Dans cet exercice, nous allons étudier la façon dont vous pouvez concevoir un champ de forage pour un bâtiment unifamilial. L'objectif est d'apprendre la différence entre la conception pour la demande de chauffage ou de refroidissement et de voir la différence de longueur de forage nécessaire lorsque l'on travaille avec un refroidissement actif ou passif. En outre, nous soulignerons la différence entre la conception d'une pompe à chaleur modulante ou d'une pompe à chaleur tout ou rien et l'importance du débit.
L'exercice
Le cas de cet exercice est basé sur un bâtiment unifamilial réel situé dans la ville d'Anvers (Belgique). Pour concevoir un champ de forage adapté à ce bâtiment, vous devrez vous appuyer sur les connaissances acquises dans une série d'articles précédents (auxquels nous ferons référence si nécessaire). Tout au long de cet exercice, vous explorerez les différentes questions qui se posent lors de la conception d'un champ de forage pour un projet de petite taille. Généralement, les champs de forage géothermiques étaient conçus pour répondre à la demande de chauffage du bâtiment, le refroidissement étant considéré comme un ‘ plus ’. Cependant, de nos jours, avec la demande croissante de confort d'été, cela devient de plus en plus important. Dans cet exercice, vous vous familiariserez avec ces questions de conception pour un bâtiment unifamilial.
!Indice
Pour tirer le meilleur parti de cet exercice, nous vous recommandons vivement de répondre aux questions de conception ci-dessous avant de lire la solution fournie. La conception d'un champ de forage est loin d'être simple, et la meilleure façon d'en maîtriser les complexités est d'acquérir une expérience pratique.
Paramètres d'entrée
Paramètres généraux d'entrée
- Seuil minimal de la température moyenne du fluide : 2°C
- Seuil de température moyenne maximale du fluide : 17°C (refroidissement passif) | 25°C (refroidissement actif)
!Note
Ces températures sont choisies pour s'assurer que le refroidissement peut fonctionner en mode passif ou libre (d'où la limite supérieure de 17°C). La limite inférieure de 2°C est fixée pour éviter les températures négatives dans le trou de forage. Une température moyenne du fluide de 2°C correspond typiquement à une température d'alimentation de 0°C et à une température de retour de 4°C, en supposant une différence de température ($\Delta T$) de 4°C.
- Période de simulation : 40 ans
- Premier mois de la simulation : Janvier
Paramètres d'entrée au sol
- 1,9 W/(mK) de 50 à 200 m
- Capacité thermique volumétrique : 2,4 MJ/(m³K)
- Lieu : ‘Bel-Antwerpen’
Paramètres d'entrée du champ de forage
Tous les champs de forage de cet exercice sont alignés, avec un espacement égal de 6 m en longueur et en largeur. La profondeur d'enfouissement est de 1 m et la configuration initiale est de 1 x 3 forages avec une profondeur de forage de 90 m.
Paramètres d'entrée de la résistance du trou de forage
Les paramètres du tuyau sont les suivants
- Tuyau double DN32 PN16 (c'est-à-dire une épaisseur de paroi de 3 mm et un diamètre extérieur de 32 mm)
- Diamètre du trou de forage : 140 mm
- Distance entre le tuyau et le centre du trou : 35 mm
- Coulis : 1,8 W/(mK)
Le fluide est 25 v/v% MPG avec un débit de 0,7 l/s pour l'ensemble du champ de forage.
!Note
Dans un prochain article, nous verrons en détail comment calculer le débit de votre système. L'une des méthodes consiste à consulter la documentation technique de votre pompe à chaleur et à vérifier quel est le débit nominal.
Paramètres d'entrée de la charge thermique
- Demande de chauffage de pointe du bâtiment : 9,2 kW
- Pompe à chaleur modulante de 12 kW
- Demande annuelle de chauffage : 12 MWh
- Demande de refroidissement du bâtiment : 8,7 kW
- Demande annuelle de refroidissement : 6,1 MWh
- Demande annuelle d'eau chaude domestique : 2,1 MWh
- SCOP : 4,87 (chauffage)
- SCOP : 3,13 (DHW)
- SEER : 20 (refroidissement passif)
- SEER : 6 (refroidissement actif)
Design questions
Pour cet exercice, vous êtes invité à répondre aux questions de conception suivantes tout en suivant la longueur totale du trou de forage pour chaque étape. Cela vous aidera à évaluer les implications en termes de coûts et de performances des différentes modifications apportées à la conception.
