Champs de forage individuels et collectifs

Les champs de forage géothermiques peuvent être utilisés dans de nombreux scénarios différents, mais une distinction générale est faite entre les systèmes géothermiques individuels et les systèmes géothermiques collectifs. Dans cet article, nous examinerons trois types de systèmes géothermiques différents, de l'individuel au collectif, et nous vous donnerons quelques indications sur les cas où l'un d'entre eux peut constituer un meilleur choix que l'autre.

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.

D'une part, comme le montre l'illustration de gauche, il y a la solution entièrement individuelle. Chaque appartement, bâtiment ou unité dispose de sa propre production de chaleur et de froid (c'est-à-dire une pompe à chaleur géothermique) et est raccordé à son propre trou de forage ou champ de forage.

D'autre part, comme indiqué à droite, il existe la solution entièrement collective. Dans ce cas, vous centralisez votre production de chauffage et de refroidissement et distribuez la chaleur et le froid aux différents bâtiments. Lorsque cette distribution s'effectue entre plusieurs bâtiments distincts, la solution devient un réseau de chauffage et de refroidissement traditionnel.

La dernière option, qui a fait l'objet de beaucoup d'attention ces derniers temps, consiste à travailler avec des unités de production individuelles pour le chauffage et le refroidissement qui sont connectées à un champ de forage centralisé. Cette solution est similaire à ce que l'on appelle le chauffage urbain de cinquième génération, où les températures géothermiques sont partagées entre différents utilisateurs qui peuvent décider eux-mêmes comment les utiliser pour le chauffage ou le refroidissement.

Les trois options ci-dessus ont chacune leurs propres cas d'utilisation, avantages et inconvénients. Dans les sections suivantes, nous les examinerons une par une, en nous concentrant sur les aspects de la conception géothermique (puissance de pointe et déséquilibre) ainsi que sur les préoccupations générales (coût, maintenance et effets sociétaux).

!Note
Dans cet article, nous n'aborderons pas les avantages de l'utilisation d'un système géothermique collectif par rapport aux pompes à chaleur individuelles à source d'air. Les avantages des champs de forage géothermiques ont déjà été abordés dans l'article intitulé autre article.

Production individuelle, champ de forage individuel

Lorsque tous vos bâtiments ou unités ont leur propre système de chauffage et de refroidissement, vous devez vous assurer que chaque forage individuel (ou champ de forage, selon la taille du bâtiment) peut fournir 100% de la charge de pointe du bâtiment. En outre, chaque source géothermique doit également gérer 100% du déséquilibre. La combinaison de ces effets peut exercer une pression considérable sur la conception des différents champs de forage.

Cependant, il se peut que dans cette situation, l'espacement moyen entre les forages soit plus important que dans un champ de forage traditionnel. Imaginons, par exemple, un quartier où chaque maison possède son ou ses propres forages géothermiques. En règle générale, ces forages sont plus éloignés les uns des autres que s'ils étaient centralisés dans un champ unique. Un espacement plus important entre les forages pourrait permettre de faire face au déséquilibre potentiel, comme nous l'avons expliqué il y a quelques semaines dans la rubrique cet article.

Néanmoins, le fait que vos champs de forage soient reliés à des installations individuelles ne signifie pas qu'ils sont complètement séparés les uns des autres. Entre deux champs de forage géothermiques, il existe toujours un certain degré d'interférence thermique.

Interférence

L'interférence décrit l'effet que des forages voisins ont l'un sur l'autre, puisque l'influence thermique ne s'arrête pas à la limite du forage ou de la propriété. Cette interférence est causée par le déséquilibre d'un certain système, qui refroidit ou réchauffe le sol voisin année après année. Plus les forages individuels sont proches, plus cette interférence géothermique est importante. Il va de soi que nous devons tenir compte de cet effet lors de la conception des systèmes de forage individuels.

!Note
Dans GHEtool Cloud, il est possible de simuler cette interférence thermique entre systèmes voisins. Vous trouverez plus d'informations à ce sujet dans notre article ici.

L'exemple ci-dessous montre clairement l'importance de cette interférence. Imaginons que nous ayons neuf maisons individuelles, chacune avec son propre puits de forage géothermique. Si nous devions concevoir le champ de forage pour une seule maison isolée, nous pourrions obtenir un système qui, après 20 ans, a une température moyenne minimale du fluide de 0,41°C. Cependant, si nous prenons la même conception et la simulons pour l'ensemble du quartier, la température finale sera de 0,41°C. Cependant, si nous prenons la même conception et la simulons pour l'ensemble du quartier, la température finale (due à l'interférence) devient -0,88°C.

Il doit être clair que les forages individuels doivent être conçus en tenant compte des interférences.

