Le calcul de la profondeur de forage requise est l'une des méthodes les plus essentielles dans le domaine de la conception des champs de forage. Dans cet article, nous vous donnerons un aperçu des différentes méthodes disponibles dans la littérature et nous discuterons de leurs avantages et de leurs inconvénients.
Calculer la profondeur de forage nécessaire
D'un point de vue conceptuel, le calcul de la profondeur de forage requise est relativement simple. Le processus commence par une configuration sélectionnée du champ de forage et une estimation initiale de la profondeur du trou de forage. Le profil de température correspondant est ensuite calculé.
- Si les températures moyennes des fluides restent dans les seuils de température définis, le champ de forage est considéré comme correctement dimensionné.
- Si les températures dépassent ces limites, la profondeur du forage est augmentée progressivement et le profil de température est réévalué.
Ce processus est répété jusqu'à ce que le système converge vers une profondeur de forage à laquelle les températures restent constamment dans les limites spécifiées.
!Attention
Dans certains cas, aucune profondeur ne permet de satisfaire aux exigences de température, quelle que soit la profondeur atteinte. Dans ce cas, une erreur est renvoyée. Cette situation, ainsi que les solutions possibles, seront examinées en détail dans un article ultérieur.
Retour aux quadrants du champ de forage
Dans un article précédent, le concept de quadrants de champ de forage a été présenté. (Si vous n'avez pas lu cet article, vous pouvez le trouver à l'adresse suivante ici.) Il a été indiqué que chaque champ de forage que vous rencontrez peut être classé en quatre quadrants sur la base de deux paramètres : s'il est limité par la température minimale ou maximale du fluide et si cette limitation se produit au cours de la première ou de la dernière année de la période de simulation.
Lors du dimensionnement de la profondeur de forage requise, vous ne savez pas a priori quel quadrant aboutira à la conception la plus critique. On pourrait penser qu'il faut dimensionner le champ de forage une fois pour chaque quadrant et prendre ensuite la plus grande profondeur de forage comme conception critique, ce qui donnerait quatre dimensionnements par champ de forage. Cependant, Peere et al. (2021) décrivent que la même précision peut être obtenue en utilisant seulement deux dimensionnements.
Imaginons que vous dimensionniez le champ de forage dans le quadrant 1 et que vous le dimensionniez ensuite pour la dernière année sur la base de la température moyenne maximale du fluide. Cela donnera un profil de température où l'avant-dernière année dépassera légèrement le seuil en raison du déséquilibre, tout comme les années précédentes jusqu'à la première année. Ainsi, le dimensionnement de la première année (pour la température moyenne maximale du fluide) se traduira toujours par une profondeur requise plus importante que le dimensionnement de la dernière année pour ce champ de forage et cette charge particuliers.
De même, un tel champ de forage ne sera jamais limité par le quadrant 3, car lorsqu'il est dimensionné pour la température moyenne minimale du fluide au cours de la première année de la simulation, la température au cours de la deuxième année sera encore plus basse en raison du déséquilibre. Par conséquent, dans ce cas, le quadrant 4 produira toujours un champ de forage plus grand que le quadrant 3.
En raison du déséquilibre, il suffit de vérifier les quadrants 1 et 4 (dans le cas d'un champ de forage dominé par l'extraction) ou les quadrants 2 et 3 (dans le cas d'un champ de forage dominé par l'injection) lors du calcul de la profondeur requise. La profondeur de forage résultante est alors égale au maximum de ces deux valeurs.
!Note
Lorsque l'on choisit la plus grande taille de champ de forage dans les deux quadrants concernés, il est important de toujours vérifier que la température moyenne maximale du fluide n'est pas dépassée. Si ce seuil de température est franchi, cela signifie qu'il n'y a pas de solution réalisable pour la configuration et la charge données. Cette situation et la manière de la gérer seront examinées plus en détail dans un prochain article.
5 niveaux différents
La littérature spécialisée fait état d'une grande variété de méthodes de dimensionnement des champs de forage, chacune ayant son propre niveau de précision, de rapidité et de complexité. Dans sa thèse de doctorat, Ahmadfard a introduit un cadre qui classe ces méthodes en cinq niveaux distincts, allant de simples règles empiriques à des simulations horaires détaillées.
