En général, lors de la conception des champs de forage, on suppose que le projet est isolé et que la température du sol n'est pas influencée par les systèmes voisins. Dans certains cas, c'est exact, mais dans d'autres, l'interférence thermique entre les différents systèmes géothermiques peut être importante. Dans cet article, nous aborderons le sujet de l'interférence thermique et montrerons comment GHEtool Cloud peut être utilisé pour la calculer.
Qu'est-ce que l'interférence thermique ?
Un système géothermique influence la température du sol. En hiver, le sol est refroidi et en été, il est réchauffé. Outre cet effet saisonnier, chaque fois que l'extraction de chaleur est supérieure à l'injection, il se produit une dérive de température à long terme au cours de laquelle le champ de forage se refroidit d'année en année. Cet effet ne s'arrête pas à la limite de votre propriété mais peut facilement s'étendre, en fonction des caractéristiques du sol, sur 50 à 100 m.
Dans l'illustration ci-dessus, nous voyons une situation où trois petits systèmes géothermiques existants sont situés à proximité les uns des autres et où le bâtiment marqué d'un point rouge souhaite installer sa propre pompe à chaleur géothermique. En règle générale, les informations nécessaires à la conception, telles que les propriétés du sol, des tuyaux et du fluide, ainsi que la demande du bâtiment, sont saisies dans GHEtool Cloud et le champ de forage est conçu de manière à ce que la température reste dans certaines limites (pour plus d'informations, voir notre article sur les profil de température).
Cette approche suppose silencieusement que le champ de forage géothermique est isolé de l'environnement et que le sol environnant n'est influencé que par lui-même et par aucun autre système (pour plus d'informations sur le comportement à long terme des champs de forage, voir ici). Toutefois, dans la situation décrite ci-dessus, les trois champs de forage existants présentent un déséquilibre qui refroidira le sol année après année, et plus vous êtes proche de ces systèmes, plus cet effet sera prononcé.
Si les systèmes voisins sont négligés lors de la conception du nôtre, le champ de forage de l'exemple ci-dessus aura une température moyenne minimale du fluide inférieure de deux degrés Celsius à celle qui a été conçue, en raison des interférences thermiques avec les autres systèmes.
!Note
Certaines régions comptant un grand nombre de systèmes géothermiques ont élaboré une législation concernant les interférences thermiques. Les Pays-Bas, notamment, ont adopté une réglementation qui interdit toute interférence en dessous de -1,5°C sans justification supplémentaire que les systèmes individuels peuvent encore fonctionner. Ils ont développé leur propre législation en matière d'interférence thermique. Outil Excel de l'ITGBES pour effectuer des calculs d'interférence lorsqu'il y a un nombre limité de systèmes. Le module d'interférence thermique de GHEtool Cloud est conforme à la législation néerlandaise et peut être utilisé pour les calculs d'interférence à la place de l'ITGBES.
Modèle d'interférence thermique
Il existe différentes façons de modéliser l'interférence thermique, mais le plus souvent la solution de la source linéaire est utilisée. Comme le diamètre du trou de forage est beaucoup plus petit que sa longueur, on peut supposer qu'il agit comme une ligne. Sur la base de cette hypothèse, deux modèles sont généralement appliqués : la source linéaire infinie et la source linéaire finie, toutes deux implémentées dans GHEtool Cloud et expliquées ci-dessous.
Source de lignes infinies
Le modèle de source à ligne infinie suppose que le trou de forage est une ligne infiniment longue. Cette hypothèse est raisonnable tant que le trou de forage est relativement long et que les systèmes voisins sont suffisamment éloignés les uns des autres.
Le principal avantage de cette hypothèse infinie est que le problème transitoire de diffusion de la chaleur en trois dimensions peut être réduit à un modèle bidimensionnel raisonnablement simple, puisqu'il n'y a pas de variation verticale le long du trou de forage. Ceci peut être illustré comme suit.
L'effet de la température à une distance $r$ du trou de forage et à un temps $t$ peut être exprimé comme suit :
$$\Delta T(r,t) = \frac{q}{4\pi \lambda}\cdot E_i \left(\frac{r^2V}{4\lambda t} \right)$$
où :
- $r$ est la distance du trou de forage émetteur [m]
- $t$ est le temps [s]
- $q$ est le taux d'extraction de chaleur spécifique moyen [W/m]
- $E_i$ est la fonction intégrale exponentielle
- $\lambda$ est la conductivité thermique du sol [W/(mK)].
- $V$ est la capacité thermique volumétrique du sol [J/(m³K)].
Sur la base de l'équation ci-dessus, il est clair que l'interférence thermique est moins prononcée à des distances plus grandes du trou de forage et que l'effet augmente avec le temps.
Source de ligne finie
La source de ligne finie, comme son nom l'indique, prend en compte la profondeur réelle du trou de forage et est donc mieux adaptée aux calculs précis de l'interférence thermique lorsque les trous de forage sont proches les uns des autres ou ont des profondeurs significativement différentes.
