évalue aussi les propriétés de l’air à 0o C6 . Les températures moyennes mensuelles pour Montréal sont de : January -10,2 February -8,4 March -2,3 November 1,6 December -6,3 QUESTIONS Question 1 : Quel est le gain thermique pendant ces cinq mois? Question 2 : Quelle est la valeur de cette énergie si vous devez entrer en compétition avec un fournisseur: a) d'électricité à 0,10$/kWh? b) de gaz à 0,40$/m3? Question 3 : Si vous désirez une PRI simple de 10 ans, quel est le budget d'investissement initial maximal possible? Quelle est votre recommandation: - On abandonne, ce ne sera jamais rentable - On poursuit par une étude de faisabilité en engageant une firme spécialisée Note : vous négligez, en première approximation: - Les variations de propriétés de l'air, - Les variations de la température du sol, - La consommation du ventilateur (pertes de charge), 1 20cm est en fait 8po. Un diamètre que vous retrouverez dans le commerce au Canada. Plus gros que cela, ça devient trop cher au pied linéaire pour les solutions deviennent potentiellement rentables. 2 3mm est en fait 1/8 po. Encore ici une épaisseur standard. C’est assez considérable mais on ne veut pas que le tuyau ne s’Affaisse avec les années sous le poids et la pression de sol. 3 Ceci est une approximation et il ne faut en aucun cas penser que cela est vrai pour tous les sols. 4 Ce sont des valeurs typiques plausibles tirées de tables de propriétés thermiques. 5 Un débit assez standard pour l’alimentation du VRC type. Souvent, il fonctionne avec un débit moindre. Le débit est fourni en CFM car c’est le standard pour les débits volumétriques au Canada. 6 Tref ici n’est pas une VRAIE température. C’est la température calculée qui peut être employée pour estimer les propriétés « moyennes » du fluide dans le tuyau. Par exemple, puisque Tin ne sera pas Tout, strictement, la densité de l’air dans le tuyau va varier le long de celui-ci. Il est de pratique courante d’employer une température dite de référence pour estimer les propriétés thermiques des fluides et SOUVENT, pour simplifier l’analyse, on utilise des propriétés constantes évaluées à la moyenne arithmétique de Tin et Tout. Comme on ne connait pas Tout, si on veut employer cette approximation, on a recours à une solution itérative. Si vous aviez à résoudre une tel problème «à la main ». Il vous faudrait estimer Tout avec les valeurs de propriétés évaluées à Tin, puis a ré-évaluer les propriétés à la moyenne des deux, et de recommencer. Mais dans ce problème, cette stratégie n’Est pas adoptée. Puis que l’Air entre dans le tube à -5,1oC en moyenne et qu’il est réchauffé par un sol à 7oC, la solution estime les propriétés à 0oC en première approximation et reste avec cet estimé. Certes, les propriétés varient avec T mais dans un intervalle si faible de 12oC au maximum, il est absolument inutile d’employer la moyenne arithmétique.
  • 2. ENR – ÉNERGIE et ÉNERGIES RENOUVELABLES Mise à jour : 2021-04-17 13.3.a Exercice géothermie_basse énergie.docx 2 - Les frais annuels d'entretien et de maintien d'actifs Notez que dans ce qui suit: - Les équations sont groupées par thème, - Chaque équation ou variable est complétée par sa description et comporte les unités Notez que ce problème possède une solution complète sur INTERACTIVE HEAT TRANSFER, disponible sur le site du cours. Enfin, remarquez que ce problème fait appel à des notions de thermique non spécifiquement couvertes par le module 2 : Notions fondamentales. Pour le réaliser et le comprendre, il faut avoir fait un cours de thermique. DONC : pas de problème aussi complexe à résoudre lors de l’examen. Surtout la portion qui fait l’estimer du coef de transfert h. Dans un examen, si un tel problème est abordé, il sera alors simplifié.
