Nous avons déjà utilisé des données horaires de manière implicite dans d'autres articles sur la conception hybride et le refroidissement actif et passif, mais nous n'avons jamais vraiment discuté des avantages par rapport aux simulations de charge mensuelles. Dans cet article, nous examinons les avantages que vous pouvez tirer de l'utilisation de données de charge horaires.
Qu'est-ce qu'une simulation dynamique ?
Pour tout type de simulation géothermique, vous devez disposer d'un profil de charge de votre bâtiment ou de votre champ de forage directement. Dans notre précédent article sur l'estimation de la charge du bâtiment (que vous pouvez trouver à l'adresse suivante ici), nous avons dit que vous pouvez soit utiliser des estimations sur une échelle de temps annuelle ou mensuelle, soit faire une simulation dynamique de votre bâtiment avec des outils tels que Vabi, Linéaire, Énergie Plus, IESVE, Bâtiments Vicus, IDA ICE ...
Étant donné que la réalisation d'une simulation dynamique pour votre bâtiment nécessite la création d'un modèle 3D complet du bâtiment et la formulation d'hypothèses concernant le comportement de l'occupant, cela prend beaucoup de temps et n'est pas nécessairement plus correct qu'une simple règle empirique (conneries à l'entrée = conneries à la sortie), mais cela peut être un outil puissant pour connaître le comportement de votre bâtiment et répondre à des questions telles que :
- Y a-t-il un risque de surchauffe en été ?
- Quelle est la demande de pointe dont j'ai vraiment besoin ?
- Si je dispose d'une protection solaire automatisée, quel sera l'effet sur la demande de mon bâtiment ?
Outre ces avantages architecturaux et techniques, ces simulations dynamiques vous donnent également le profil de demande du bâtiment dans un fichier CSV avec une résolution horaire, que vous pouvez utiliser dans GHEtool.
Avantages de l'utilisation des données horaires
Lorsque vous effectuez une simulation avec une résolution mensuelle, vous saisissez séparément la demande de pointe et la demande mensuelle. Pour simuler le profil de température, vous devez estimer la durée de la pointe (voir aussi cet article). Cette durée de pointe indique pendant combien de temps la pompe à chaleur fonctionnera à sa puissance maximale au cours d'une marche continue. Plus cette durée est longue, plus le sol est sollicité. Lorsque vous utilisez des données horaires, cette information est déjà intégrée dans les données elles-mêmes, ce qui signifie qu'aucune autre estimation n'est nécessaire : vous pouvez vous fier directement à la physique du bâtiment.
Comme nous l'avons déjà mentionné, l'utilisation de données horaires ne rend pas nécessairement votre simulation géothermique plus précise (vous pouvez toujours faire des hypothèses incorrectes sur l'occupation du bâtiment, par exemple), mais elle la rendra plus perspicace. Deux études de cas le démontrent ci-dessous.
Deux études de cas
Pour comparer la simulation d'un profil de température à l'aide de données mensuelles et horaires dans GHEtool, deux bâtiments différents ont été sélectionnés :
- Un immeuble d'appartements avec un champ de forage collectif. Ce bâtiment présente un déséquilibre important au niveau de l'extraction en raison des besoins plus élevés en matière de chauffage et d'eau chaude sanitaire.
- Un bâtiment abritant un auditorium, dont la demande de refroidissement en période de pointe est élevée (puisque le système est entièrement pneumatique), mais qui présente un déséquilibre global au niveau de l'extraction.
Les deux bâtiments ont fait l'objet d'une simulation dynamique, de sorte que nous disposons des profils de demande horaires. Grâce à un post-traitement, ces données horaires ont été converties en demandes annuelles (de pointe) pour le chauffage et la climatisation. En concevant le champ de forage avec les deux ensembles de données, nous éliminons toutes les autres incertitudes et pouvons nous concentrer uniquement sur les différences de conception résultant de l'utilisation de l'une ou l'autre résolution.
Projet résidentiel
A titre de référence, la simulation avec une résolution mensuelle a été effectuée en premier. La distribution mensuelle par défaut a été utilisée, avec la puissance maximale pour le chauffage et le refroidissement fixée à 62 kW et 77 kW respectivement, et des demandes annuelles de 120 MWh et 19 MWh. La demande d'eau chaude sanitaire était de 60 MWh/an. En utilisant une durée de pointe moyenne de 8 heures, le profil suivant a été obtenu avec un champ de forage 7×4 et des forages jusqu'à 150 m de profondeur.
Comme le montre clairement la demande du bâtiment lui-même, il existe un déséquilibre important dans ce champ de forage d'environ 116 MWh/an dans l'extraction. Toutefois, ce champ de forage est légèrement plus limité par la demande de refroidissement au cours de la première année (température de pointe de 16,81 °C) que par la demande de chauffage de pointe au cours de la 25e année (2,63 °C).
