L'un des principaux paramètres d'entrée de toute simulation géothermique est la demande de chauffage et de refroidissement du bâtiment. Parfois, ces valeurs sont connues grâce à des simulations ou des mesures détaillées, mais le plus souvent - en particulier dans les premières étapes - elles doivent être estimées. Cet article apporte un éclairage sur le sujet et explore plusieurs approches pour relever ce défi.
Demande thermique des bâtiments en GHEtool
Dans GHEtool, il est possible d'introduire différents types de profils de charge. Tout d'abord, une distinction est faite entre les résolutions horaires et mensuelles, avec respectivement 8 760 et 12 pas de temps. Généralement, l'échelle de temps des données couvre une seule année, ce qui signifie que l'on suppose que la demande du bâtiment reste la même chaque année pendant toute la période de simulation. Pour les projets en plusieurs phases, où la demande en bâtiments évolue au fil du temps, vous pouvez également utiliser des données avec une échelle de temps pluriannuelle. Cet article se concentre sur le premier cas, tandis qu'un autre article explorera plus en détail les données pluriannuelles.
Résolution horaire
1TP5L'analyse d'un champ de forage à l'aide d'une résolution horaire fournira les résultats les plus précis, étant donné que les puissances de pointe (et leurs durées, comme indiqué dans le paragraphe 1.1.1.1.1.1) ne sont pas prises en compte. cet article) ne doivent plus être estimées. Les données horaires sont généralement générées à partir de simulations dynamiques de bâtiments (à l'aide de logiciels tels que IESVE, DesignBuilder, IDA ICE, etc.) ou, dans le cas d'une rénovation, peuvent être basées sur des données de mesure.
!Note
Il est important de noter qu'une résolution plus élevée ne garantit pas automatiquement des résultats plus précis. Si le profil horaire n'est pas représentatif de la demande réelle du bâtiment, le résultat peut être trompeur. Dans ce cas, un profil mensuel bien estimé peut donner de meilleurs résultats. Cependant, lorsque des données horaires fiables sont disponibles, cette approche reste la plus précise.!Attention
Les profils de demande horaire sont parfois extrapolés à partir d'autres projets. Cela peut conduire à des conceptions inexactes, car les puissances de pointe et les durées sont très sensibles aux caractéristiques du bâtiment. Assurez-vous que le profil de demande à partir duquel vous extrapolez est vraiment représentatif du bâtiment conçu (par exemple, extrapoler à partir d'un appartement au sein d'un même immeuble).
Résolution mensuelle
Si aucune donnée horaire n'est disponible, une simulation mensuelle peut être réalisée. Pour ce faire, quatre données clés sont nécessaires - cinq si la demande d'eau chaude sanitaire (ECS) est incluse : la puissance de pointe pour le chauffage et le refroidissement, ainsi que la demande annuelle d'énergie pour le chauffage et le refroidissement. Chacune de ces données est examinée plus en détail ci-dessous.
!Note
Bien que nous fassions référence à une résolution mensuelle, vous pouvez simplement saisir les valeurs annuelles dans GHEtool Cloud, qui les répartira automatiquement entre les mois, ce qui vous fera gagner un temps considérable.
Puissance de pointe pour le chauffage
La puissance de pointe pour le chauffage correspond à la puissance de pointe de la pompe à chaleur du bâtiment. Si la pompe à chaleur a une capacité de 10 kW, le bâtiment ne peut pas consommer plus de 10 kW, et cette valeur doit donc être définie comme la pointe de chauffage. En fonction des normes de construction régionales, cette capacité de la pompe à chaleur est généralement basée sur un calcul de perte de chaleur statique par rapport à une température extérieure de référence (par exemple, -8 °C en Belgique).