  • 3. ENR – ÉNERGIE et ÉNERGIES RENOUVELABLES Mise à jour : 2021-04-17 13.3.a Exercice géothermie_basse énergie.docx 3 REPONSES Question 1 : Quel est le gain thermique pendant ces cinq mois? Gain thermique instantané : 𝑞 = 𝑚 ̇ 𝑐 (𝑇 − 𝑇 ) 1-Le débit massique doit être évalué à partir de 𝜌 𝑉̇ et 𝑉̇ doit ête converti des CFM à des m3 /s. Un CFM est une unité usuelle au Québec (Cubic Feet per Minute). vdot_CFM = 200 //Volumetric flow rate, [CFM] vdot = vdot_CFM/2.1189e3 //Volumetric flow rate, [m3/s] mdot = rho_air*vdot //Mass flow rate, [kg/s] Pour obtenir 𝜌 il faut le faire à une température appropriée. Cette Tref (référence) a été choisie à 273K soit 0o C comme première approximation. Nous savons que la température de l’air variera entre l’entrée et la sortie et comme on le voit en 2, 0o C est une bonne approximation. La densité de l’air peut être obtenue de tables, sur internet ou d’une fonction implantée dans IHT. Ici, 1,287 kg/m3 . 2-La température moyenne pondérée des 5 mois peut être employée pour 𝑇 car le débit reste constant sur toute la période. TinC = (TJ*31+TF*28+TM*31+TN*30+TD*31)/(31+28+31+30+31) //Average Inlet temperaure, [oC] Tin = TinC+273 //Inlet temperaure, [K] TJ = -10.2 TF = -8.4 TM = -2.3 TN = 1.6 TD = -6.3 C’est une moyenne pondérée qui donne -5,099o C. Puisque nous avons un sol à 7o C, il est plausible de fixer que l’air se réchauffera peut-être jusqu’à 5o C (il pourrait atteindre la limite théorique de 7o C si le tube était infiniment long) et qu’il sera en moyenne à 0o C le long du tube enfoui. 3- La chaleur spécifique de l’air à 0o C est de 1006 J/kgK 4- 𝑇 est inconnue 5- q est inconnue Il faut donc une seconde équation pour résoudre. Pour cela, il faut référer à la théorie du transfert thermique (Module 2, Thème2.4). Référence à Incropera et Dewitt, Fund. Heat Mass Transfer 𝑇 − 𝑇 𝑇 − 𝑇 = exp −1 𝑚 ̇ 𝑐 𝑅 = exp 𝑈𝐴 𝑚 ̇ 𝑐 L’indice g réfère au sol (ground). U est le coefficient de transfert global et A la surface d’échange du tube (2 pi r L). Il est plus simple d’évaluer directement R. Il faut donc estimer la Résistance thermique 𝑅 qui est la somme des résistance du sol, de la paroi de plastique et du film d’air intérieur. - La résistance du sol est Rg = ln(Dg/Do) / (2*pi*L*k_g) - La résistance de la paroi est Rt = ln(Do/Di) / (2*pi*L*k_PVC) - La résistance de l’air est Rair = 1/(hDbar*pi*Di*L) Mais le coefficient de transfert hDbar demeure une inconnue à évaluer. Tout le reste est fourni dans les données. Au global les résistances sont données par : // Thermal resistances L= 40 //Tube length, [m] RTot = Rair+Rt+Rg //Total resistance, [K/W]
  • 4. ENR – ÉNERGIE et ÉNERGIES RENOUVELABLES Mise à jour : 2021-04-17 13.3.a Exercice géothermie_basse énergie.docx 4 Rair = 1/(hDbar*pi*Di*L) //Air resistance, [K/W] Di = 0.20 //Internal diameter, [m] Rt = ln(Do/Di) / (2*pi*L*k_PVC) //Tube resistance, [K/W] Do =Di+2*e //External diameter, [m] e = 0.003 //Wall thickness, [m] k_PVC = 0.35 //Wall conductivity, [W/mK] Rg = ln(Dg/Do) / (2*pi*L*k_g) //Ground resistance, [K/W] Dg = 0.30 //Groud radius for invariant temperature, [m] k_g = 0.52 //Ground