!Note
On pourrait faire valoir que le dépassement de la température maximale de refroidissement au cours de la première année n'est pas un problème majeur, puisque vous refroidissez le sol de toute façon, et que ce problème peut disparaître avec le temps. Cependant, lorsqu'on travaille avec un profil mensuel, on ne sait pas quelle sera l'importance de ce dépassement. La limite de température sera-t-elle franchie pendant une heure seulement ou pendant toute une semaine ? C'est pourquoi, lorsqu'on utilise des données mensuelles, il vaut mieux s'en tenir à ce que l'on sait : si une certaine limite est franchie ou non, mais pas pour combien de temps.
Lorsque nous effectuons la même simulation avec les données horaires, nous constatons que le même champ de forage est effectivement suffisant (notre conception était donc correcte), mais pour une raison légèrement différente. Ici, la température minimale de pointe en chauffage est de 2,09 °C, et en refroidissement de 16,37 °C. Alors qu'auparavant nous avions conçu le champ de forage en fonction du pic de demande de refroidissement, il est maintenant clair que le chauffage est le véritable facteur limitant.
D'où vient cette différence ? De la durée du pic.
Les données horaires montrent que le pic de température de refroidissement n'est atteint que pendant une heure, la deuxième température la plus élevée étant déjà inférieure à 16 °C. Supposer que la puissance maximale a duré 8 heures était, dans ce cas, une surestimation. Pour le pic de demande de chauffage, c'est l'inverse : comme le bâtiment utilise un chauffage par le sol, la température reste basse pendant une période beaucoup plus longue (comme le montre la figure ci-dessous). Dans ce cas, une durée de pointe de 8 heures pour le chauffage était en fait une sous-estimation.
!Attention
On pourrait penser que, pour surmonter cette différence, il suffit d'ajuster la durée de pointe du chauffage et de la climatisation pour qu'elle corresponde à la demande horaire. Bien que cela fonctionne, ce n'est possible qu'a posteriori, une fois qu'une simulation horaire a été effectuée. La durée de la pointe qui reflète le comportement réel du bâtiment ne peut être connue que par simulation (ou par mesure, si le bâtiment existe déjà). Cette valeur varie d'un bâtiment à l'autre, et l'affiner sur la base d'un projet peut entraîner des écarts importants dans un autre projet.
Auditorium
Pour le bâtiment de l'auditorium, une simulation initiale a également été réalisée en utilisant une résolution mensuelle, avec une demande de pointe de 32 kW pour le chauffage et de 90 kW pour le refroidissement, et des demandes annuelles de 38 MWh et 3,9 MWh respectivement. Comme le montre la figure ci-dessous, ce champ de forage est clairement limité par la demande de refroidissement de pointe au cours de la première année, et 9×4 trous de forage, chacun d'une profondeur de 150 m, sont nécessaires pour répondre aux besoins du bâtiment. La température moyenne maximale du fluide atteint 16,85 °C.
Lorsque la même simulation est effectuée avec une résolution horaire, on obtient le profil ci-dessous. Dans ce cas, la température maximale tombe à 16,16 °C, ce qui indique que la taille du champ de forage nécessaire a été surestimée dans la simulation mensuelle. Comme le système de refroidissement de l'auditorium est entièrement pneumatique, la puissance de pointe est typiquement très variable.
Lorsque nous réduisons considérablement la taille du champ de forage à 7×4 trous de forage (en réduisant le coût d'investissement de 22%), nous nous retrouvons avec un champ de forage qui connaît un pic de température moyenne du fluide de 17,28 °C, ce qui est légèrement supérieur au seuil autorisé. Cependant, grâce à la résolution horaire des données, nous pouvons voir (comme le montre la figure ci-dessous) que ce pic de température ne se produit qu'une seule fois pendant toute la simulation, alors que les autres pics de température restent bien en dessous de 17 °C. Grâce à cette résolution horaire, nous pouvons donc réduire en toute confiance la taille du champ de forage nécessaire et éviter un surdimensionnement non rentable.
Conclusion
Cet article examine les différences entre la conception d'un champ de forage à l'aide de la résolution mensuelle traditionnelle et la conception d'un champ de forage à l'aide de données horaires. Il est clair que l'utilisation de données horaires permet de mieux comprendre le comportement du bâtiment (et donc du champ de forage). Comme il n'est pas nécessaire d'estimer la durée du pic, il est plus facile d'identifier un surdimensionnement ou un sous-dimensionnement potentiel. Ainsi, bien qu'une résolution plus élevée ne se traduise pas nécessairement par une conception plus précise, elle vous permet de concevoir avec plus de confiance et de perspicacité.
Références
- Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.