Pompes à chaleur modulantes
Supposons que la perte de chaleur statique calculée d'un bâtiment soit de 7 kW. L'installateur peut choisir d'installer une pompe à chaleur de 8 kW pour tenir compte d'un certain surdimensionnement. Cependant, cela conduirait à un champ de forage surdimensionné, puisque le champ de forage doit être en mesure de faire face à la demande de pointe. Si le système utilise une pompe à chaleur modulante, il est souvent possible de régler une puissance de crête inférieure dans le contrôleur de la pompe à chaleur - par exemple, en limitant la pompe à chaleur de 8 kW à un maximum de 7 kW - ce qui évite de surdimensionner inutilement le champ de forage. Le même raisonnement s'applique si le système d'émission (par exemple les radiateurs ou le chauffage par le sol) ne peut pas utiliser toute la capacité de la pompe à chaleur.
!Attention
Même si la perte de chaleur statique du bâtiment est inférieure à la capacité nominale de la pompe à chaleur, une pompe à chaleur modulante peut toujours fonctionner à pleine puissance, en fonction de la logique de contrôle interne. Par conséquent, si votre champ de forage est dimensionné pour une puissance inférieure à la puissance maximale de la pompe à chaleur, il est essentiel de s'assurer que les paramètres de contrôle de la pompe à chaleur respectent cette limite de puissance.
Stade précoce
Si les spécifications de la pompe à chaleur ne sont pas encore connues, la demande de chauffage de pointe peut être estimée à l'aide de règles empiriques établies. Celles-ci sont basées sur la capacité du système d'émission ou sur des indications générales relatives au type et à l'âge du bâtiment. Un exemple de tableau avec des valeurs typiques est fourni ci-dessous, bien que ces chiffres soient spécifiques à une région et doivent être adaptés à votre contexte local.
| Type | Puissance d'émission du chauffage | Puissance d'émission en refroidissement |
|---|---|---|
| Chauffage par le sol | 40-80 W/m² | 15-25 W/m² |
| Plafond climatique | 30-55 W/m² | 25-50 W/m² |
| Chauffage mural | 30-70 W/m² | 25-60 W/m² |
| Ventilo-convecteur (sans condensation) | 200-2000 W | 250-500 W |
| Ventilo-convecteur (condensation) | 200-2000 W | 1000-2000 W |
(Données obtenues dans le cadre du projet Cooling 2.0)
| Type | Demande de chaleur |
|---|---|
| Bâtiment résidentiel (après 2002) | 45 W/m² |
| Immeuble de bureaux (ancien) | 89 W/m² |
| Immeuble de bureaux (nouveau) | 59 W/m² |
| École (ancienne) | 109 W/m² |
| École (nouveau) | 60 W/m² |
| Commerce de détail (ancien) | 56 W/m² |
| Commerce de détail (nouveau) | 54 W/m² |
(Données obtenues à partir de nPro, valeurs pour le climat de Berlin)
Simultanéité
Lorsque plusieurs pompes à chaleur sont connectées à un champ de forage central et partagé, la puissance de crête résultante n'est pas simplement la somme des unités individuelles. Un facteur de simultanéité doit être appliqué. Ce sujet a été abordé dans l'un de nos articles précédents, que vous pouvez trouver à l'adresse suivante ici.
Puissance de pointe pour le refroidissement
L'approche de la définition de la puissance de refroidissement maximale dépend de la question de savoir si le champ de forage est activement conçu pour le refroidissement ou si le refroidissement est considéré comme un avantage secondaire, une ‘bonne chose à avoir’.
Design pour le refroidissement
Dans les climats plus chauds, où le refroidissement joue un rôle plus important que le chauffage, le champ de forage est généralement limité par la température maximale d'injection (voir notre article sur les quadrants du champ de forage pour plus de détails). Dans ce cas, la demande de refroidissement est généralement déterminée conformément aux réglementations locales en matière de construction, en tenant compte de facteurs tels que la surface vitrée, la valeur g et la valeur U. Sur la base de ces calculs, la demande de refroidissement du bâtiment est calculée de la même manière que la demande de chauffage.
