Dans presque toutes les conceptions géothermiques, vous rencontrerez un déséquilibre. Parfois, ce n'est pas un problème majeur, mais dans d'autres cas, cela pose un défi important pour que votre champ de forage reste abordable et robuste à long terme. Dans cet article, nous allons voir comment vous pouvez gérer le déséquilibre lors de la conception de votre prochain champ de forage.
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.
En plus d'avoir un champ de forage dominé par l'extraction, il est également possible d'avoir un cas où le champ de forage se réchauffe d'année en année. C'est le cas, par exemple, dans les immeubles de bureaux où la charge de base de refroidissement est élevée (comme les salles de serveurs) ou dans les climats plus chauds où le chauffage est moins fréquent.
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.
Comme nous l'avons mentionné, le déséquilibre est déterminé par la demande du bâtiment, puisqu'il est directement calculé à partir des besoins énergétiques du bâtiment. Toutefois, en tant qu'architecte ou concepteur de systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation, vous avez une influence considérable sur cette demande. Tenez compte de l'orientation et de la taille des fenêtres, du type de pompe à chaleur que vous choisissez, ou si vous optez pour un système hybride. Cette approche visant à éviter les déséquilibres sera abordée dans l'article de la semaine prochaine.
Dès la phase de conception géothermique d'un projet, il existe de multiples façons de faire face avec ce déséquilibre. Dans la section suivante, nous aborderons différentes approches pour optimiser votre conception géothermique elle-même afin de minimiser l'impact (financier) du déséquilibre.
Conception de Borefield
La conception des champs de forage est presque comme un jeu avec de multiples stratégies mais pas de meilleure solution unique. Dans la prochaine sous-section, nous examinerons les différents aspects qui peuvent être pris en compte lors de la gestion du déséquilibre. L'influence sur le comportement à long terme et à court terme aura toujours un effet bénéfique et sera abordée en premier lieu. L'augmentation du nombre de trous de forage ou le forage de trous plus profonds peuvent être utiles dans certains cas et seront abordés en dernier lieu.
Long terme
Comme nous l'avons vu dans nos articles sur la physique des champs de forage, deux échelles de temps sont importantes dans la conception des champs de forage : le long terme (dans l'ordre des années) et le à court terme (par ordre d'heures).
L'effet à long terme décrit l'évolution du champ de forage au fil des ans, et c'est là que l'impact direct du déséquilibre devient visible. Plus vous extrayez d'énergie sur une base annuelle, plus la température sera basse à long terme (et vice versa pour les systèmes dominés par l'injection).
Comme nous l'avons expliqué dans notre article précédent, Le comportement à long terme est régi par les fonctions g qui décrivent les interactions entre les trous de forage ainsi que l'interaction entre le champ de forage et le sol environnant. Chaque fois que nous modifions la disposition du champ de forage, la fonction g s'adapte en conséquence. Pour minimiser l'influence du déséquilibre sur l'ensemble du système, la configuration doit avoir de petites valeurs g.
Comme le montre la figure ci-dessus, il y a plusieurs façons d'influencer les fonctions g. L'une d'entre elles, illustrée à gauche, consiste à ajuster l'espacement. L'une d'entre elles, illustrée à gauche, consiste à ajuster l'espacement. Plus les trous de forage sont espacés, mieux ils peuvent échanger de l'énergie avec le sol et plus l'impact du déséquilibre sera faible. Le même raisonnement s'applique à l'exemple de droite : si vous changez la configuration des trous de forage pour une disposition plus ouverte (comme une ligne ou une forme en L au lieu d'un rectangle), le champ de forage peut échanger de l'énergie avec le sol plus efficacement, réduisant ainsi l'influence du déséquilibre.
Court terme
Les effets à court terme (tels que discutés dans cet article) sont liées à la résistance thermique effective du trou de forage. Cette valeur indique dans quelle mesure le trou de forage peut échanger de la chaleur avec le sol, c'est-à-dire quelle est la résistance thermique entre le fluide et le sol environnant.
À première vue, cela peut ne pas sembler directement lié au problème qui nous occupe, puisque la résistance thermique effective du trou de forage n'a qu'un effet instantané (lié à la puissance de pointe) et pas tellement un effet à long terme. Alors pourquoi est-ce important pour notre discussion sur le déséquilibre ? Pour répondre à cette question, examinons les deux graphiques suivants, qui montrent la même configuration du champ de forage (c'est-à-dire le même effet à long terme).
