Dans cet article, nous présentons la nouvelle fonctionnalité de GHEtool Cloud : travailler avec des débits variables. Apprenez-en plus sur ce changement majeur, pourquoi il est important, les avantages qu'il offre et comment il peut potentiellement changer la façon dont vous concevez les champs de forage à l'avenir.
Un petit récapitulatif de physique
Afin de comprendre les avantages de travailler avec un débit variable, nous allons d'abord récapituler certains des contenus précédents de cette base de connaissances, à savoir la résistance thermique effective du trou de forage, le nombre de Reynolds et les propriétés variables des fluides.
Résistance thermique effective du trou de forage
La résistance thermique effective du trou de forage est l'un des paramètres les plus importants dans la conception d'un champ de forage géothermique, car elle indique la facilité avec laquelle la chaleur peut être transférée du fluide au sol. Du point de vue de la conception, il est toujours souhaitable que cette résistance soit aussi faible que possible afin d'obtenir la conception la plus efficace. Pour plus d'informations sur cette résistance, voir cet article.
Cette résistance est une combinaison de plusieurs critères de conception, tels que le coulis, le diamètre du trou de forage et le type d'échangeur de chaleur utilisé, et est illustrée dans le dessin ci-dessous.
Bien que toutes ces résistances jouent un rôle important dans la résistance du trou de forage, il convient de faire une distinction majeure. La résistance du tube et la résistance du coulis sont constantes et déterminées pendant la phase de conception, puisqu'elles sont de nature conductrice. Cela signifie qu'une fois qu'une certaine configuration du tube et une certaine conductivité thermique du coulis ont été sélectionnées, ces résistances sont constantes et ne changeront plus au cours de la période de simulation.
La situation est différente pour la résistance des conduites de fluide. Cette résistance étant convective, elle dépend des propriétés du fluide par l'intermédiaire du nombre de Reynolds.
Nombre de Reynolds
Le nombre de Reynolds, qui est discuté plus en détail dans la section cet article est un nombre non dimensionnel qui fournit des informations sur le régime d'écoulement du fluide, qu'il soit laminaire, turbulent ou qu'il se situe dans la zone de transition. Ce nombre est illustré ci-dessous.
Selon le régime d'écoulement, la résistance convective et donc la résistance thermique effective du trou de forage seront différentes. Lorsque l'écoulement est laminaire, le transfert de chaleur est moins bon, bien que la chute de pression soit plus faible, alors qu'en cas d'écoulement turbulent, le transfert de chaleur est bien meilleur.
Le nombre de Reynolds est défini comme suit : $$Re=\frac{\rho D \dot{V}}{\mu}$$ où :
- $\rho$ est la densité du fluide [kg/m³]
- $D$ est le diamètre du tube [m]
- $\dot{V}$ est la vitesse du fluide à l'intérieur de la conduite [m/s]
- $\mu$ la viscosité dynamique du fluide [pa s]
Outre le diamètre du tube, tous les paramètres de l'équation ci-dessus varient au cours de la période de simulation, ce qui entraîne une modification du nombre de Reynolds, du transfert de chaleur par convection et, en fin de compte, de la résistance thermique effective du trou de forage. Cependant, historiquement, ce nombre de Reynolds et les résistances correspondantes étaient supposés constants.
Cela est probablement dû au fait que les champs de forage géothermiques ont été dimensionnés à l'origine pour être utilisés avec des pompes à chaleur géothermiques pour le chauffage des bâtiments, ce qui signifie que seule la résistance du trou de forage et le nombre de Reynolds correspondant à la fin de la simulation ont été considérés comme pertinents.
