Exercice sur le travail avec des configurations de champs de forage irrégulières

Les bâtiments devenant de plus en plus complexes et polyvalents, nos conceptions de champs de forage s'éloignent également de la configuration rectangulaire traditionnelle. Dans cet article, nous examinons l'importance de l'utilisation des coordonnées réelles des trous de forage lorsqu'il s'agit de configurations irrégulières, ainsi que l'importance de la profondeur d'enfouissement.

L'exercice

De plus en plus, les configurations des champs de forage sont irrégulières, certains trous de forage étant placés sur d'autres côtés du projet ou même sous le bâtiment. Cependant, la plupart des concepteurs utilisent encore la disposition rectangulaire traditionnelle pour déterminer le nombre total de trous de forage, ce qui se traduit souvent par des systèmes surdimensionnés.

Dans cet exercice, nous étudions la différence de température entre une configuration rectangulaire avec 90 trous de forage et la configuration irrégulière réelle avec le même nombre de trous de forage. En outre, nous discutons de l'importance de la profondeur d'enfouissement et nous revenons sur la distinction entre la longueur et la profondeur des trous de forage.

Le cas utilisé pour illustrer ces aspects est celui d'un bâtiment multi-utilitaire comprenant des magasins, des unités résidentielles et des bureaux.

!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 : -2°C
• Seuil de température moyenne maximale du fluide : 17°C (refroidissement actif)
• Période de simulation : 50 ans
• Premier mois de la simulation : Janvier

Paramètres d'entrée au sol

• Conductivité thermique du sol : 1,6 W/(mK)
• Capacité thermique volumétrique : 2,4 MJ/(m³K)
• Température de surface : 10°C
• Flux de chaleur géothermique : 0,8 W/m².

Paramètres d'entrée de la résistance du trou de forage

Les paramètres du tuyau sont les suivants

• Tuyau simple 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 de forage : 39 mm
• Coulis : 1,8 W/(mK)

Le fluide est 25 v/v% MPG avec un débit de 40 l/s pour l'ensemble du champ de forage.

Paramètres d'entrée de la charge thermique

Comme il s'agit d'un bâtiment multi-utilitaire avec différents utilisateurs et profils de charge, un prétraitement des données a été effectué. Par conséquent, au lieu de travailler avec la charge du bâtiment, nous travaillons maintenant directement avec la charge du sol (c'est-à-dire l'injection et l'extraction de chaleur), et les valeurs SEER et SCOP ne sont plus nécessaires.

• Demande d'extraction de pointe : 475 kW
• Demande d'injection de pointe : 400 kW
• Demande d'extraction annuelle : 477 MWh
• Demande annuelle d'injection : 380 MWh
• Durée maximale d'extraction : 20 heures
• Durée maximale de l'injection : 8 heures

Configuration de Borefield

Le projet dont il est question ici comporte 90 trous de forage disposés selon une grille irrégulière, comme le montre la figure ci-dessous. Ces coordonnées ont été mesurées lors de la construction du projet, mais elles peuvent aussi, par exemple, être exportées à partir d'un fichier AutoCAD (comme nous l'avons vu dans la section cet article).

!Note
Si vous voulez suivre et faire l'exercice vous-même, vous pouvez télécharger les coordonnées. ici.

La configuration présentée ci-dessus ne peut évidemment pas être utilisée pour la conception lors d'une première phase de faisabilité. Par conséquent, nous partons de l'hypothèse d'une configuration rectangulaire de 5 x 18 trous de forage, avec un espacement de 5,5 m entre les trous.

La structure verticale du trou de forage est illustrée dans la figure ci-dessous. Comme indiqué, les forages sont installés sous le bâtiment, où le rez-de-chaussée est situé à 5 m au-dessus du niveau de la mer (a.s.l.). Pendant la construction, une première excavation est réalisée à 0 m au-dessus du niveau de la mer, où le forage a lieu. Les trous sont forés jusqu'à une profondeur de 140 m et des sondes avec un contrepoids de 1,5 m de long sont installées.

Après le forage et l'installation des tuyaux, la fosse d'excavation est encore approfondie jusqu'à -3 m au-dessus du niveau de la mer, où le sol de la cave sera construit. Un demi-mètre plus bas, les connexions horizontales des trous de forage seront installées.

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.

1. Calculer le profil de température à l'aide de la grille rectangulaire (où vous entrez le champ de forage par rapport à la surface du sol ou à la profondeur enfouie).
2. Calculez le profil de température pour une profondeur d'enfouissement de 0,7 m.
3. Calculer le profil de température en utilisant les coordonnées réelles du champ de forage.

