Systèmes hybrides (partie 4) - optimiser l'équilibre

1TP5La conception de systèmes hybrides n'est pas triviale, car il faut trouver le bon équilibre entre la puissance géothermique installée, le déséquilibre du système et la performance globale. Dans GHEtool, deux méthodes d'optimisation étaient déjà disponibles pour concevoir de tels systèmes : l'optimisation de la puissance et l'optimisation de l'énergie. Aujourd'hui, nous introduisons une troisième option pour vous aider à concevoir des systèmes hybrides encore plus performants !

!Note
Cet article s'appuie sur les concepts présentés précédemment dans cette série. Si vous n'êtes pas familiarisé avec les systèmes hybrides, nous vous invitons à lire les articles suivants cet article d'abord.

Contexte

Dans notre premier article sur les systèmes hybrides, nous avons introduit le concept de potentiel géothermique. (Si vous n'avez pas lu cet article, vous pouvez le trouver à l'adresse suivante ici.)

Nous avons identifié trois types principaux de champs de forage géothermiques :

• Champs de forages avec un potentiel de production d'énergie
• Des gisements d'énergie potentiels
• Champs de forages sans potentiel géothermique

Chacun de ces systèmes hybrides a ses propres avantages et inconvénients. On a considéré qu'un champ de forage ne présentant plus aucun potentiel de production d'électricité était optimisé pour la production d'électricité. Il en résulte un système hybride optimal en termes de coût d'investissement, car il n'y a pas de surdimensionnement de la puissance installée. L'inconvénient est que tout le potentiel d'énergie géothermique n'est pas utilisé.

Lorsqu'un champ de forage est optimisé pour l'énergie, il n'y a plus de potentiel géothermique en termes de puissance ou d'énergie. Le système hybride est alors le plus efficace, mais son coût d'investissement est plus élevé, car il faut installer une plus grande quantité d'énergie géothermique.

Le problème de ces deux méthodes d'optimisation est qu'elles sont basées sur une période spécifique (par exemple 20 ou 40 ans), ce qui est, dans une certaine mesure, un choix arbitraire. La question qui se pose alors est la suivante : que se passe-t-il après cette période ?

Optimiser l'équilibre

Vous trouverez ci-dessous deux profils de température de systèmes géothermiques hybrides qui ont été optimisés respectivement pour la puissance et pour l'énergie. Comme vous pouvez le constater, les deux systèmes présentent un déséquilibre négatif, le champ de forage étant dominé par l'extraction. Que se passe-t-il après la période de simulation de 20 ans ? Le champ de forage continue à se refroidir...

Cette observation a conduit au développement d'un troisième type d'optimisation : l'optimisation pour l'équilibre, où l'objectif est de concevoir votre champ de forage de manière à ce que la température du sol reste équilibrée au fil du temps. De cette manière, quel que soit l'horizon temporel, votre système reste dans les limites de température.

Objectif

Lorsque vous choisissez d'optimiser l'équilibre, votre objectif de conception est le suivant

Pour maximiser la puissance, vous pouvez (pendant le refroidissement) injecter ou (pendant le chauffage) extraire du sol à tout moment et maintenir le sol équilibré.

Cet objectif est très similaire à la méthode utilisée pour l'optimisation de la puissance, à une différence près : un critère supplémentaire d'équilibre du sol est introduit. (Si vous n'avez pas lu l'article sur les méthodologies d'optimisation hybrides, vous pouvez le trouver ici.)

L'optimisation avec cet objectif garantit que si vous installez x kW de capacité de chauffage ou de refroidissement géothermique, vous pouvez être sûr que le champ de forage fournira de manière fiable x kW pendant toute la période de simulation, tant que les profils de charge supposés restent valides - sans dérive thermique à long terme.