Chacun de ces cinq niveaux est décrit plus en détail ci-dessous, ce qui vous donne une vue d'ensemble des méthodes disponibles et du moment où elles peuvent être utilisées.
Niveau 0 - règle empirique
Le niveau le plus élémentaire de dimensionnement des champs de forage repose sur des relations linéaires simples entre la puissance thermique de pointe et la longueur totale du trou de forage. On parle souvent de règles empiriques, généralement exprimées sous la forme de x W/m.
Bien que très faciles à utiliser, ces méthodes négligent de nombreux aspects importants de la conception, tels que la configuration du champ de forage, la profondeur du forage, les propriétés thermiques du sol, le déséquilibre thermique et la résistance thermique du forage. Elles ignorent également les effets thermiques saisonniers et à long terme.
Parce qu'elles ne reposent sur aucune physique sous-jacente, ces règles empiriques peuvent donner lieu à des imprécisions très importantes. Il n'est pas rare de constater un surdimensionnement ou un sous-dimensionnement d'un facteur pouvant aller jusqu'à deux. C'est pourquoi cette méthode doit être évitée pour le dimensionnement réel et n'être utilisée que pour les premières estimations les plus approximatives.
(Pour plus de détails, voir notre article sur le logiciel de conception de champs de forage).
Niveau 1 - charge constante
Le premier niveau suppose une charge constante sur le champ de forage pendant toute la période de simulation. Cette charge constante correspond au déséquilibre thermique annuel, réparti uniformément sur les 8760 heures d'une année. En utilisant cette approche, l'interaction thermique entre les forages, décrite par les fonctions g (comme expliqué dans notre article ici) - peuvent être prises en compte. Cela rend la méthode beaucoup plus précise que le dimensionnement empirique, puisqu'elle permet de comparer différentes propriétés, configurations et profondeurs du sol.
Le profil de température obtenu ressemble à la figure ci-dessous, où la courbe caractéristique de la fonction g devient visible.
Bien que cette méthode représente assez bien les effets à long terme du champ de forage, elle ne tient pas compte des variations mensuelles, des charges de pointe ou du comportement au cours de la première année d'exploitation. Ces éléments sont introduits dans les méthodes de niveau 2 et au-delà.
Niveau 2 - méthode des trois impulsions
La méthode des trois impulsions, également connue sous le nom de méthode de dimensionnement ASHRAE, est l'approche la plus traditionnelle pour calculer la profondeur de forage requise. Elle s'appuie sur la méthode de niveau 1 en ajoutant deux impulsions thermiques supplémentaires : l'une pour tenir compte de la puissance de pointe et l'autre pour l'énergie échangée avec le sol pendant le mois au cours duquel cette pointe se produit.
Ces trois impulsions - représentant le déséquilibre, la charge mensuelle et la puissance de pointe - saisissent collectivement les effets thermiques à long terme et à court terme du champ de forage, ce qui permet d'obtenir une estimation relativement précise de la profondeur de forage nécessaire. Une représentation graphique de cette approche est présentée dans la figure ci-dessous.
Sur la figure, les trois impulsions distinctes sont clairement visibles. Tout d'abord, il y a une tendance à long terme de la température similaire à celle produite par la méthode de niveau 1, représentant l'effet du déséquilibre annuel. Ensuite, une chute soudaine apparaît en raison de l'énergie échangée pendant le mois critique (charge mensuelle), suivie d'une chute encore plus marquée de la température du fluide causée par l'événement d'extraction de pointe.
Cette méthode ne tient pas compte des variations mensuelles du profil de charge, un niveau de détail qui est introduit dans la méthode de dimensionnement de niveau 3.
!Note
Cette méthode est mise en œuvre dans le back-end de GHEtool, mais n'est pas directement disponible dans GHEtool Cloud. Elle est considérée comme moins précise que la méthode de dimensionnement de niveau 3, tout en n'offrant qu'une légère amélioration de la vitesse de calcul. Toutefois, pour les applications nécessitant des millions de calculs de dimensionnement, telles que les études paramétriques ou les processus d'optimisation, la méthode des trois impulsions peut s'avérer avantageuse.