Bienvenu
Dans les régions où le refroidissement n'est pas une préoccupation majeure, le système d'émission n'est généralement pas dimensionné pour garantir le confort thermique en été. Dans ce cas, le refroidissement est souvent considéré comme une caractéristique “intéressante” - un avantage supplémentaire de l'installation d'un champ de forage géothermique. Dans ce cas, la puissance de refroidissement maximale est généralement basée sur la capacité du système d'émission (conçu à l'origine pour le chauffage). Se référer au tableau des capacités typiques des systèmes d'émission fourni plus haut.
Stade précoce
Dans les premières phases d'un projet, la demande de refroidissement de pointe, comme la demande de chauffage, peut être estimée à l'aide de règles empiriques de base, en se basant sur la capacité du système d'émission ou sur des valeurs provenant de bâtiments de référence similaires.
Demande d'énergie pour le chauffage
Si la puissance de pointe est un aspect important du profil énergétique d'un bâtiment, l'autre paramètre clé pour la conception du champ de sondes est la demande annuelle d'énergie pour le chauffage. Celle-ci peut être estimée de plusieurs manières : en utilisant les heures de pleine charge, des règles empiriques ou les degrés-jours de chauffage.
Heures de pleine charge
L'utilisation des heures de pleine charge est une méthode simple pour estimer la demande annuelle d'énergie sur la base de la puissance de pointe connue (ou estimée). Si un système fonctionne à la charge de pointe pendant x heures par an, la demande totale d'énergie est donnée par la formule suivante : $$energy = peak \cdot FLH$$. Le tableau ci-dessous présente des valeurs indicatives pour les heures de pleine charge pour différents types de bâtiments.
!Attention
Comme nous l'avons vu précédemment, la pompe à chaleur installée peut être surdimensionnée par rapport à la demande de pointe réelle du bâtiment. Pour éviter toute surestimation, il est conseillé d'appliquer le FLH à la perte de chaleur statique du bâtiment plutôt qu'à la capacité de la pompe à chaleur installée.
| Type | Heures de pleine charge |
|---|---|
| Maison de retraite | 1300-1900 |
| Hôpitaux | 1500-2000 |
| Bureaux | 900-1600 |
| Les écoles | 800-1300 |
| Résidentiel | 1200-1500 |
| Autres | 1000-2000 |
(Données obtenues auprès de SenterNovem, Cijfers en Tabellen 2007)
Règle empirique
Tout comme pour la puissance de pointe, la demande annuelle de chauffage peut également être estimée à l'aide de valeurs empiriques basées sur la surface au sol. Le tableau ci-dessous donne des valeurs typiques de demande de chaleur pour les bâtiments dans la région climatique de Berlin.
| Type | Demande de chaleur |
|---|---|
| Bâtiment résidentiel (après 2002) | 72 kWh/m² |
| Immeuble de bureaux (ancien) | 125 kWh/m² |
| Immeuble de bureaux (nouveau) | 65 kWh/m² |
| École (ancienne) | 120 kWh/m² |
| École (nouveau) | 60 kWh/m² |
| Commerce de détail (ancien) | 95 kWh/m² |
| Commerce de détail (nouveau) | 65 kWh/m² |
(Données obtenues à partir de nPro)
Degrés-jours de chauffage
Une autre méthode pour estimer la demande de chauffage consiste à utiliser les degrés-jours de chauffage (DJC). Les DJC quantifient dans quelle mesure (et pendant combien de temps) la température de l'air extérieur est inférieure à une certaine température de base - appelée température d'équilibre - en dessous de laquelle le bâtiment a besoin d'être chauffé. Le nombre total de DJC est la somme des différences de température quotidiennes entre cette température de base et la température extérieure réelle, au cours d'une saison de chauffage.
Les méthodes basées sur les HDD offrent une estimation plus fine que les FLH car elles prennent en compte séparément les caractéristiques du bâtiment (isolation, apports solaires, etc.) et les conditions climatiques.
!Note
Le point d'équilibre n'est pas simplement le point de consigne du thermostat. Dans l'UE, il est généralement fixé à 15,5 °C, en tenant compte des gains internes, de la masse du bâtiment et d'autres facteurs.
