Dans ce chapitre, nous vous fournirons les réponses aux questions figurant à la fin de chaque chapitre des huit parties qui composent ce cours.
Question 1.1
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Un immeuble résidentiel est en cours de construction à côté d'un immeuble de bureaux. À première vue, laquelle des trois options présentées dans ce chapitre recommanderiez-vous ?
Un immeuble résidentiel et un immeuble de bureaux présentent généralement des profils de charge totalement différents : les bureaux sont utilisés pendant les jours ouvrés, tandis que les immeubles résidentiels ont principalement besoin de chauffage et de climatisation le matin, le soir et le week-end. Mais au-delà de cela, un immeuble de bureaux nécessite généralement beaucoup plus de refroidissement que de chauffage, de sorte que le déséquilibre est moindre, voire dominé par l'injection, tandis que les immeubles résidentiels (en fonction bien sûr de votre région) sont généralement dominés par l'extraction en raison d'une demande plus élevée en chauffage et en eau chaude sanitaire.
Par conséquent, le raccordement des deux bâtiments au même réseau de forages géothermiques permettrait de réduire le déséquilibre global et, par conséquent, la taille nécessaire du réseau. Il est probablement plus simple de continuer à utiliser des pompes à chaleur individuelles (au moins une pour la partie résidentielle et une pour l'immeuble de bureaux), car les deux bâtiments auront sans doute une structure de propriété totalement différente et le fait de garder les pompes à chaleur séparées peut s'avérer la solution la plus simple.
Question 1.2
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Un nouveau quartier résidentiel est en cours de construction. Il comprendra 10 petits immeubles de deux étages, comptant chacun 4 appartements, ainsi qu’un immeuble plus grand de six étages comprenant 12 logements. Recommanderiez-vous un système individuel ou collectif ?
Dans ce cas, il est probablement préférable d’opter pour une solution semi-collective où chaque immeuble dispose de son propre champ de forages collectif. Dans le cas des 4 appartements, il pourrait être judicieux d’utiliser des pompes à chaleur individuelles, car le recours à une pompe à chaleur centralisée n’apporterait pas de gains significatifs en raison du faible degré de simultanéité. Le recours à de petits systèmes collectifs présente également l'avantage que, si un appartement présente un profil d'utilisation sensiblement différent (pour une raison quelconque), la charge est répartie et lissée entre les différents forages.
Dans un immeuble de 12 appartements, opter pour une pompe à chaleur centralisée peut déjà s'avérer utile, mais ce n'est probablement pas encore le cas, en raison de la petite taille de la collectivité.
Question 1.3
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Imaginez qu'une société de services énergétiques (ESCO) investisse dans l'ensemble des pompes à chaleur géothermiques et des champs de forage, en assure leur entretien et en gère l'exploitation. Compte tenu de l'existence d'un propriétaire unique pour l'ensemble de ces systèmes, votre réponse à la question précédente changerait-elle ?
Lorsqu'il y a un propriétaire unique du système, le coût et la complexité de l'entretien jouent également un rôle. Dans le cas présent, avec 12 appartements, il pourrait être plus avantageux d'entretenir une seule pompe à chaleur centralisée plutôt que 12 pompes individuelles. Du point de vue des coûts et de l'investissement également, disposer d'une unité de production centralisée dans cet immeuble peut s'avérer avantageux. Pour 4 logements, cela dépendra de l'existence ou non d'un local central permettant d'installer la pompe à chaleur centralisée.
Étant donné que tous les bâtiments présentent le même profil de charge (ils sont tous résidentiels), le raccordement à un seul réseau de forages géothermiques n'apporte pas grand-chose. Par conséquent, l’ESCO optera probablement pour des solutions collectives par bâtiment, car le coût d’un réseau de distribution horizontal ne sera sans doute pas économiquement intéressant à cette échelle. La situation serait différente, par exemple, s’il existait à proximité un autre type de bâtiment (comme un immeuble de bureaux) susceptible de corriger ce déséquilibre.
Question 2.1
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Après l'augmentation de la taille des champs de forage dans le premier cas, pourquoi les interférences diminuent-elles ?
Deux aspects entrent ici en ligne de compte :
- Les champs de forages étant désormais plus étendus, le taux d'extraction de chaleur spécifique par forage diminue, car le déséquilibre est désormais réparti sur un plus grand nombre de forages, ce qui réduit légèrement la contribution de chaque forage à l'interférence globale.
- Comme ces forages supplémentaires sont légèrement plus éloignés des autres champs de forage, ils subissent une interférence légèrement moindre de la part de ces derniers, ce qui réduit l'interférence globale de ce champ de forage.