La figure ci-dessus montre une résistance thermique effective élevée dans le trou de forage, comme l'indique la grande différence de température entre la température de chauffage maximale et la température de la paroi du trou de forage. Il existe un certain déséquilibre, mais il est relativement faible. S'il était plus important, la température seuil minimale serait dépassée.
Le graphique ci-dessus montre le même champ de forage que précédemment (et donc le même comportement à long terme). Cependant, comme la résistance thermique effective du trou de forage est maintenant beaucoup plus faible que dans l'exemple précédent, le système peut gérer un déséquilibre beaucoup plus important tout en restant au-dessus du seuil de température de 2°C dans ce cas. En d'autres termes, lorsque la résistance du trou de forage est faible, un déséquilibre plus important peut être géré plus efficacement parce qu'il est plus facile de transférer l'énergie entre le fluide et le sol.
Trous de forage supplémentaires
Une autre solution souvent proposée consiste à réaliser des forages supplémentaires. Le raisonnement est assez simple : plus il y a de trous, plus il y a d'énergie échangée avec le sol. Ce raisonnement s'inscrit dans la même logique que celle que nous avons évoquée précédemment en ce qui concerne l'espacement et la configuration des trous de forage. Il y a toutefois une nuance importante à apporter, qui concerne la résistance des forages mentionnée plus haut.
L'un des paramètres clés de la résistance thermique effective du trou de forage est le régime d'écoulement (laminaire ou turbulent), sur lequel vous pouvez en savoir plus. ici. Lorsque le nombre de trous de forage dans le système change, le débit total (qui est généralement déterminé par la pompe à chaleur et la demande du bâtiment) est divisé entre un nombre différent de trous de forage, ce qui se traduit par un débit plus faible par trou de forage. Dans le graphique ci-dessous, cela correspond à une diminution du nombre de Reynolds.
Lorsqu'un champ de forage fonctionne dans la zone transitoire (entre Re = 2300 et Re = 4000), la réduction du débit par forage peut avoir un effet significatif sur la résistance effective du forage et donc sur la capacité du champ de forage à faire face au déséquilibre (comme discuté dans la section précédente).
Par conséquent, lors de l'ajout de nouveaux forages, il est toujours important de surveiller cette résistance et, dans la mesure du possible, d'augmenter le débit ou d'ajuster la configuration du forage (simple ou double U, diamètre du tube, etc.) afin de maintenir la résistance aussi faible que possible.
!Note
En cas de déséquilibre très important, la seule option viable peut être de réaliser des forages supplémentaires, même si cela se traduit par une résistance thermique effective plus élevée.
Forages plus profonds
Le dernier recours des concepteurs de systèmes géothermiques pour faire face au déséquilibre consiste à forer des trous de forage plus profonds. Cela modifie légèrement les fonctions g et donc l'effet à long terme, étant donné que les forages plus profonds offrent également une plus grande surface pour l'échange de chaleur avec le sol. En outre, un forage plus profond signifie une température moyenne du sol plus élevée. Cette température plus élevée déplace toutes les lignes du graphique de température ci-dessus, ce qui facilite la gestion du déséquilibre.
Il convient de noter que cette solution n'est efficace que pour les champs de mines dominés par l'extraction. Lorsqu'un champ de forage connaît des problèmes liés à la température moyenne maximale du fluide, il n'est généralement pas judicieux de forer plus profondément, car des températures de fluide plus élevées posent des problèmes supplémentaires.
Conclusion
Le déséquilibre peut créer des défis de conception considérables lorsque vous essayez de maintenir votre champ de forage économiquement réalisable. Dans cet article, nous avons discuté de plusieurs approches pour faire face au déséquilibre tout en essayant de maintenir votre champ de forage aussi rentable que possible. L'augmentation de l'espacement entre les trous de forage et le choix d'une configuration ouverte (telle qu'une ligne ou une forme en L), combinés à la réduction de la résistance thermique effective du trou de forage, sont toujours de bonnes stratégies pour faire face au déséquilibre.
Le forage de trous de sonde supplémentaires peut également être une bonne option, mais il convient de prêter une attention particulière à la résistance des trous de sonde, car le débit par trou de sonde sera généralement plus faible lorsque le nombre de trous de sonde augmente. Enfin, le forage plus profond est une approche intéressante à envisager pour les champs de forage dont le profil est dominé par l'extraction.
Dans le prochain article, nous prendrons du recul et explorerons les moyens d'éviter tout déséquilibre. Restez à l'écoute !
Références
- Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.