!Indice
Pour que votre travail soit bien organisé, il est recommandé d'utiliser un scénario distinct pour chaque question de conception.
- Compte tenu de la conception initiale du champ de forage (1 × 3 trous de forage à 90 m), la demande de chauffage et de refroidissement peut-elle être satisfaite ?
- Quelle est la longueur totale du forage nécessaire si nous concevons le champ de forage de manière à ce que la demande de refroidissement puisse être satisfaite par un refroidissement passif ?
- Comment réduire la longueur totale du forage ?
- Comment la conception change-t-elle si, au lieu d'un refroidissement passif, on utilise un refroidissement géothermique actif ?
- Si nous utilisons une pompe à chaleur tout ou rien au lieu d'une pompe à chaleur modulante, cela modifiera-t-il notre conception ?
Solution
Vous trouverez ci-dessous les réponses aux questions relatives à la conception exposées précédemment. Il est important de souligner qu'il n'y a pas de réponse unique et correcte. L'intérêt de cet exercice réside dans la compréhension du raisonnement qui sous-tend chaque décision plutôt que dans l'acceptation stricte de chaque hypothèse.
Chaque projet géothermique est unique et les choix que vous faites - concernant les paramètres, les configurations et les seuils - dépendent fortement des contraintes spécifiques au projet, des priorités de conception et des considérations pratiques. Utilisez ces réponses comme un guide, mais n'hésitez pas à remettre en question les hypothèses et à explorer d'autres solutions.
Question 1
Avec une longueur totale de 267 m, cette première conception est une conception traditionnelle pour les champs de forage géothermiques peu profonds pour un bâtiment résidentiel. Il est basé sur la demande de chauffage et restera toujours au-dessus du seuil minimum de 2°C (le minimum réel semble être de 2,22°C).
!Note
On pourrait s'attendre à ce que 3 forages de 90 m donnent une longueur totale de 270 m au lieu de 267 m. Cependant, il y a une différence entre la longueur et la profondeur du forage. Comme la profondeur d'enfouissement est de 1 m, la longueur du forage actif est en fait de 89 m au lieu de 90 m, ce qui explique la différence.
En utilisant les paramètres d'entrée dont nous disposions, nous constatons que le trou de forage a un régime d'écoulement laminaire pendant le chauffage et le refroidissement, de sorte que la résistance thermique effective du trou de forage est plus ou moins égale (pour plus d'informations à ce sujet, voir ici). Avec cette conception, nous constatons que nous ne sommes pas en mesure d'assurer le confort d'été requis, car la température moyenne maximale du fluide de 20,42°C dépasse largement notre limite de 17°C pour le refroidissement passif.
!Note
De nos jours, de plus en plus de champs de forage sont conçus avec une température minimale de 0°C. Bien qu'un tel système puisse fonctionner de manière adéquate, il ne tient pas compte des interférences thermiques entre les différents forages. De plus, avec moins de mètres de forage, la température maximale pendant le refroidissement serait encore plus élevée (plus d'informations ici). Pour une conception plus robuste, plus sûre et plus efficace, nous recommandons donc d'opter pour une température minimale de 2°C.
Question 2
Pour trouver la taille du champ de forage nécessaire pour refroidir notre bâtiment, on peut utiliser l'objectif ‘calculer la profondeur nécessaire’ dans GHEtool pour les mêmes 3 trous de forage. Ce faisant, vous rencontrerez une erreur de gradient (vous trouverez plus d'informations à ce sujet dans la rubrique article séparé). Étant donné que 90 m n'étaient pas suffisants pour répondre à la demande de refroidissement, un forage plus profond est nécessaire. Cependant, comme cela augmente également la température du sol, il se peut qu'il n'y ait pas de solution réalisable avec seulement 3 trous de forage.
Lorsque nous utilisons 4 trous de forage au lieu de 3, la profondeur de forage requise peut être calculée et se situe juste en dessous de 150 m. Maintenant, la température du fluide reste en dessous de la limite maximale de 17°C, mais nous avons besoin d'une longueur totale de forage de 590 m au lieu des 267 m précédents.
