Cet article présente une avancée dans la précision des simulations géothermiques en permettant aux propriétés des fluides de changer au fil du temps, ce qui conduit à des champs de forage géothermiques plus précis et plus réalisables. Ces modifications sont désormais intégrées par défaut dans GHEtool Cloud et accessibles à tous.
Une longue histoire en bref
Pour comprendre les changements importants qui ont été apportés au logiciel, nous devons résumer une grande partie du contenu des articles précédents. Nous reprenons ci-dessous certaines des idées principales de ces articles afin que vous puissiez suivre l'histoire, mais nous ferons référence aux articles originaux si vous souhaitez obtenir davantage d'informations de fond.
Résistance thermique du trou de forage
La résistance thermique effective du trou de forage (voir l'article ici) décrit la facilité avec laquelle l'énergie peut être transférée du fluide au sol. Nous avons vu précédemment que cette résistance se compose de différentes sous-résistances, chacune représentant une limite que l'énergie doit franchir pour atteindre le sol. Ceci est illustré dans la figure ci-dessous.
Bien que (presque) tous ces paramètres puissent être modifiés par le concepteur, la résistance thermique convective entre le fluide et le tuyau est généralement celle qui retient le plus l'attention, car elle est d'une importance majeure. La facilité avec laquelle le fluide échange de l'énergie avec le tuyau dépend du régime du fluide (laminaire, transitoire ou turbulent), qui est décrit par le nombre de Reynolds.
Nombre de Reynolds
Le nombre de Reynolds est une grandeur sans dimension qui indique le régime d'écoulement du fluide. (Si vous n'avez pas lu notre article sur le sujet, vous pouvez le trouver ici). La figure ci-dessous montre les différents régimes de fluides, allant de l'écoulement laminaire à l'écoulement turbulent.
Lorsque le débit est relativement faible, toutes les particules de fluide se déplacent parallèlement les unes aux autres dans ce que l'on appelle un régime d'écoulement laminaire. Il est alors difficile d'échanger de la chaleur avec le bord du tuyau, car les particules de fluide au centre sont plus ou moins isolées. Lorsque le débit augmente, le fluide passe à un écoulement turbulent, où les particules de fluide sont constamment mélangées. Cela permet un meilleur transfert de chaleur (au prix d'une plus grande consommation d'énergie de la pompe).
La transition entre l'écoulement laminaire et l'écoulement transitoire, et entre l'écoulement transitoire et l'écoulement turbulent, est régie par le nombre de Reynolds, qui dépend non seulement de la vitesse de l'écoulement, mais aussi des propriétés du fluide, telles que la densité et la viscosité dynamique. Ceci nous amène à la dernière étape de l'histoire.
Propriétés des fluides
Tous les fluides ne se comportent pas de la même manière. On peut imaginer qu'il est plus facile de pomper de l'eau dans un système que du miel dans un tuyau. Cela est dû à la viscosité du fluide : plus la viscosité est élevée, plus il est difficile pour le fluide de passer à une phase turbulente. Par conséquent, plus le fluide est visqueux, plus la viscosité dynamique est élevée et plus le nombre de Reynolds est faible.
Le point essentiel est que ces propriétés des fluides ne sont pas constantes - elles dépendent de la température du fluide. C'est ce que montre la figure ci-dessous pour deux mélanges eau-glycol de 20% et 30% MPG.
Plus le fluide est froid, plus il est difficile de l'amener en régime turbulent. La figure ci-dessus montre que lorsque votre mélange eau-glycol (30%) est à environ 0 degré, vous êtes loin du régime turbulent, alors qu'à une température de 15°C, votre nombre de Reynolds est presque doublé, ce qui vous rapproche beaucoup plus du régime d'écoulement transitoire avantageux.
Cette dépendance des propriétés du fluide par rapport à la température et son impact sur le nombre de Reynolds sont essentiels pour comprendre le comportement des systèmes géothermiques et ont été négligés pendant des décennies.
Un peu d'histoire
Historiquement, les champs de forage géothermiques ont été inventés en tant que source stable et à température relativement élevée pour les pompes à chaleur géothermiques. La seule température importante dans ce cas est la température moyenne minimale (à long terme) du fluide. Comme les champs de forage ont toujours été dimensionnés pour faire face à cette température moyenne minimale du fluide, les propriétés du fluide ont simplement été calculées pour cette situation la plus défavorable (ou même plus basse, au point de congélation du mélange eau-antigel).
