Champs de forage individuels et collectifs

Les réseaux de forages géothermiques peuvent être utilisés dans de nombreux contextes différents, mais on distingue généralement les systèmes géothermiques individuels des systèmes collectifs. Dans ce chapitre, nous aborderons trois types de systèmes géothermiques, allant du système entièrement individuel au système entièrement collectif, et nous verrons dans quels cas l’un peut constituer un meilleur choix que l’autre. Les distinctions présentées dans ce chapitre permettront de mieux comprendre les concepts de simultanéité et d’interférence abordés dans la suite.

Trois types de systèmes géothermiques à champ de forage

Lorsque vous avez un projet avec différentes unités ou bâtiments, comme un quartier nouvellement construit ou un immeuble d'appartements que vous voulez équiper de chauffage et de refroidissement géothermiques, vous êtes confronté à une question : devons-nous installer un système collectif ou un système individuel ? L'image ci-dessous présente trois types de solutions générales.

À une extrémité du spectre, on trouve la solution entièrement individuelle (à gauche). Dans ce cas, chaque appartement ou logement dispose de son propre système de chauffage et de climatisation (c'est-à-dire de sa propre pompe à chaleur géothermique), relié à son propre forage ou champ de forages.

À l'autre extrême, on trouve la solution entièrement collective (à droite). Dans ce cas, la production de chauffage et de climatisation est centralisée puis distribuée aux différentes unités du bâtiment. Lorsque ces unités sont situées dans des bâtiments distincts (par exemple, tout un quartier), cette solution correspond au réseau traditionnel de chauffage et de climatisation.

La dernière option consiste à utiliser des unités de production individuelles pour le chauffage et le refroidissement, raccordées à un champ de forages centralisé. Cette solution, qui a suscité un vif intérêt ces derniers temps dans des régions comme les Pays-Bas, s'apparente à ce que l'on appelle le chauffage et le refroidissement urbains de cinquième génération (5DHC), dans lesquels les températures géothermiques sont partagées entre différents utilisateurs qui peuvent décider eux-mêmes s'ils souhaitent les utiliser pour le chauffage ou le refroidissement.

Ces trois options présentent chacune leurs propres cas d'utilisation, avantages et inconvénients. Dans les sections suivantes, chacune d'entre elles sera examinée plus en détail, en mettant l'accent sur les aspects liés à la conception des installations géothermiques (puissance de pointe et déséquilibre) ainsi que sur des considérations d'ordre général (coût, maintenance et impacts sociétaux).

Production individuelle, champ de forage individuel

Lorsque tous vos bâtiments ou toutes vos unités immobilières (comme des appartements) disposent de leur propre système individuel de pompe à chaleur géothermique, la conception est identique à celle que nous avons abordée précédemment dans ce cours. D'un point de vue conceptuel, vous devez vous assurer que chaque forage géothermique (ou champ de forages) est capable de fournir 100% correspondant aux charges de pointe du bâtiment ainsi qu'à la demande énergétique annuelle. La combinaison de ces effets peut exercer une pression considérable sur la conception des champs de forages individuels.

Contrairement aux systèmes géothermiques collectifs, les forages individuels ou les champs de forages sont souvent plus éloignés les uns des autres que dans le cas d’un champ de forages traditionnel où l’espacement entre les forages est fixe. Imaginons, par exemple, un quartier où chaque maison dispose de son ou ses propres forages géothermiques. En général, ces forages seraient plus éloignés les uns des autres que s’ils étaient regroupés au sein d’un seul champ. Cet espacement plus important peut contribuer à pallier le déséquilibre, comme nous l’avons vu dans Partie 5.5.

Néanmoins, le fait que vos champs de forage soient reliés à des installations individuelles ne signifie pas pour autant qu’ils soient totalement indépendants les uns des autres. Tout comme les différents forages d’un même champ s’influencent mutuellement, toute paire de champs de forage géothermiques présente un certain degré d’interférence thermique. Ce point sera abordé dans Partie 8.2.

Conclusion

En résumé, on peut dire que la longueur totale de forage nécessaire pour un système entièrement individuel dépend de trois facteurs :

• Une puissance de pointe plus élevée en conséquence (100% de la charge du bâtiment).
• Un déséquilibre géothermique plus important.
• Une influence potentiellement moindre du déséquilibre, due à l'espacement des forages.

Bien que l'importance relative de ces trois facteurs puisse varier d'un projet à l'autre, on peut affirmer que dans le cas des immeubles d'habitation, où les forages sont relativement proches les uns des autres en raison de l'espace limité, une solution individuelle entraînera un nombre plus élevé de mètres de forage. Dans le cas d'un quartier, où les forages sont plus espacés, la solution individuelle peut être légèrement plus petite.

En ce qui concerne les coûts d'entretien, ceux-ci sont relativement élevés pour ce type de solution, car l'entretien de plusieurs pompes à chaleur entraîne des dépenses cumulées plus importantes. De plus, chaque bâtiment disposant de son propre système de chauffage et de climatisation, cela se traduira par des pics de consommation électrique plus élevés sur le réseau, ce qui nécessitera une capacité accrue (comme indiqué dans Partie 1.1).

