Lors de la conception de champs de captage collectifs pour des immeubles d'habitation, le processus est plus compliqué que la simple multiplication de la conception pour un seul appartement par le nombre d'unités. Dans cet exercice, nous expliquerons comment aborder la conception des champs de captage collectifs et le rôle que joue le facteur de simultanéité.
L'exercice
Dans notre dernier exercice, nous avons vu comment un champ de forage pouvait être conçu pour un seul bâtiment. On pourrait être tenté, lorsqu'il s'agit de systèmes collectifs, de concevoir pour un appartement et de le multiplier par le nombre total d'unités pour obtenir une conception finale. Cette approche pose toutefois quelques problèmes :
- Les différents forages interfèrent les uns avec les autres, ce qui entraîne un comportement différent à long terme (voir notre article sur le problème de l'interférence thermique). ici).
- Pour les systèmes collectifs, la puissance de crête résultante sur le champ de forage n'est pas la même que la somme de toutes les demandes de crête, en raison de ce que l'on appelle la simultanéité (pour en savoir plus, voir ici).
Pour ces raisons, la conception de champs de forage collectifs mérite un exercice à part entière, où nous pouvons nous plonger dans les subtilités du processus.
!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 minimum de la température moyenne du fluide : 0°C
- Seuil de température moyenne maximale du fluide : 17°C (refroidissement passif)
- Période de simulation : 25 ans
- Premier mois de la simulation : Janvier
Paramètres d'entrée au sol
- 2 W/(mK) de 50 à 200 m
- Capacité thermique volumétrique : 2,4 MJ/(m³K)
- Température de surface : 9,6°C
- Flux de chaleur géothermique : 0,07 W/m².
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 : 1,5 W/(mK)
Le fluide est de 25 v/v% MPG avec un débit de 0,21 kg/s pour chaque appartement.
Paramètres d'entrée de la charge thermique (par appartement)
- Demande de chauffage de pointe : 3,4 kW
- Demande de refroidissement de pointe : 2 kW
- Demande annuelle de chauffage : 5,1 MWh
- Demande annuelle de refroidissement : 1,4 MWh
- Demande annuelle d'eau chaude domestique : 1,6 MWh
- SCOP : 5 (chauffage)
- SCOP : 3 (ECS)
- SEER : 20 (refroidissement passif)
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.
- Calculez la profondeur de forage nécessaire pour le cas où il n'y a qu'un seul appartement.
- Calculez le profil de température pour cette profondeur de forage lorsqu'il est placé dans une grille de 20 par 4 (pour obtenir 80 forages au total).
- Corrigez la profondeur de ces 80 trous de forage pour rester dans les limites de température.
- Calculer le profil de température en tenant compte de la simultanéité.
- Calculer le profil de température en tenant compte de la simultanéité et de la variation de la durée du pic.
- Calculer le profil de température à l'aide de la méthode de mise à l'échelle pour les systèmes collectifs.
- Calculez la profondeur finale requise pour 80 trous de forage en utilisant le profil de charge de la question précédente.
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
Lorsque l'on calcule la profondeur requise pour un seul appartement, on obtient une profondeur de forage de 96 mètres. Comme le montre le profil de température ci-dessous, cette profondeur est déterminée par la pointe maximale de refroidissement (2 kW) plutôt que par la charge maximale de chauffage, étant donné que la température moyenne minimale du fluide de 1,45°C est bien supérieure au seuil de 0°C. Le léger déséquilibre d'environ 3,68 MWh dans l'extraction n'est donc pas un facteur de conception déterminant dans ce cas.
Question 2
Pour la conception des 80 appartements, une première estimation consiste à créer une grille de 20 trous de forage par 4, chacun ayant la même profondeur de 96 m que précédemment, puis à simuler le profil de température. Le résultat est illustré dans le graphique ci-dessous, où la demande thermique est simplement considérée comme 80 fois supérieure à celle d'un seul appartement.
Comme vous pouvez le constater, le déséquilibre (maintenant 80 fois plus important) est clairement visible dans ce cas. La raison en est que, avec un champ de forage complet au lieu d'un seul trou de forage, les trous de forage interagissent les uns avec les autres, ce qui entraîne un effet de température à long terme plus prononcé. Il est clair que la profondeur du forage doit être augmentée pour répondre aux exigences.
Question 3
Lorsque la profondeur du forage est portée à 150 m, les températures moyennes des fluides restent dans les limites. Il est également clair que la conception est maintenant déterminée par la demande de chauffage plutôt que par la demande de refroidissement, en raison du rôle plus prononcé du déséquilibre dans la conception.
La conception ci-dessus, qui se traduit par une longueur totale de forage de 11 920 m, est une approche très prudente. Elle suppose que 100 % de la demande de chauffage de pointe (272 kW au total, soit 80 × 3,4 kW) est placée sur le champ de forage, et qu'il en va de même pour le refroidissement. Cette hypothèse est remise en question dans la simulation de suivi.