conductivity, [W/mK] Il faut alors déterminer le coefficient de transfert. L’intuition du thermicien permet de savoir que ce coefficient sera sans doute compris entre 7 et 50 W/m2K et qu’il sera davantage faible que fort. Autour de 10 (je sais qu’il faut un peu d’expérience mais dans les notes de cours on fournit un petit tableau qui indique les ordres de grandeur). Pour calculer h, il faut déterminer le type d’écoulement tel que : //Flow ReDi= um * Di / nu_air mdot = rho_air * um * Ac Ac = pi * (Di^2) / 4 NuDbar = NuD_bar_IF_T_FD(ReDi,Pr_air,n) // Eq 8.60 n = 0.4 // n = 0.4 or 0.3 for Ts>Tm or Ts<Tm NuDbar = hDbar * Di / k_air //Tref = (Tin + Tout) / 2 //Fluid average mean temperature, K Le travail du thermicien consiste à évaluer le nombre de Nusselt à partir des nombres de Reynolds et de Prandtl. Chapitre 8, Incropera et Dewitt, Fund. Heat Mass Transfer, Wiley. Notez que la fonction NuDbar est intégrée à IHT. Il est toutefois possible d’écrire l’équation 8.60 du bouquin au long. Avec les deux équations, il est possible de déterminer Tout et q Une fois que q est obtenu, il s’agit d’une valeur moyenne sur 5 mois car la température moyenne sur 5 mois est employée comme température d’entrée. L’intégrale sur le 5 mois se résume à une sommation. // Global heat transfer Q = mdot*cp_air*(Tout-Tin) //Overall power, [W] Qmax = mdot*cp_air*(Tg-Tin) //Theoretical power, [W] E = Q*(31+28+31+30+31)*24/1000 //The sum of local powers, [kWh] Emax = Qmax*(31+28+31+30+31)*24/1000 //The sum of local powers, [kWh] ToutC= Tout-273 //Local exit temperature, [oC] (Tg-Tout)/(Tg-Tin) = exp(-1/(mdot*cp_air*RTot)) TgC = 7 //Soil invariable temperature, [oC] Tg = TgC+273 Ici la valeur Qmax a aussi été calculée car elle permet d’apprécier l’efficacité de l’échangeur. Environ 72% ce qui est raisonnable. Mais notez que la température de sortie est faible à 3,66o C seulement. Mieux que -5o C néanmoins, cela permet une puissance de 1072 W. Question 2 : Quelle est la valeur de cette énergie si vous devez entrer en compétition avec un fournisseur: a) d'électricité à 0,10$/kWh? b) de gaz à 0,40$/m3? Lorsque toute l’énergie est cumulée sur les 5 mois, on obtient 3885 kWh Électricité : valeur de 388$ environ Gaz : 164$ environ (avec un rendement de 90% et un PCI de 37,89 MJ/m3- conversion de kWh en MJ).
  • 5. ENR – ÉNERGIE et ÉNERGIES RENOUVELABLES Mise à jour : 2021-04-17 13.3.a Exercice géothermie_basse énergie.docx 5 Question 3 : Si vous désirez une PRI simple de 10 ans, quel est le budget d'investissement initial maximal possible? Quelle est votre recommandation: - On abandonne, ce ne sera jamais rentable - On poursuit par une étude de faisabilité en engageant une firme spécialisée Pour une PRI de 10 ans, il faut simplement multiplier par 10 la valeur de ce qui serait épargnée en électricité et en gaz. Électricité : 3885$ Gaz : 1640$ Ce budget est assez faible sauf s’il s’avère possible de ne pas avoir à payer pour l’excavation (en enroulant le tube autour de la fondation lors de la construction de celle-ci). Sinon, il semble que la rentabilité pourrait être longue à atteindre.