Niveau 3 - résolution mensuelle
Le calcul de la profondeur de forage requise avec une résolution mensuelle est l'approche la plus courante lors de l'utilisation de GHEtool Cloud, en particulier dans les cas où seules des données limitées sont disponibles. Cette méthode inclut les mêmes éléments que les niveaux précédents - tels que les puissances de pointe, l'interaction à long terme avec le sol et les propriétés du sol - mais incorpore également les variations mensuelles du profil de charge.
Il en résulte une plus grande précision, car il tient compte du stockage saisonnier de l'énergie thermique, ce qui signifie que la variation saisonnière des températures des parois du trou de forage est désormais prise en compte dans le dimensionnement. Un profil de température typique calculé avec cette méthode montre clairement cette fluctuation saisonnière.
Un paramètre important de la méthode de niveau 3 est la durée du pic de puissance. En fonction du type de bâtiment et de son système d'émission, cette durée varie généralement entre 6 et 12 heures, bien que des durées plus longues soient également possibles. Cette hypothèse n'est toutefois plus nécessaire lorsque l'on passe à un dimensionnement de niveau 4.
!Note
Cette méthode est entièrement mise en œuvre dans GHEtool Cloud, offrant un bon équilibre entre la précision et l'efficacité de calcul, ce qui en fait la méthode préférée pour la plupart des applications pratiques.
Niveau 4 - résolution horaire
La méthode la plus avancée pour calculer la profondeur de forage requise est la méthode de niveau 4. Contrairement à la méthode de niveau 3, qui fonctionne avec une résolution mensuelle, la méthode de niveau 4 utilise des données d'entrée horaires. Le principal avantage de cette approche est que l'hypothèse finale - concernant la durée de la puissance de pointe - n'est plus nécessaire, puisque cette information est directement extraite du profil horaire lui-même. Lorsque des données horaires sont disponibles, la méthode de niveau 4 est le moyen le plus précis de déterminer la profondeur de forage requise.
!Note
Comme indiqué dans l'article sur les effets à court terme (que vous pouvez trouver à l'adresse suivante ici), les modèles actuels n'incluent pas encore l'inertie thermique du fluide et du coulis. Par conséquent, les températures de fluide calculées (illustrées dans les exemples de profils de température) ont tendance à surestimer les valeurs réelles, en particulier lors des pics soudains.Nous travaillons actuellement avec la KU Leuven pour développer un modèle plus raffiné qui tienne compte de cette dynamique à court terme. Une fois mise en œuvre, la méthode de niveau 4 deviendra encore plus précise et plus robuste pour la conception de champs de forage avancés.
Conclusion
L'article ci-dessus décrivait les différentes méthodes utilisées dans la littérature pour calculer la profondeur de forage requise. Ces méthodes vont de simples règles empiriques à des simulations horaires détaillées. Dans GHEtool Cloud, les deux méthodes les plus précises - le calcul mensuel (niveau 3) et le calcul horaire (niveau 4) - sont mises en œuvre, offrant aux utilisateurs à la fois précision et flexibilité en fonction des données d'entrée disponibles.
Dans un prochain article, nous présenterons un exemple pratique montrant comment utiliser ces méthodes dans le cadre de votre propre projet. Nous expliquerons également comment interpréter l'erreur de gradient, un paramètre important qui vous aide à évaluer la fiabilité des résultats de dimensionnement de votre champ de forage.
Références
- Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.
- Peere, W., Picard, D., Cupeiro Figueroa, I., Boydens, W. et Helsen, L. (2021). Validated combined first and last year borefield sizing methodology. In Actes de la conférence internationale sur la simulation des bâtiments 2021. Bruges (Belgique), 1-3 septembre 2021. https://doi.org/10.26868/25222708.2021.30180
- Ahmadfard, M. (2018). Revue complète des modèles de dimensionnement des échangeurs de chaleur souterrains verticaux avec suggestions d'amélioration. Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal. https://publications.polymtl.ca/3034/