!Note
Les mathématiques qui sous-tendent la source de ligne finie sont beaucoup plus complexes et sont régies par l'équation ci-dessous. Pour plus d'informations, le lecteur est invité à consulter la littérature scientifique sur le sujet, notamment Cimmino et Bernier (2014).$$\Delta T_{1\rightarrow2}=\frac{q_1}{2\pi\lambda}\cdot\frac{1}{2H_2}\int\limits_{\frac{1}{\sqrt{\frac{4\lambda}{V}t}}}^\infty e^{-d^{2}_{12} s^2}\left(I_{real}(s)+I_{imag}(s) \right)ds$$
La différence entre les deux modèles peut être clairement illustrée par l'exemple suivant. Imaginons deux forages, l'un de 100 m de profondeur et l'autre de 150 m, chacun ayant une extraction de chaleur spécifique de 10 W/m. Dans l'hypothèse d'une source linéaire infinie, l'interférence thermique entre le forage 1 et le forage 2 est la même que l'interférence entre le forage 2 et le forage 1, puisque leurs extractions de chaleur spécifiques sont identiques.
Avec la source de ligne finie, le résultat est différent. Dans ce cas, l'interférence entre le trou le plus long et le trou le plus court est plus importante que l'inverse. Cela s'explique par le fait qu'il faut plus d'énergie pour influencer un trou de 150 m que pour influencer un trou de 100 m .
!Attention
Veuillez noter que dans les modèles décrits ci-dessus, chaque système est représenté par un seul trou de forage. Lorsqu'un système comporte plusieurs forages, il est représenté par un forage situé au centre géométrique du champ de forage. Cette hypothèse est exacte jusqu'à six forages (Groenholland, 2020), après quoi la distance entre le centre et le forage le plus éloigné devient trop importante. Chaque fois qu'un système comporte plus de six trous de forage, ceux-ci peuvent être modélisés comme différents systèmes comportant moins de six trous de forage.
Interférence et GHEtool Cloud
À partir d'aujourd'hui, le calcul des interférences est disponible en tant que nouvelle fonctionnalité de GHEtool Cloud. Ci-dessous, nous examinons brièvement les entrées et les sorties de la méthode.
Entrées
Pour effectuer le calcul de l'interférence thermique, certaines informations générales sont nécessaires, telles que les propriétés du sol et la période de simulation, ainsi qu'une température seuil. Ce dernier paramètre n'est pas utilisé dans le calcul lui-même, mais les résultats inférieurs à ce seuil seront affichés en rouge. Enfin, vous pouvez sélectionner le modèle de source infinie ou finie pour la simulation de l'interférence.
L'étape suivante consiste à saisir les différents systèmes. Les informations suivantes sont nécessaires :
- Les coordonnées x et y du trou de forage
- La longueur totale du système et la profondeur du forage
!Note
Pour les systèmes avec un seul forage, cette information est identique, mais par exemple avec deux forages de 100 m chacun, la profondeur du forage sera de 100 m tandis que la longueur totale du forage sera de 200 m. - La demande annuelle de chauffage et de refroidissement ainsi que le facteur de performance saisonnier pour le chauffage et le refroidissement
!Note
Cette information est utilisée pour calculer le taux d'extraction de chaleur spécifique du trou de forage, qui est le déséquilibre annuel divisé par la profondeur du trou de forage. Cette méthode suit les recherches de Groenholland (2020).
!Indice
Si vous avez plusieurs systèmes, il peut être plus facile de les importer sous la forme d'un fichier csv. Pour les utilisateurs des Pays-Bas, une importation directe à partir du site web de la WKOtool est également possible.
Sorties
Le résultat du calcul est un tableau indiquant l'interférence entre chaque paire de forages. Les valeurs en rouge sont celles qui dépassent le seuil de température défini dans les paramètres d'entrée généraux. Par exemple, le système 1 subira une dérive de température totale de -1,83°C sur une période de 20 ans en raison de l'interférence thermique avec ses voisins. Ce tableau peut être exporté vers un fichier csv pour une analyse plus approfondie.
Pour mieux visualiser les interférences thermiques, une carte thermique est présentée. Sur cette carte, les carrés plus foncés représentent les systèmes qui ont des interférences thermiques plus importantes les uns avec les autres. La diagonale est blanche, car un système n'a pas d'interférence thermique avec lui-même.
Conclusion
Cet article a traité de l'interférence thermique entre différents systèmes de forage et des raisons pour lesquelles il est important de la prendre en compte lors de la conception d'un projet géothermique. Avec GHEtool Cloud, il est désormais possible de calculer cette interférence thermique et de quantifier la dérive de température à long terme. La méthodologie utilisée est entièrement conforme à la législation en vigueur aux Pays-Bas et intègre l'outil WKOtool pour une facilité d'utilisation maximale.
Références
- Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.