Avec GHEtool, nous visons à accroître la précision de la conception des champs de forage, c'est pourquoi nous avons décidé, peu avant l'été 2025, de supprimer cette hypothèse en deux étapes :
- Mise en place de propriétés variables des fluides, mise en place le 27/05/2025
- Mise en œuvre de débits variables, publiée aujourd'hui
Propriétés variables des fluides
La première étape vers une conception plus précise a consisté à faire varier les propriétés du fluide, à savoir la densité et la viscosité dynamique, en fonction de la température du fluide. Le graphique ci-dessous montre la dépendance du nombre de Reynolds pour deux mélanges de monopropylène glycol à différentes températures.
Lorsque vous extrayez de la chaleur, les températures sont généralement comprises entre 0 et 5°C, alors qu'en moyenne saison ou pendant l'injection de chaleur, elles peuvent être de 10 à 20°C plus élevées. Cette différence de température a un effet significatif sur le nombre de Reynolds dans la simulation, le transfert de chaleur par convection, la résistance du trou de forage et, en fin de compte, la conception.
Dans notre exemple précédent, nous avons montré que cette seule amélioration peut avoir un impact significatif sur la conception des champs de forage avec une forte demande de refroidissement et d'injection de chaleur. Étant donné que le nombre de Reynolds est désormais calculé avec plus de précision pour l'injection de chaleur, les températures maximales du fluide sont généralement plus basses, ce qui permet de concevoir des champs de forage géothermiques plus réalisables. L'exemple complet est disponible à l'adresse suivante notre article sur ce sujet.
Débits variables
Outre les propriétés du fluide qui dépendent de la température, un autre paramètre du nombre de Reynolds varie dans le temps, à savoir la vitesse du fluide.
Historiquement, on a supposé qu'un débit constant était utilisé dans le champ de forage, égal pour tous les mois et pour le chauffage comme pour le refroidissement. Mais cette hypothèse est-elle exacte ? Prenons, par exemple, le profil de la demande horaire d'un immeuble de bureaux.
Dans ce profil, vous pouvez clairement voir que le pic de puissance de refroidissement est presque deux fois plus élevé que le pic de puissance de chauffage. Le débit est-il vraiment le même dans les deux cas ? Imaginons que l'on chauffe ce bâtiment avec une pompe à chaleur modulante, comme nous l'avons vu dans la section cet article). Ces pompes à chaleur sont généralement dotées d'un débit modulable, ce qui signifie que le débit ne sera probablement pas le même pour le chauffage et le refroidissement.
Si nous voulons améliorer la précision de nos simulations, il est important de supprimer l'hypothèse d'un débit constant, tout en veillant à ce que la simulation reste aussi rapide et facile à utiliser qu'auparavant. Pour ce faire, il suffit d'examiner l'une des équations centrales du transfert de chaleur.
Une équation importante
L'une des formules clés du transfert de chaleur est la suivante : $$\dot{Q}=\dot{m}\cdot C_p \cdot \Delta T$$ où :
- $\dot{Q}$ est la puissance injectée ou extraite du champ de forage [kW]
- $\dot{m}$ est le débit massique dans l'ensemble du champ de forage [kg/s].
- $C_p$ est la capacité thermique spécifique du fluide [kJ/(kgK)].
- $\Delta T$ est la différence de température entre l'entrée et la sortie du champ de forage [°C].
Dans cette équation, $\dot{Q}$ est connue, puisque la demande de chauffage et de refroidissement ou d'extraction et d'injection est une donnée d'entrée du logiciel. En outre, avec la mise en œuvre des propriétés des fluides en fonction de la température, $C_pest également connue. Il ne reste plus que le débit massique et la différence de température entre l'entrée et la sortie.
Si l'on examine la formule ci-dessus, les deux sont interchangeables. Soit vous fixez un débit constant et la différence de température augmentera ou diminuera en fonction de la charge, soit vous fixez la différence de température comme constante, ce qui, en pratique, se traduit par un débit variable.
Il est clair que la première approche a toujours été utilisée, mais en réalité, la seconde est généralement plus précise, car dans la plupart des cas, il existe une stratégie de contrôle qui module le débit afin d'atteindre un certain $\NDelta T$.