!Note
Dans le cas de nos neuf maisons, chaque champ de forage géothermique ne subit pas le même niveau d'interférence géothermique. Les forages situés au centre du quartier subiront plus d'interférences des systèmes environnants que ceux situés à la périphérie du projet. Par conséquent, le simple fait d'augmenter la conception de toutes les maisons du même montant conduirait à une surestimation de la longueur de forage nécessaire pour certains bâtiments, tandis que d'autres pourraient connaître un léger sous-dimensionnement. Il est préférable de simuler ces situations directement avec le logiciel module d'interférence dans GHEtool Cloud pour déterminer l'influence spécifique sur chaque système.

Conclusion

En général, nous pouvons dire que la taille finale du champ de forage, lorsque l'on travaille avec des systèmes entièrement individuels, est régie par deux facteurs principaux :

• Une puissance de pointe plus élevée (100% de la demande du bâtiment)
• Une influence plus faible du déséquilibre et de l'interférence, en fonction de l'espacement entre les trous de forage.

L'importance relative de ces deux effets peut varier d'un projet à l'autre. D'une manière générale, dans les immeubles d'habitation où les forages sont relativement proches les uns des autres (comme s'il s'agissait d'un champ de forage unique), les systèmes individuels conduiront à un léger surdimensionnement. Dans les quartiers où les forages sont plus éloignés les uns des autres qu'ils ne le seraient dans un champ de forage unique, la conception individuelle pourrait être légèrement plus petite.

Quant aux coûts de maintenance, ils sont relativement élevés pour ce type de solution, car l'entretien de plusieurs pompes à chaleur entraîne des dépenses cumulées plus importantes. En outre, comme chaque bâtiment dispose de sa propre unité de chauffage et de refroidissement, les pics de charge électrique sur le réseau seront plus élevés, ce qui nécessitera une plus grande capacité.

Production individuelle, champ de forage collectif

Une autre option consiste à maintenir les installations séparées mais à les raccorder à un seul champ de forage. Cela pourrait être intéressant dans les cas où les forages seraient de toute façon proches les uns des autres (par exemple en raison de l'espace limité, comme dans le cas d'un immeuble à appartements), ou dans le contexte d'un réseau de chauffage urbain de cinquième génération. Puisque nous disposons maintenant d'un champ de forage collectif, nous pouvons identifier deux avantages majeurs :

1. Nous pouvons travailler avec un déséquilibre global, qui sera toujours égal ou inférieur à la somme des déséquilibres individuels. Imaginons, par exemple, qu'un bâtiment nécessite plus de chauffage que de refroidissement, tandis qu'un autre a la demande inverse. Le champ de forage résultant pourrait alors être plus équilibré, alors que dans le cas de solutions individuelles, nous devrions faire face au déséquilibre deux fois.
2. Nous pouvons travailler avec une puissance de crête plus faible en raison de la simultanéité.
   !Attention
   Lorsque l'on travaille avec des pompes à chaleur individuelles, la simultanéité devient de plus en plus difficile à prévoir. Imaginons, par exemple, les profils d'eau chaude domestique. La plupart des gens se douchent le matin ou le soir, ce qui entraîne un chevauchement potentiellement important de la puissance de pointe. En outre, de plus en plus de pompes à chaleur réagissent aux prix dynamiques de l'électricité pour déterminer quand chauffer ou refroidir un bâtiment. Étant donné que toutes les pompes à chaleur suivent le même profil de prix de l'électricité, cela pourrait, dans des cas extrêmes, conduire à un fonctionnement synchronisé avec une simultanéité totale.

Dans ce cas, les forages sont potentiellement plus proches les uns des autres, ce qui renforce l'influence du déséquilibre. L'aspect positif est que, puisque le déséquilibre est maintenant centralisé, nous pouvons également utiliser la régénération (par exemple par le biais d'un refroidisseur sec, d'absorbeurs solaires et d'autres technologies similaires) pour résoudre ce problème. Pour plus d'informations, voir autre article. Cependant, le champ de forage central lui-même reste un élément passif sans système de contrôle propre. L'ajout d'une régénération nécessiterait donc une stratégie de contrôle centralisée, ce qui pourrait accroître la complexité du système.

Conclusion

Lorsque vous travaillez avec un champ de forage collectif, vous avez potentiellement une puissance de crête et un déséquilibre plus faibles à gérer. Cependant, comme les forages sont plus proches les uns des autres, l'influence du déséquilibre peut être plus importante. La décision finale quant à savoir si cela est bénéfique ou non dépend en fin de compte du projet spécifique. D'une manière générale, pour les appartements où 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, à moins que les forages puissent être placés plus loin les uns des autres et reliés par un réseau de chauffage urbain de cinquième génération.