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

Le premier défi consiste à déterminer la longueur et la profondeur du forage, ainsi que la profondeur d'enfouissement dans notre projet spécifique. La profondeur d'enfouissement est définie comme le niveau des connexions horizontales des tuyaux par rapport à la surface du sol. La longueur active du forage est la différence entre le point le plus bas du forage et la profondeur d'enfouissement. La profondeur du forage, quant à elle, est la différence entre le point le plus bas du forage et la surface du sol.

!Note
Si vous n'avez pas lu notre article sur ce sujet, vous pouvez le trouver ici.

Dans notre cas, les trous de forage sont construits à un niveau de 0 m au-dessus du niveau de la mer. Après le forage, les tuyaux sont raccordés 3,5 m plus bas, car la fosse est creusée de 3 m et les tuyaux sont installés 0,5 m plus bas. Bien que l'on puisse être tenté de supposer que la profondeur d'enfouissement est donc de 3,5 m, il est important de se rappeler que cette valeur doit être définie par rapport à la surface du sol, qui se trouve à 5 m au-dessus du niveau de la mer.

Ensuite, si nous voulons définir le trou de forage par rapport à la surface du sol, nous avons besoin de la profondeur du trou. Bien que la profondeur du forage soit de 140 m, il ne s'agit pas de la profondeur réelle du forage, car elle doit être mesurée par rapport à la surface du sol, qui se trouve 5 m plus haut. La profondeur réelle du forage est donc de 145 m.

!Note
Pour être complet, le champ de forage peut également être défini par rapport à la profondeur d'enfouissement. Dans ce cas, la longueur du trou de forage est requise. Ce paramètre n'est pas égal à 140 m, puisque 3,5 m du trou de forage seront excavés. La longueur réelle du forage est donc de 136,5 m, ce qui correspond exactement à la profondeur du forage moins la profondeur de l'enfouissement.

Le profil de température pour cette conception initiale est illustré ci-dessus. Après 50 ans, la température tombe à -2,7°C, ce qui est inférieur au seuil minimum autorisé de -2°C pour ce projet.

Question 2

On peut se demander quel est l'effet de la profondeur d'enfouissement sur ce résultat, puisque d'autres logiciels, tels que Earth Energy Designer (EED), ne requièrent pas ce paramètre (comme nous l'avons vu plus haut dans la section cet article). Par conséquent, dans cette variante de conception, nous avons fixé la profondeur d'enfouissement à 0,7 m, ce qui pourrait, par exemple, représenter une situation où le champ de forage est installé directement sous la surface du sol plutôt que sous un bâtiment. Le profil de température obtenu est illustré ci-dessous.

Bien que cela soit à peine visible sur le graphique de température ci-dessus, la température moyenne minimale du fluide est maintenant légèrement plus élevée (-2,35°C au lieu de -2,7°C). Cela s'explique par le fait que, étant plus proche de la surface du sol, la régénération de la température de l'air ambiant vers le sol est plus importante, ce qui entraîne une plus faible dérive de la température.

D'autre part, le point le plus profond du champ de forage (c'est-à-dire la profondeur du trou de forage) est maintenant également plus proche de la surface, de sorte que la température moyenne du sol est de 13,45°C dans ce cas, contre 13,84°C auparavant. Le fait que la température du sol soit plus basse alors que la température du fluide est plus élevée (ce qui peut sembler inattendu) souligne l'importance de prendre en compte la profondeur d'enfouissement dans les conceptions actuelles.

Question 3

Comme dernière variante de conception, nous simulerons la configuration réelle du champ de forage irrégulier. Vous pouvez facilement le faire en important les coordonnées comme nous l'avons montré dans la section ce tutoriel. On obtient ainsi le profil de température ci-dessous.

!Note
Lorsque vous travaillez avec des configurations personnalisées ou irrégulières dans GHEtool, vos données exactes sont utilisées pour la conception. Contrairement à d'autres outils de conception, GHEtool ne convertit pas la configuration irrégulière en une conception rectangulaire traditionnelle qui ne fait que ressembler à votre disposition, mais conçoit directement avec la configuration réelle de votre projet.

On constate alors que la température moyenne minimale du fluide est de -1,69°C, ce qui est supérieur au seuil de température de -2°C et nettement plus élevé que les -2,7°C obtenus avec la configuration rectangulaire traditionnelle. En utilisant la configuration réelle des forages, le champ de forage est correctement dimensionné (et peut-être même légèrement surdimensionné), alors que la conception initiale aurait été sous-dimensionnée.

Conclusion

Dans cet exercice, un champ de forage présentant une configuration irrégulière a été examiné. Il a été constaté que, par rapport à un champ rectangulaire traditionnel, la configuration irrégulière réelle se traduisait par une température moyenne du fluide supérieure de 1°C, ce qui pourrait entraîner des économies significatives en termes de coûts d'investissement. En outre, l'influence de la profondeur d'enfouissement a été démontrée.

Références

• Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.