Demande d'énergie pour le refroidissement
Les mêmes principes qui s'appliquent au chauffage valent également pour le refroidissement. En l'absence de données horaires détaillées, la demande de refroidissement peut être estimée en utilisant les heures de pleine charge (HPC) ou des règles empiriques.
Heures de pleine charge
Pour le climat belge, les valeurs typiques de FLH en refroidissement se situent entre 500 et 1000 heures. Une fois que la puissance de refroidissement de pointe est connue ou estimée, la demande d'énergie peut être calculée comme suit :
$$énergie = pic \cdot FLH$$
Règle empirique
Vous pouvez également utiliser des valeurs de référence pour la demande annuelle de refroidissement par mètre carré. Le tableau ci-dessous fournit de telles valeurs.
| Type | Secteur des services | Secteur résidentiel | Moyenne |
|---|---|---|---|
| Autriche | 83 kWh/m² | 38 kWh/m² | 49 kWh/m² |
| Belgique | 50 kWh/m² | 23 kWh/m² | 28 kWh/m² |
| Allemagne | 74 kWh/m² | 33 kWh/m² | 46 kWh/m² |
| Les Pays-Bas | 37 kWh/m² | 16 kWh/m² | 22 kWh/m² |
| Espagne | 130 kWh/m² | 59 kWh/m² | 69 kWh/m² |
(Données obtenues auprès de la Feuille de route pour la chaleur en Europe)
Degrés-jours de refroidissement
Tout comme les degrés-jours de chauffage (DJC) peuvent être utilisés pour estimer la demande de chauffage, les degrés-jours de refroidissement (DJR) permettent d'estimer les besoins de refroidissement. Les DJR sont calculés sur la base de la différence entre une température d'équilibre (généralement 18°C) et la température extérieure réelle, chaque fois que cette dernière dépasse le point d'équilibre.
Deux formules empiriques développées par la Commission européenne (ENER/C1/2018-493, doi : 10.2833/158083).
Pour le refroidissement des locaux dans le secteur résidentiel :
$$FLH=96+0.85\cdot CDD$$
Pour le refroidissement des locaux dans le secteur tertiaire :
$$FLH=475+0.49\cdot CDD$$
Demande d'énergie pour l'ECS
Un paramètre de plus en plus important dans la conception des champs de forage est la demande en eau chaude domestique. Dans la plupart des contextes résidentiels, la valeur typique est d'environ 1000 kWh/personne/an. Toutefois, cette valeur peut être nettement plus élevée dans des bâtiments tels que les hôtels et les hôpitaux.
!Note
L'une des difficultés de l'estimation de la demande d'eau chaude sanitaire (ECS) est de savoir s'il faut se baser sur le nombre actuel de résidents ou sur l'occupation maximale potentielle. Imaginons, par exemple, un bâtiment comprenant trois chambres pour deux personnes, actuellement occupées par seulement deux résidents âgés. Faut-il dimensionner le champ de sondes en fonction de deux occupants seulement (soit 2 MWh/an) ou en fonction de la capacité totale de six personnes ?Si l'objectif est que le champ de forage géothermique serve d'actif à long terme, il doit être capable d'accueillir tout le potentiel du bâtiment, et pas seulement son utilisation actuelle. Par conséquent, nous recommandons d'estimer la demande d'ECS sur la base du nombre maximum raisonnable de résidents, plutôt que sur la base de l'occupation actuelle. Cela permet de s'assurer que le système reste à l'épreuve du temps et adapté aux besoins, même si l'occupation change.
Conclusion
Cet article traite de la demande thermique des bâtiments et de la manière dont elle peut être estimée. Une distinction a été faite entre les données sur la demande des bâtiments avec une résolution horaire et une résolution mensuelle - la première offrant les résultats les plus précis, bien qu'elle soit souvent indisponible. Pour la résolution mensuelle, diverses lignes directrices et règles empiriques ont été présentées pour estimer la demande d'énergie du bâtiment pour le chauffage, le refroidissement et l'eau chaude sanitaire.