La différence entre notre première conception et cette conception passive est si importante pour deux raisons principales. Tout d'abord, comme nous forons maintenant plus profondément, la température du sol est plus élevée d'environ 1°C, ce qui rend le refroidissement passif plus difficile (et nécessite encore plus de longueur de forage). Deuxièmement, comme le débit est maintenant réparti sur quatre trous de forage au lieu de trois, la résistance effective du trou de forage est passée de 0,1308 mK/W à 0,1630 mK/W, ce qui rend plus difficile l'échange d'énergie entre le champ de forage et le sol.
!Attention
Si l'on travaille avec un débit par forage, le passage de trois à quatre forages impliquerait une augmentation de 33% du débit total dans le système. Toutefois, cela ne se produit pas dans la pratique, car le débit est déterminé par la demande du bâtiment. Par conséquent, lorsque l'on modifie le nombre de forages (et en général), il est préférable de travailler avec un débit pour l'ensemble du champ de forage. Dans un prochain article, nous aborderons plus en détail le calcul du débit.
Question 3
Une façon d'essayer de réduire la longueur totale du forage est d'ajuster le débit. Cependant, comme le débit total est fixe, la seule option consiste à connecter les forages par paires de deux en série. Dans cette configuration, le débit total est divisé par deux et non par quatre, comme c'est le cas lorsque tous les forages sont connectés en parallèle (lire cet article pour plus d'informations).
Dans ce cas, notre nombre de Reynolds est maintenant de 3016 pendant le refroidissement (c'est-à-dire l'injection), ce qui nous donne une résistance thermique effective du trou de forage nettement meilleure de 0,0846 mK/W, réduisant la profondeur du trou de forage nécessaire à un peu moins de 90 m. Cela porte la longueur totale du trou de forage à 354 m, ce qui est plus que dans notre premier scénario, mais nettement moins que dans le précédent.
Question 4
Une autre façon de faire face à la forte demande de refroidissement est d'utiliser le refroidissement actif. Dans ce cas, notre conception est très similaire au premier scénario, étant donné que les deux champs de forage sont effectivement conçus pour la demande de chauffage (puisque la limite de température de 25°C n'est pas atteinte).
!Note
Comme nous l'avons déjà évoqué à plusieurs reprises (voir par exemple cet article), il est également possible de combiner le refroidissement actif et passif. Toutefois, pour les projets résidentiels, cette solution n'est généralement pas retenue en raison du coût d'investissement plus élevé.!Note
Le passage du refroidissement actif au refroidissement passif n'est pas simple, car il peut nécessiter des systèmes d'émission différents. Par exemple, il n'est pas conseillé de faire circuler de l'eau à 12°C dans un système de refroidissement par le sol. Discutez avec votre installateur des capacités de votre système d'émission et partez de là.
Question 5
Jusqu'à présent, nous avons travaillé avec une pompe à chaleur modulante de 12 kW, qui présentait l'avantage de pouvoir être conçue pour une demande de chauffage de pointe de 9,2 kW, ce qui correspond à la demande réelle du bâtiment. Cependant, si vous utilisez une pompe à chaleur marche/arrêt de 12 kW, la pompe à chaleur ne peut fournir que 12 kW, de sorte que votre champ de forage géothermique doit être conçu pour faire face à cette pleine capacité.
Si nous reprenons notre conception initiale et que nous fixons la puissance maximale à 12 kW, nous constatons que la température pendant le chauffage chute à 0,29°C, ce qui est bien inférieur à notre seuil de 2°C. Cela souligne l'importance de savoir quel type de pompe à chaleur sera installé et, s'il s'agit d'une pompe à chaleur modulante, de s'assurer que l'installateur limite la puissance nominale pour qu'elle corresponde à la demande réelle du bâtiment.
En général, il est vrai qu'un surdimensionnement de la pompe à chaleur géothermique conduira à un champ de forage surdimensionné - et donc à un coût d'investissement nettement plus élevé.
Conclusion
Cet exercice a permis d'examiner les différentes questions qui se posent lors de la conception d'un champ de forage pour un bâtiment unifamilial. Alors que les champs de forage étaient auparavant dimensionnés uniquement pour répondre à la demande de chauffage, la prise en compte de la demande de refroidissement en constante augmentation peut entraîner une augmentation significative du nombre de mètres de forage (et donc un coût d'investissement plus élevé). Toutefois, lorsque les clients attendent un niveau élevé de confort d'été, cette approche peut être privilégiée. Pour les budgets plus modestes, une solution possible est d'opter pour un refroidissement géothermique actif - à condition que le système d'émission le permette.
Références
- Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.