Question 4
La simultanéité est le concept selon lequel différents utilisateurs connectés au même système collectif ne connaissent pas leur pic de demande au même moment. Pour 80 utilisateurs d'un système collectif, l'interférence totale est d'environ 63 % (d'après les recherches de Winter et al., 2001). Cela signifie que, sur la demande totale de pointe de 272 kW pour le chauffage (et de même pour le refroidissement), seuls 172 kW devraient être la puissance maximale demandée au système géothermique. Pour plus d'informations sur le facteur de simultanéité, voir notre article sur ce sujet.
Si l'on tient compte de la simultanéité, la même conception de champ de forage avec une profondeur de 150 m donne maintenant une température moyenne minimale du fluide de 1,74 °C, comme indiqué ci-dessous. Cela signifie que le champ de forage serait largement surdimensionné, puisque nous sommes autorisés à descendre jusqu'à 0 °C. Toutefois, cette solution est peut-être trop optimiste.
Question 5
En ce qui concerne la simultanéité, ce n'est pas seulement la puissance de crête résultante qui est importante, mais aussi la durée de la crête. Comme nous l'avons vu précédemment, ce deuxième aspect de la simultanéité n'a pas fait l'objet d'études aussi approfondies que la réduction de la puissance de crête collective. Le coût d'une puissance de crête résultante plus faible est une durée de crête plus longue.
Précédemment, nous avons émis l'hypothèse que la durée maximale d'un système collectif est proportionnelle à la racine carrée du nombre d'utilisateurs connectés. Dans notre cas, cela signifie que la durée maximale du système collectif est environ neuf fois plus longue que celle d'un appartement individuel, ce qui donne une durée maximale de 72 heures au lieu de 8. Il en résulte le profil de température illustré ci-dessous.
!Attention
Veuillez noter que cette heuristique n'est pas étayée par la littérature. Il s'agit d'une première estimation basée sur le théorème de la limite centrale en statistique. L'approche de la question suivante offre une manière plus robuste d'aborder la question de la durée du pic.
Dans le profil de température ci-dessus, la température moyenne minimale du fluide est de 1,39 °C, ce qui est déjà inférieur à la simulation précédente mais indique encore un certain surdimensionnement. Cependant, l'utilisation de l'échelle heuristique de la durée du pic est quelque peu arbitraire. C'est pourquoi, dans la prochaine simulation, nous utiliserons la méthode la plus récente de GHEtool pour générer un profil horaire pour les systèmes collectifs.
Question 6
Dans l'une de nos dernières mises à jour, il est devenu possible de générer des profils de charge horaires dans GHEtool Cloud (plus d'informations dans cet article). Les profils horaires présentent l'avantage de ne pas nécessiter la spécification d'une durée de pointe, puisqu'à cette résolution temporelle, la durée de la pointe est implicite dans le profil de charge.
En utilisant cette méthode pour simuler le champ de forage collectif, nous obtenons le profil de température ci-dessous, avec une température moyenne minimale du fluide de 0,82 °C.
La température moyenne minimale du fluide en utilisant cette méthode diffère de celle de la question 6. Ceci peut être expliqué en examinant le profil de charge horaire généré dans GHEtool, illustré ci-dessous.
Comme on peut le voir, la puissance de pointe est limitée à 172 kW (en raison de la simultanéité de 63 %), ce qui se traduit par une durée de pointe plus longue. Le pic de janvier dure presque 10 jours, soit environ 240 heures. C'est beaucoup plus long que les 72 heures supposées précédemment et cela explique pourquoi les températures des fluides sont plus basses avec cette approche qu'avec l'échelle heuristique de la durée de la pointe.
!Note
Il est difficile de déterminer quel résultat ou quelle méthodologie est le plus précis, mais la création d'un profil de charge horaire pour les systèmes collectifs offre un flux de travail clair et fournit des informations sur le profil de charge attendu qui ne peuvent pas être obtenues en travaillant avec des charges mensuelles et une mise à l'échelle heuristique de certains paramètres. C'est pourquoi nous recommandons l'utilisation de cette méthodologie pour les systèmes collectifs.
Question 7
En guise d'exercice final, la profondeur de forage requise est à nouveau calculée, cette fois en utilisant le profil de charge horaire de l'exercice précédent. Le résultat montre que la profondeur requise est légèrement inférieure à 140 m, ce qui permet d'économiser environ 800 m de longueur totale de forage par rapport à l'approche conservatrice de la question 3.
Conclusion
Dans cet exercice, nous avons étudié la conception d'un champ de forage pour un immeuble d'habitation de 80 logements. Nous avons appris que la conception de systèmes collectifs basée uniquement sur la conception d'une seule unité conduit à une sous-estimation significative de la longueur de forage nécessaire. D'autre part, l'hypothèse d'une charge de pointe égale à la somme de toutes les demandes conduit à une surestimation.
En appliquant le concept de simultanéité et en utilisant la nouvelle méthode pour générer des profils de charge horaires dans GHEtool Cloud, vous pouvez concevoir des champs de forage collectifs plus précis, plus rentables et plus fiables en toute confiance.
Références
- Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.