Cette thèse vise à améliorer la compréhension des transferts de chaleur au sein des géostructures thermiques à l’échelle de l’échelle de l’ouvrage mais également d’étudier leur interaction thermique. Le rôle de l’écoulement d’une nappe est prépondérant dans cette analyse. Elle s’inscrit dans le cadre d’une thèse CIFRE en collaboration entre Antea Group et l’IFSTTAR. Un modèle numérique en trois dimensions présentant un couplage thermo-hydraulique est construit à l’aide du logiciel FLAC3D. Une approche basée sur le calcul de la divergence des flux est développée afin de définir la contribution de la conduction et de l’advection dans les transferts de chaleur. Cette approche est appliquée dans des volumes de contrôle autour de l’ouvrage modélisé afin de prendre en compte l’intégralité des flux de chaleur entrant et sortant. Ce protocole est utilisé afin de tester de multiples paramètres dimensionnants tels que la vitesse d’écoulement, la géométrie de l’ouvrage et la sollicitation thermique appliquée. L’analyse de ces résultats indique la présence d’une forte hétérogénéité à l’échelle de l’ouvrage lorsqu’il est soumis à un écoulement. Cette conclusion renforce la nécessité de la prise en compte des effets 3D et fournit des pistes d’optimisation quant à la répartition du chargement thermique dans les géostructures thermiques. Afin de confirmer les conclusions émises grâce aux modèles numériques, les résultats d’un site expérimental à échelle réduite sont analysés. La possibilité de contrôler les conditions aux limites durant les expériences implique une meilleure compréhension des phénomènes en jeu grâce à la réduction du nombre d’inconnus. Les données des capteurs dans les géostructures thermiques et dans le terrain valident les hypothèses évoquées pour les calculs numériques. Les conclusions sont donc appuyées par deux approches distinctes. Avec pour objectif d’améliorer les modèles numériques présentés, les données du site expérimental sont utilisées afin de caler un modèle numérique 3D d’une expérience de référence. La complexité du milieu, la multiplication des inconnus et les conditions expérimentales rendent cette opération difficile. Les variations de température dans le terrain sont bien retranscrites mais l’approche adoptée semble trop simplifiée pour reproduire avec précision les variations de température du fluide caloporteur qui circule dans les géostructures thermiques. L’ensemble des résultats permet de fournir des pistes quant à l’amélioration des méthodes d’analyse. Des recommandations pour la prise en compte de l’écoulement dans les transferts thermiques et sur le comportement des ouvrages thermoactifs de grande dimension sont émises