Question 2.2
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Quel serait l'impact sur la conception si les trois forages séparés sur le plan hydraulique du premier cas étaient regroupés en un seul champ de forage ? Vous pouvez partir du principe que les forages restent à leur emplacement actuel, mais qu'ils seront désormais reliés hydrauliquement, comme c'est le cas dans un réseau de chauffage et de refroidissement urbain de 5e génération.
Lorsque tous les forages sont reliés au sein d’un seul système géothermique, la conception initiale prévoyant 76 forages au total donne une température moyenne minimale du fluide de 1,18 °C. Cela signifie que le nombre initial de forages est même trop élevé pour l’ensemble du projet, alors qu’il était trop faible lorsque l’on tenait compte des interférences. Comment cela est-il possible ?
La raison en est que, lorsque tous les forages sont reliés au sein d’un même champ géothermique, la contribution de chaque forage à l’échange thermique global évolue. Lorsque l’on tient compte des interférences, chaque champ géothermique est toujours calculé comme un système autonome, les forages les plus performants étant situés aux limites du champ. Lorsque tous les forages sont reliés hydrauliquement, les forages qui contribuent le plus sont toujours ceux situés en périphérie, mais désormais à la périphérie de l'ensemble du système. Cela modifie considérablement la manière dont l'énergie est échangée avec le sol.
Question 2.3
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Effectuez à nouveau le calcul d'interférence pour le secteur, mais cette fois-ci en ne retenant qu'un seul forage par système, situé au centre géométrique du champ. Vous pouvez télécharger le fichier CSV correspondant ci-dessous.
Dans ce cas, l'interférence est légèrement plus élevée que lorsque les deux forages sont considérés séparément. Par exemple, le système 1 présente désormais une interférence totale de -0,32 °C au lieu de -0,31 °C. Cela montre que l'hypothèse du centre géométrique pour les petits systèmes géothermiques est assez précise.
Question 2.4
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Qu'est-ce qui changerait si, au lieu d'utiliser une source linéaire finie, on utilisait une source linéaire infinie pour modéliser l'interférence ? Faites cet exercice pour le premier et le deuxième cas.
Dans les deux cas, lorsque l'on utilise la source linéaire infinie, l'interférence totale augmente considérablement. Dans le cas des trois immeubles d'habitation, l'interférence atteint -1,61 °C (au lieu de -0,74 °C). Pour les 20 maisons, la différence est moins importante (-0,68 °C au lieu de -0,48 °C pour la maison n° 6), car ici, les forages sont plus éloignés les uns des autres.
Question 3.1
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Comment la taille requise de l'espace de recherche évolue-t-elle lorsque l'on tient compte de cette simultanéité avec l'heuristique ?
Une fois la taille et la profondeur requises du réseau de forages recalculées, on obtient 56 forages (disposés selon une grille de 14 × 4, avec un espacement régulier de 7 m) d'une profondeur de 184,41 m. Cela réduit la longueur totale des forages nécessaire de 13 112 m à 10 271 m.
Question 3.2
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Comment la taille requise du champ de forage évolue-t-elle lorsque l'on tient compte de cette simultanéité avec le déplacement de la charge ?
Lorsque l'on procède de la même manière pour le réseau de forages en tenant compte de la simultanéité et du décalage de charge, on obtient le même réseau de 14 × 4 forages espacés de 7 m, mais avec une profondeur de forage légèrement supérieure, à savoir 188,71 m. Cela porte la longueur totale des forages à 10 512 m, soit une valeur supérieure à celle obtenue avec l'approche heuristique.
Ce résultat concorde avec la simulation des températures selon un profil horaire tenant compte de la simultanéité, par rapport à la simulation mensuelle. Dans ce cas, la simulation horaire a également donné des températures légèrement inférieures, ce qui indique qu'un champ de forage plus étendu est nécessaire.
Question 3.3
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Comment le profil de température évoluerait-il si l'on supposait une simultanéité maximale de 70% ? Cela modifierait-il la taille requise du champ de forage ?
Lorsque la simultanéité est ramenée à 70%, la puissance de chauffage obtenue est de 190,04 kW et la puissance de refroidissement de 112 kW. Cela conduit à une température moyenne minimale du fluide inférieure de 0,47 °C par rapport à celle obtenue avec une simultanéité plus élevée, qui est de 0,67 °C. Cela s'explique par le fait que la puissance de pointe au niveau du champ de forage est désormais (légèrement) plus élevée.
Cela se traduit également par des dimensions différentes : on compte à nouveau 14 × 4 forages, espacés de 7 m, mais dont la profondeur est désormais de 192,85 m, ce qui donne une longueur totale de forage de 10 743 m, soit une valeur effectivement supérieure aux 10 512 m indiqués précédemment.