Production individuelle, champ de forage collectif

Une deuxième solution, qui gagne en popularité, consiste à décentraliser les pompes à chaleur géothermiques tout en les raccordant à un seul champ de forages. Cette option pourrait s’avérer particulièrement intéressante dans les cas où, en raison, par exemple, de contraintes d’espace, les forages seraient déjà assez proches les uns des autres, ou dans le cadre d’un réseau de chauffage urbain de cinquième génération comprenant à la fois des bâtiments à dominante chauffage et des bâtiments à dominante refroidissement. Le recours à un champ de forage centralisé présente deux avantages majeurs :

1. Étant donné que toutes les unités sont désormais raccordées à la même source géothermique, seul le déséquilibre cumulé doit être pris en compte pour la conception du réseau de forages. Ce déséquilibre sera toujours égal ou inférieur à la somme des déséquilibres individuels de chaque unité, par exemple dans le cas d’un immeuble à plusieurs niveaux comprenant au rez-de-chaussée un magasin présentant une forte demande de refroidissement et, aux étages supérieurs, des appartements résidentiels. Le champ de forages ainsi obtenu sera donc plus équilibré que dans le cas individuel où chaque forage devrait être capable de faire face à son déséquilibre propre.
2. Étant donné que toutes les pompes à chaleur ne fonctionnent pas simultanément, la puissance de pointe au sol qui en résulte peut également être moindre. Cet effet, appelé « simultanéité », sera abordé plus loin dans Partie 8.3.

Conclusion

Lorsqu'on travaille avec un champ de forages collectif, on peut éventuellement envisager une puissance de crête et un déséquilibre moindres, ce qui permet d'obtenir une conception plus économique. Cependant, si les forages sont désormais plus proches les uns des autres que dans le cas d'un forage isolé, l'influence du déséquilibre pourrait être plus importante. La décision finale quant à savoir si cela est avantageux ou non dépend en fin de compte du projet spécifique.

D’une manière générale, pour les immeubles dont les forages sont déjà assez proches les uns des autres, un champ de forage collectif est susceptible d’être rentable. Pour les quartiers, ce n'est généralement pas le cas, en raison du coût d'investissement élevé des canalisations de distribution du réseau de chauffage et de refroidissement urbain de 5e génération, à moins que le déséquilibre de l'ensemble du système ne soit considérablement réduit grâce au caractère collectif de l'installation.

Comme plusieurs pompes à chaleur sont toujours installées, le coût d'entretien cumulé de cette solution reste relativement élevé, tout comme la puissance électrique de pointe totale requise sur le réseau électrique. La simultanéité ne pouvant être garantie et la régénération étant un peu plus complexe dans ce cas, le champ de forages est généralement plus étendu que dans l'option suivante.

Production collective, champ de forage collectif

La dernière option consiste à opter pour une production centralisée de chauffage et de refroidissement couplée à un champ de forages centralisé. Il s'agit essentiellement du concept traditionnel d'un réseau de chauffage et de refroidissement urbain doté d'un système de production centralisé. En raison de la nature centralisée de la source, cette configuration présente généralement un déséquilibre global moindre par rapport aux configurations individuelles.

Cependant, contrairement à un champ de forages collectif équipé de pompes à chaleur individuelles, le fait de disposer d’un système de production centralisé nous permet désormais d’être certains que notre puissance de pointe sera plus faible, tant sur le plan thermique qu’hydraulique, car cette pompe à chaleur centralisée sera généralement plus petite que la somme de toutes les installations individuelles.

En raison de la conception centralisée, les forages risquent d’être plus rapprochés, ce qui peut accentuer l’effet de déséquilibre. Néanmoins, comme nous disposons également d’une unité de production centralisée, il devient relativement facile d’atténuer ce phénomène en mettant en place un système hybride ou en intégrant un processus de régénération, comme nous le verrons dans les parties 9 et 10.

Conclusion

La mise en place d'un système entièrement collectif se traduira par une réduction des pics de demande de puissance sur le champ de forage et, en règle générale, par un déséquilibre moindre. Par conséquent, par rapport à un scénario comportant des unités de production individuelles et un champ de forage collectif, cette solution permettra généralement de réduire la taille des systèmes géothermiques, même si cela dépend toujours du projet spécifique et de la géométrie du champ de forage. En général, cette solution s'avère plus rentable pour les immeubles d'habitation, tandis qu'elle peut s'avérer plus coûteuse pour les quartiers en raison de la nécessité de disposer de conduites de distribution isolées pour le chauffage et le refroidissement dans le cadre du chauffage et du refroidissement urbains de 4e génération.

Comme nous n'avons désormais plus qu'un seul système à entretenir, le coût cumulé de maintenance est moindre et la puissance électrique nécessaire fournie par le réseau est également réduite. Les systèmes collectifs sont plus faciles à optimiser et constituent donc parfois l'option privilégiée par une société de services énergétiques (ESCO).

Conclusion

Dans ce chapitre, trois solutions géothermiques différentes ont été abordées : le système entièrement individuel (où la pompe à chaleur et les forages sont individuels), le système entièrement collectif (avec une pompe à chaleur collective et un champ de forages partagé), et une solution mixte, dans laquelle des pompes à chaleur distinctes pour chaque logement sont raccordées à une source géothermique centrale.

Bien que les économies réalisées grâce au passage d’un système individuel à un système collectif puissent varier en fonction des caractéristiques de chaque projet, l’adoption d’un champ de forage collectif présente l’avantage de traiter le déséquilibre de manière globale plutôt que de le gérer bâtiment par bâtiment. De plus, la centralisation de la production peut contribuer à réduire les coûts d'entretien, à limiter la puissance de pointe du parc de forages et à diminuer la puissance électrique requise.

Dans le cadre de la chapitre suivant, On abordera la question des interférences entre différents systèmes géothermiques séparés sur le plan hydraulique.

Questions

Références

• Lund, H., Werner, S., Wiltshire, R., Svendsen, S., Thorsen, J.E., Hvelplund, F., Mathiesen, B.V. (2014). Chauffage urbain de 4e génération (4GDH) : intégrer les réseaux thermiques intelligents dans les futurs systèmes énergétiques durables, Énergie, volume 68, pages 1 à 11, 0360-5442, https://doi.org/10.1016/j.energy.2014.02.089.