Comme il y a toujours plusieurs systèmes, le coût d'entretien cumulé de cette solution reste relativement élevé, tout comme la demande totale de puissance de pointe sur le réseau électrique. Comme la simultanéité ne peut être garantie et que la régénération est un peu plus complexe dans ce cas, le champ de forage est généralement plus grand que dans l'option suivante.

Production collective, champ de forage collectif

Notre dernière option combine la production centralisée de chauffage et de refroidissement avec un champ de forage centralisé. Il s'agit de la solution traditionnelle de chauffage et de refroidissement urbains, avec un système de production partagé. Comme dans le cas précédent, où nous avons centralisé le champ de forage, nous bénéficions d'un déséquilibre global inférieur à celui des systèmes individuels.

Cependant, contrairement au champ de forage collectif avec production individuelle, le fait d'avoir un système de production centralisé signifie que nous pouvons tenir compte d'une véritable simultanéité. Cela permet de dimensionner différemment la pompe à chaleur, ce qui se traduit par une demande de puissance de pointe plus faible.

Comme dans l'option précédente, les forages seront probablement plus proches les uns des autres, ce qui peut accroître l'effet de déséquilibre. Néanmoins, étant donné que nous disposons également d'une unité de production centralisée, il est relativement facile d'atténuer ce phénomène en créant un système hybride ou en incorporant une régénération.

Conclusion

Le fait d'avoir un système entièrement collectif se traduira par des demandes de puissance de pointe plus faibles sur le champ de forage et un déséquilibre global similaire. Par conséquent, par rapport au cas des unités de production individuelles et d'un champ de forage collectif, cette solution conduira généralement à des systèmes géothermiques plus petits, bien que cela dépende toujours du projet spécifique et de la géométrie du champ de forage. En général, cette solution tend à être plus rentable pour les appartements, alors qu'elle peut être plus coûteuse pour les quartiers en raison de la nécessité d'isoler les tuyaux de distribution pour le chauffage et le refroidissement.

Comme nous n'avons plus qu'un seul système à entretenir, le coût d'entretien cumulé est plus faible et la capacité électrique requise du réseau est également réduite. Les systèmes collectifs sont plus faciles à optimiser.

La simultanéité dans le sol ?

Dans les trois cas différents examinés ci-dessus, nous avons mentionné la simultanéité (sur laquelle vous pouvez en savoir plus ici), le concept selon lequel les charges de pointe s'atténuent lorsque plusieurs utilisateurs partagent le même système. Cela explique pourquoi, dans le cas d'un champ de forage collectif, et en particulier pour un système entièrement collectif, la puissance de crête résultante sur le champ de forage est plus faible. Ce n'est toutefois pas le cas pour les systèmes individuels.

“Mais il y a des interférences entre les différents forages. N'y a-t-il pas simultanéité sous terre ?” La réponse courte est non. Pour la réponse longue, nous jetons un coup d'œil au graphique ci-dessous.

Comme nous l'avons mentionné, l'interférence est réelle et très importante pour les systèmes voisins, mais l'échelle de temps de l'interférence et celle de la simultanéité sont très différentes. Ci-dessus, nous revenons sur les effets à long terme sur la température du champ de forage (plus d'informations ici) pour trois intervalles de forage différents. Comme on peut le voir, toutes les lignes coïncident au départ, mais après un à deux mois, le cas avec un espacement de 6 m entre les trous de forage commence à diverger. Cela marque le moment où la chaleur a voyagé suffisamment loin dans le sol pour atteindre le trou de forage voisin.

Cette échelle de temps de plusieurs mois à plusieurs années (en fonction de la distance) est beaucoup plus longue que l'échelle de temps à laquelle la simultanéité se produit, qui est immédiate. Par conséquent, les interférences sont importantes pour le long terme et pour le déséquilibre collectif de tous les systèmes, mais elles ne peuvent pas être utilisées pour atteindre des valeurs de puissance de crête plus faibles.

Conclusion

Dans cet article, nous avons examiné trois solutions géothermiques différentes : le système entièrement individuel (où la production et les forages sont séparés), le système entièrement collectif (avec une production collective et un champ de forage partagé) et une solution combinée, où des unités de production distinctes pour le chauffage et le refroidissement sont connectées à une source géothermique centrale.

Bien que les économies spécifiques liées au passage d'un système individuel à un système collectif dépendent des caractéristiques de chaque projet, l'adoption d'un champ de forage collectif offre l'avantage de travailler avec un déséquilibre combiné plutôt que de le traiter bâtiment par bâtiment. En outre, la centralisation de la production peut contribuer à réduire les coûts de maintenance, à limiter la puissance de pointe du champ de forage et à réduire la capacité électrique requise.

Références

• Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.