Comment éviter les déséquilibres ?

Le déséquilibre est un aspect central et important dans le monde de la conception géothermique. La semaine dernière, nous avons examiné comment y faire face lors de la conception de votre champ de forage, mais aujourd'hui nous allons prendre du recul et examiner les différentes façons de l'éviter.

Qu'est-ce qu'un déséquilibre ?

Le déséquilibre est le réchauffement ou le refroidissement annuel du sol causé par une différence entre l'énergie extraite et l'énergie injectée sur une base annuelle. En ce sens, il est entièrement déterminé par la demande d'énergie de votre bâtiment et c'est une chose à laquelle vous devez simplement apprendre à faire face. Ci-dessous, vous pouvez voir un exemple de champ de forage dominé par l'extraction.

La demande géothermique ci-dessus se traduit par le champ de forage à dominante d'extraction illustré ci-dessous. Comme vous pouvez le constater, la température baisse d'année en année parce que l'énergie extraite est supérieure à l'énergie injectée. Cela exerce une pression considérable sur le seuil minimum à la fin de la période de simulation, qui devient le point de conception critique. Plus le déséquilibre est important, plus il faut de mètres de forage (et donc d'investissements) pour y faire face.

!Note
Par définition, tout déséquilibre n'entraîne pas nécessairement une augmentation du nombre de mètres de forage et donc des coûts d'investissement. Lorsqu'il y a un certain déséquilibre mais que votre champ de forage est déjà limité la première année en raison d'une puissance de pointe élevée, il devient moins important. Pour plus d'informations, voir notre article sur les quadrants du champ de forage.

Éviter ou faire face ?

Il est clair qu'un déséquilibre peut entraîner des difficultés considérables pour la conception de votre champ de forage et, comme pour la plupart des difficultés de la vie, vous pouvez soit essayer de l'éviter, soit apprendre à y faire face.

La semaine dernière, nous avons examiné différentes façons de gérer le déséquilibre une fois qu'il a été donné. (Vous pouvez trouver l'article ici.) Cette semaine, nous allons prendre du recul et examiner les différentes options de conception disponibles pour éviter le déséquilibre. Cela peut se faire de deux manières : en tenant compte des décisions architecturales dans le bâtiment ou en utilisant une approche plus systémique. Ces deux approches sont expliquées ci-dessous.

Représentation graphique de l'origine du déséquilibre et des moyens d'y remédier.

Approche architecturale

Comme nous l'avons déjà mentionné, le déséquilibre est une conséquence de la demande du bâtiment en matière de chauffage, de refroidissement et d'eau chaude sanitaire, mais cette demande n'est pas figée. Bien sûr, des aspects tels que les niveaux d'occupation et de confort sont assez stricts et immuables, mais au stade de la conception architecturale d'un projet, nous pouvons influencer plusieurs facteurs qui détermineront la demande finale de chauffage et de refroidissement du bâtiment. Quelques-uns d'entre eux sont abordés ci-dessous.

Brise-soleil

L'une des discussions les plus fréquentes lors de la phase architecturale d'un projet est de savoir s'il faut installer des stores solaires pour éviter que le bâtiment ne surchauffe en été.

Bien que cela puisse être une bonne idée pour des raisons de confort, l'installation d'une protection solaire diminuera la demande de refroidissement du bâtiment, ce qui n'est pas idéal dans le cas d'un champ de mines dominé par l'extraction (où la température baissera d'année en année). Dans ce cas, il est préférable d'augmenter la demande de refroidissement pour équilibrer le champ de forage.

!Note
Au lieu de placer des stores solaires, il serait préférable d'explorer les moyens de maintenir le bâtiment frais sans réduire la demande de refroidissement elle-même, puisque cela affecte le déséquilibre. Par exemple, vous pouvez utiliser des ventilateurs pour faire face à la forte demande de refroidissement en été. Cependant, il faut toujours s'assurer que votre champ de forage peut également répondre à la demande de refroidissement en période de pointe.

Fenêtres

Outre les ombres solaires, la taille et l'emplacement des fenêtres ont également une influence significative sur le déséquilibre. Tout d'abord, la taille des fenêtres a un double effet : elle augmente les gains solaires en été (augmentant la demande de refroidissement et donc la charge d'injection sur le champ de forage), mais d'un autre côté, elle augmente également les pertes de chaleur par conduction en hiver (augmentant la demande de chauffage et donc la charge d'extraction sur le champ de forage).

L'ampleur relative de ces effets est déterminée par le positionnement ou l'emplacement des fenêtres. Une fenêtre située sur la façade nord du bâtiment n'augmentera que légèrement la charge de refroidissement, tandis qu'une fenêtre située sur la façade sud entraînera une augmentation considérable de la demande de refroidissement. Les pertes de chaleur en hiver sont moins sensibles à l'orientation.

Outre la taille et l'orientation des fenêtres, leurs valeurs U et g font également la différence. Le premier paramètre influe sur la qualité de l'isolation de la fenêtre (et donc sur la demande de chauffage ou d'extraction), tandis que le second influe sur les gains solaires (qui influencent la demande de refroidissement ou d'injection).

Matériau du sol

Un dernier point qui a une influence significative sur le déséquilibre géothermique est le matériau du sol. Les deux situations ci-dessous utilisent des systèmes de chauffage par le sol, mais l'une est recouverte de carreaux de céramique, tandis que l'autre a un plancher en bois massif.