Travailler avec une constante $\Delta T$
Si nous voulons travailler avec un débit variable en utilisant l'approche constante $\Delta T$, nous avons besoin de quelques informations :
- $\Delta T$ pendant l'injection [°C]
- $\Delta T$ pendant l'extraction [°C]
- Pourcentage de débit minimum [%]
Comme il peut arriver que la différence de température requise à travers le champ de forage soit différente pendant l'extraction et l'injection, nous avons décidé de vous donner la possibilité de les définir séparément. En outre, un pourcentage de débit minimum est requis, généralement entre 10 et 30%. Ce point est important, car la pompe de circulation ne fonctionnera généralement pas entre 1 et 2% de son débit maximal.
!Note
Lorsque le débit minimum n'est pas spécifié, des pics inattendus peuvent se produire dans la simulation lorsque l'on travaille avec un profil de charge horaire. Typiquement, en raison de la manière dont ces profils sont construits, il y a quelques heures avec une demande de chauffage ou de refroidissement extrêmement faible. Dans l'exemple du bureau ci-dessus, la puissance de pointe est de 350 kW, mais il y a aussi des valeurs de 1 kW dans la simulation. Il en résulterait un débit extrêmement faible avec une résistance de forage exagérément élevée. La définition d'un pourcentage de débit minimum permet d'éviter ce problème. Nous y reviendrons plus loin dans l'article.
Exemple de travail avec des débits variables
Pour illustrer l'importance des débits variables, revenons à l'immeuble de bureaux dont il a été question plus haut. Nous dimensionnons le champ de forage et calculons ensuite la résistance du trou de forage et les températures du fluide en utilisant à la fois un débit constant et un débit variable, tout en veillant à ce que les débits de pointe soient les mêmes dans les deux cas. La résistance thermique du trou de forage pour la première année est indiquée dans le graphique ci-dessous.
Il est clair que les résistances de forage obtenues en utilisant un débit variable et un débit constant sont complètement différentes, bien qu'elles soient identiques à certains moments de l'été. Ceci est dû au fait que le débit constant a été explicitement réglé pour correspondre au débit maximum utilisé dans le cas du débit variable. La deuxième observation est que la variation de la résistance du trou de forage pour le débit constant, qui n'est causée que par la variation des propriétés du fluide, est plus faible que pour un débit variable avec une différence de température constante.
Le champ de forage ci-dessus a été conçu avec une seule sonde U qui, au débit maximal, est restée dans le régime turbulent pendant toute la durée de la simulation. Cela explique pourquoi la variation de la résistance du trou de forage pour un débit constant est minime. En revanche, lors de l'utilisation d'un débit variable, la puissance maximale pendant le chauffage et donc l'extraction est presque deux fois plus faible que la puissance pendant le refroidissement ou l'injection. Par conséquent, le débit est également beaucoup plus faible, ce qui conduit à un écoulement laminaire et à une résistance de trou de forage plus élevée, comme cela a également été discuté dans le document cet article.
Le graphique ci-dessous illustre les conséquences de ce comportement sur les températures des fluides dans le trou de forage.
Tout comme pour la résistance du trou de forage, il est clair que les températures des fluides s'alignent pendant les pics de refroidissement en été. Cependant, lorsque nous examinons les saisons intermédiaires ou les périodes de chauffage, nous constatons que le débit constant conduit à une surestimation des températures du fluide. En réalité, la résistance du trou de forage sera plus élevée en raison d'un débit plus faible, et les températures du fluide seront donc plus basses.
Avantages
Quels sont les avantages de travailler avec une hypothèse de différence de température constante au lieu d'un débit constant ?
- Elle est plus précise. Comme le montre l'exemple ci-dessus, l'hypothèse d'un débit constant surestime le débit pendant les périodes où la demande de pointe est plus faible et est donc moins représentative de la réalité.
- C'est plus facile. Auparavant, vous deviez calculer le débit vous-même, en utilisant des règles empiriques ou l'équation mentionnée plus haut. Désormais, GHEtool le calcule pour vous, supprimant ainsi une étape supplémentaire.