Ce n'est que récemment que de plus en plus de champs de forage sont également utilisés pour le refroidissement, ce qui augmente la gamme des températures possibles du fluide. Comme le montre le graphique ci-dessus, les propriétés du fluide lors de l'extraction de chaleur du champ de forage (à environ 0°C) sont très différentes de celles lors de l'injection de chaleur dans le sol pendant le refroidissement (environ 15°C). Si la même résistance thermique de forage est utilisée pour le chauffage et le refroidissement, l'échange de chaleur lors du refroidissement est sous-estimé, ce qui conduit parfois à des systèmes surdimensionnés ou apparemment irréalisables.
Un bond en avant dans la précision
Avec GHEtool, à partir d'aujourd'hui, nous avons rompu avec cette hypothèse vieille de plusieurs décennies. Désormais, par défaut, toutes vos simulations géothermiques prendront en compte la dépendance des propriétés des fluides par rapport à la température. Chaque mois, que ce soit en chauffage ou en refroidissement, et même toutes les heures si nécessaire, nous recalculerons la résistance thermique effective du trou de forage pour la température spécifique du moment, afin que vous obteniez les résultats les plus précis possibles. Cela signifie également qu'à partir de maintenant, vous aurez deux nombres de Reynolds (pour l'injection et l'extraction de chaleur) et deux résistances thermiques pour chaque simulation.
Ce changement majeur présente deux avantages pratiques : il réduit le risque de surdimensionnement lorsqu'un champ de forage est conçu principalement pour le refroidissement (c'est-à-dire l'injection de chaleur), et il diminue la probabilité de recevoir une erreur de gradient lors du calcul de la profondeur de forage requise. Ces deux points seront expliqués plus loin.
!Attention
Lorsque vous utilisez cette nouvelle méthode de simulation plus précise, il peut être difficile de comparer vos simulations actuelles avec celles effectuées précédemment (ou avec d'autres logiciels). Si vous souhaitez simuler un scénario à des fins de comparaison, vous pouvez régler l'option ‘Propriétés des fluides en fonction de la température’ sur ‘Non’.
Éviter le surdimensionnement pour le refroidissement
Vous trouverez ci-dessous un projet qui a été simulé avec l'hypothèse traditionnelle d'une résistance thermique effective unique dans le pire des cas. Le nombre de Reynolds était de 2043, ce qui donne une résistance de 0,2265 mK/W (tube en U simple avec 30% MPG). Le profil de température est illustré ci-dessous.
Sur la base de ce résultat, vous auriez par le passé suggéré de réaliser un autre forage afin que la température du fluide reste inférieure à la limite de 17°C. Cependant, avec les différentes propriétés du fluide, nous avons maintenant le profil de température illustré ci-dessous.
Comme notre nombre de Reynolds pendant l'injection est de 4214, ce qui est turbulent, la résistance thermique effective de notre trou de forage est de 0,1305 mK/W pendant le refroidissement. Cela entraîne une baisse de la température maximale du fluide pendant le refroidissement, ce qui conduit à une solution réalisable.
!Note
Bien que ce nouveau modèle soit toujours bénéfique pour votre demande de refroidissement, il ne se traduira pas toujours par une différence aussi importante que celle indiquée ci-dessus. Si votre régime de fluide reste laminaire à la fois pour le chauffage et le refroidissement, par exemple, la différence sera moindre.
Erreur de gradient moins fréquente
Comme indiqué dans un article précédent (que vous pouvez consulter à l'adresse suivante ici), une erreur peut parfois se produire lors du calcul de la profondeur de forage requise. Cette erreur était due au fait que la température du sol augmente avec la profondeur, ce qui pose des problèmes pour le refroidissement passif. Avec cette mise à jour, le transfert de chaleur pendant le refroidissement est désormais calculé de manière beaucoup plus précise, ce qui permet d'abaisser les pics de température des fluides. Cela contrebalance l'effet de l'augmentation de la température du sol, ce qui permet de réduire les erreurs de gradient et d'améliorer la faisabilité de la conception des systèmes.
Conclusion
Cet article présente une avancée majeure dans la précision des simulations géothermiques. En tenant compte de la dépendance à la température des propriétés des fluides au fil du temps, nous pouvons désormais calculer la résistance thermique effective du trou de forage à chaque pas de temps, à la fois pendant l'extraction et l'injection de chaleur. Par conséquent, les simulations sont nettement plus précises, les systèmes ont plus de chances d'être réalisables et l'apparition d'erreurs de gradient est réduite.
Nous espérons que vous adopterez cette innovation et que vous continuerez à concevoir des champs de forage en toute confiance avec GHEtool Cloud.
Références
- Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.