Outre la différence d'esthétique, le comportement thermique des deux sols est extrêmement différent. Le sol en céramique est un très bon conducteur de chaleur, tandis que le sol en bois agit davantage comme un isolant. Cela signifie que si vous souhaitez utiliser le refroidissement par le sol, un sol en céramique sera presque 50 % plus performant qu'un sol en bois. Cela n'affecte pas seulement le confort thermique, mais aussi le déséquilibre, puisqu'un plancher en bois captera moins de la demande de refroidissement, ce qui se traduira par une charge d'injection plus faible sur le champ de forage.

Approche systémique

Les options discutées ci-dessus peuvent être utilisées pour modifier la demande du bâtiment dans une certaine mesure, mais avant d'aborder le déséquilibre dans notre conception géothermique, il y a une autre approche que nous pouvons prendre pour l'éviter : l'approche du système. Les options d'hybridation et de régénération sont examinées ci-dessous.

Hybridation

Nous concevons un système CVC pour fournir au bâtiment le chauffage et le refroidissement nécessaires, mais en fonction de la configuration, seule une certaine partie de cette demande est satisfaite par le champ de forage. Lorsque nous revoyons le graphique sur le déséquilibre, il devient clair que le bâtiment a une demande de chauffage plus élevée que la demande de refroidissement (comme le montre une extraction plus élevée que l'injection de chaleur), ce qui provoque le déséquilibre.

Une approche pour équilibrer le champ de forage consiste à retirer une partie de la demande de chauffage du bâtiment du système géothermique et à l'affecter à une autre technologie, telle qu'une pompe à chaleur air-eau, une chaudière à gaz ou un chauffage électrique. De cette façon, nous ne modifions pas la demande du bâtiment elle-même, mais nous éliminons le déséquilibre géothermique en déplaçant une partie de la charge ailleurs.

!Note
Comme indiqué dans notre article sur les quadrants du champ de forage, les charges d'injection et d'extraction ne sont pas identiques aux demandes de refroidissement et de chauffage du bâtiment, puisqu'une pompe à chaleur fonctionne entre les deux. En outre, si l'eau chaude sanitaire est également produite à l'aide de la pompe à chaleur géothermique, une partie de la charge d'extraction provient de celle-ci. Toutefois, dans le cadre de cet article, nous faisons abstraction de cet aspect.

Exemple de système hybride

Bien que les systèmes hybrides (dont nous avons parlé en détail dans le document nos articles sur ce sujet) sont généralement utilisés dans des installations plus importantes, mais ils peuvent également apparaître dans des projets résidentiels plus modestes. Un exemple est celui d'un bâtiment équipé d'un système de chauffage et de refroidissement par le sol couplé à une pompe à chaleur géothermique, qui devient trop chaud en été. Pour éviter la surchauffe, les propriétaires installent une unité de climatisation séparée pour répondre à la demande de refroidissement. Il s'agit alors d'un système hybride où l'on trouve à la fois une pompe à chaleur géothermique et une pompe à chaleur à air.

Cependant, si le système géothermique est dominé par l'extraction, le système hybride décrit ci-dessus ne sera pas bénéfique pour le déséquilibre. L'unité split peut facilement refroidir la température de la pièce à 21°C, ne laissant aucune charge de refroidissement pour le système de refroidissement par le sol. Par conséquent, la quantité de chaleur réinjectée dans le champ de forage sera presque nulle, ce qui pourrait entraîner une augmentation significative du déséquilibre.

D'autre part, si l'unité split est également utilisée pour aider au chauffage en hiver, elle peut retirer une partie de la demande de chauffage du bâtiment du champ de forage, ce qui serait bénéfique pour l'équilibre du champ de forage.

Régénération

Une autre approche pour réduire le déséquilibre du champ de forage est la régénération. Ici, au lieu de retirer une partie de la charge du champ de forage pour compenser le déséquilibre, nous augmentons la charge opposée. Par exemple, dans le cas ci-dessous, où l'extraction est supérieure à l'injection, nous pouvons augmenter la demande d'injection en installant des refroidisseurs secs, des absorbeurs solaires ou des systèmes similaires. Ce faisant, le déséquilibre est à nouveau compensé.

!Attention
Lorsque vous régénérez votre champ de forage, vous augmentez sa charge. Il est important de simuler si votre champ de forage peut réellement supporter cette charge supplémentaire. Par exemple, dans le cas ci-dessus, si vous deviez installer des absorbeurs solaires pour injecter de la chaleur supplémentaire dans le sol, cela augmenterait la puissance d'injection et donc également la température moyenne du fluide à l'intérieur du trou de forage. Vous devez vous assurer que vous pouvez toujours fournir le refroidissement nécessaire à votre bâtiment - en d'autres termes, vous devez vous assurer que votre régénération n'interfère pas avec le confort réel du bâtiment.

!A venir
L'année prochaine, nous introduirons des modules de régénération (à côté de l'hybridation) dans GHEtool Cloud. Restez à l'écoute !

Conclusion

Le déséquilibre joue un rôle important dans le travail d'un concepteur géothermique, et bien que vous puissiez essayer d'y faire face pendant la phase de conception du champ de forage, il est préférable d'éviter complètement le déséquilibre. Dans cet article, nous nous sommes concentrés sur deux approches pour y parvenir : l'approche architecturale et l'approche systémique.

La première a souligné l'importance des choix de conception des bâtiments en ce qui concerne la taille et l'emplacement des fenêtres, la protection solaire, ainsi que l'impact du type de sol lorsque l'on travaille avec le chauffage et le refroidissement par le sol. La seconde a introduit l'ajout d'une autre technologie au système CVC pour créer soit un système hybride, qui retire une partie de la charge du champ de forage pour le maintenir équilibré, soit un champ de forage régénéré, où l'on contrebalance le déséquilibre en y injectant ou en en extrayant de la chaleur.

Références

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