- Il permet d'en savoir plus. Grâce à la possibilité de travailler avec des différences de température, vous pouvez effectuer des analyses de sensibilité en modifiant le $\Delta T$ pendant l'extraction et l'injection et évaluer comment cela affecte la conception d'un point de vue thermique et hydraulique.
Mise en œuvre dans GHEtool
Cette approche de la différence de température constante est mise en œuvre dans l'onglet ‘Résistance du trou de forage’ dans GHEtool. Ici, une section supplémentaire pour le débit est disponible, où vous pouvez simplement sélectionner l'approche de la différence de température constante au lieu de l'option traditionnelle de débit constant. C'est aussi simple que cela.
!Note
Dans les exemples ci-dessus, des profils de charge horaires ont été utilisés, mais un débit variable peut également être appliqué dans les simulations mensuelles. C'est pourquoi, il est accessible à tous les utilisateurs de GHEtool Cloud!
Dans l'onglet des résultats, nous avons également mis à jour la section sur la conception hydraulique (en savoir plus). ici), comme on peut le voir ci-dessous.
Comme les débits peuvent maintenant varier de manière significative, les résultats ont été dupliqués de manière à ce que vous puissiez clairement différencier la plage d'extraction et la plage d'injection, qui ont des débits différents, des pertes de charge différentes et des puissances de pompe requises différentes. En ajustant la différence de température dans l'extraction et l'injection, ces deux situations changeront, ce qui vous permettra d'identifier les conditions optimales pour votre champ de forage.
Autres étapes
Avec la mise en œuvre actuelle des débits variables, la résistance thermique effective du trou de forage est maintenant complètement variable dans le temps, ce qui fournit les résultats les plus précis dans ce cadre. Cependant, le modèle de résistance du trou de forage lui-même contient encore un certain nombre d'hypothèses, puisqu'il est basé sur des conditions d'état stable. Cela signifie que l'inertie thermique du fluide et du coulis n'est pas prise en compte.
Par exemple, lorsqu'un certain pic de puissance se produit, l'effet est immédiatement visible à la fois dans la température du fluide et dans celle du sol. En réalité, le fluide est d'abord chauffé, ce qui peut prendre un certain temps en fonction du volume total. Ensuite, le coulis réagit et ce n'est qu'après plusieurs heures que le sol subit cet impact. Par conséquent, les températures maximales dans la réalité sont généralement inférieures à celles prévues par l'hypothèse d'un état stable.
!Note
C'est également la raison pour laquelle les essais de réponse thermique sont si longs. Ils doivent aller au-delà de ce comportement transitoire, comme l'expliquent les auteurs de l'étude. ici.
La prochaine étape pour améliorer la précision de GHEtool Cloud n'est donc pas d'affiner l'approche de la résistance des trous de forage, mais de la supprimer complètement. À suivre.
Conclusion
Dans ce premier article de 2026, nous nous sommes concentrés sur les débits variables. Il a été démontré que l'hypothèse d'un débit constant n'est pas seulement inexacte, mais qu'elle peut également donner une vision trop optimiste pendant les périodes où le débit diffère considérablement du débit de pointe prévu.
Travailler avec une différence de température constante entre l'entrée et la sortie du trou de forage est une façon plus précise de simuler les températures des fluides sans augmenter la complexité de la simulation. En fait, comme il n'est plus nécessaire de calculer manuellement le débit, l'approche est plus rapide.
Ceci marque l'achèvement de notre processus en deux étapes visant à rendre le calcul de la résistance du trou de forage variable dans le temps et plus précis. Cependant, ce n'est pas la fin de l'histoire, ce n'est que la fin du commencement. Dans quelques mois, nous présenterons un nouveau plan décrivant comment la précision de GHEtool peut être portée à un niveau supérieur. Restez à l'écoute.
Références
- Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.