Méthodologie

La méthode de conception qui permet de dimensionner ce système en fonction de l'équilibre est donc assez similaire à la méthode d'optimisation de la puissance :

1. Commencez par un profil de demande horaire de chauffage et de refroidissement et une conception de champ de forage fixe.
2. Calculer le profil de température horaire comme si 100% de la demande du bâtiment étaient placés sur le champ de forage.
3. Vous vérifiez si
   1. La température moyenne minimale du fluide est inférieure à un certain seuil. ou il y a plus de $\alpha$% de déséquilibre. Si c'est le cas, la puissance d'extraction est trop élevée, il faut donc réduire la puissance de chauffage de pointe de x%. Si la température moyenne minimale du fluide est supérieure au seuil, le champ de forage peut supporter l'extraction et la puissance de chauffage de pointe peut rester inchangée.
   2. La température moyenne maximale du fluide dépasse un certain seuil ou il y a plus de $\alpha$% de déséquilibre. Si c'est le cas, la puissance d'injection est trop élevée, il faut donc réduire la puissance de refroidissement de pointe de x%. Si la température moyenne maximale du fluide est inférieure au seuil, le champ de forage peut supporter l'injection et aucune modification n'est nécessaire.
4. Si les deux températures obtenues à l'étape (3) se situent dans les limites et le déséquilibre est inférieur à $\alpha$%, Si la charge géothermique et hybride est déterminée, vous pouvez passer à l'étape (7). Dans le cas contraire, passez à l'étape (5).
5. Recalculer la charge horaire du champ de sondes en utilisant les nouvelles puissances maximales de pointe pour le chauffage et le refroidissement déterminées à l'étape (3). Rediriger la puissance ou l'énergie qui ne peut être traitée par le champ de forage vers les technologies hybrides.
6. Recalculer le profil horaire de la température et revenir à l'étape (3).
7. Terminé

Là encore, un autre critère a été introduit pour tenir compte du déséquilibre.

!Note
Le pourcentage de déséquilibre est défini comme suit : le déséquilibre annuel divisé par le maximum de l'injection ou de l'extraction de chaleur annuelle.

!Note
Étant donné que cette optimisation est une extension de la méthode “optimiser pour la puissance”, cette dernière peut être considérée comme un cas particulier de la méthode d'équilibre. Si l'on autorise un déséquilibre 100% (c'est-à-dire si l'on supprime le critère d'équilibre), la méthode se réduit à l'approche “optimiser pour la puissance”. Ceci sera également démontré dans l'étude de cas qui suit.

Étude de cas

Si nous nous référons à notre étude de cas pour le bâtiment multi-utilités, nous avons constaté que lorsque le système est optimisé pour la puissance, un champ de forage 9×9 permet 224 kW de chauffage géothermique et 159 kW de refroidissement géothermique, ce qui correspond à 73% et 74% de la demande de chauffage et de refroidissement du bâtiment, respectivement. En optimisant l'énergie, la part de la géothermie pourrait même augmenter jusqu'à 84% pour le chauffage et 92% pour le refroidissement, bien que cela s'accompagne d'un coût d'investissement nettement plus élevé.

Ci-dessous, le système hybride pour le bâtiment multi-utilités est conçu en utilisant un déséquilibre acceptable de 5%, 25%, et 100%.

5% déséquilibre

Comme le montre la figure ci-dessous, le système ne présente qu'un léger déséquilibre (environ 10 MWh/an), comparé au déséquilibre de 167 MWh/an observé lors de l'optimisation de la puissance. Le système est donc extrêmement robuste pour l'avenir. Cependant, il reste un potentiel géothermique considérable non exploité : seuls 107 kW de puissance de chauffage et 150 kW de puissance de refroidissement sont installés. Par conséquent, la part de la géothermie tombe à 41% pour le chauffage et à 72% pour le refroidissement, ce qui est nettement inférieur aux 73% et 74% obtenus lors de l'optimisation de la puissance.

!Attention
Bien que la limite théorique du déséquilibre acceptable soit de 1%, il est recommandé d'optimiser pour au moins 5% pour des raisons de calcul. En fonction de votre profil de charge horaire, il se peut qu'il n'y ait tout simplement pas de puissance pour laquelle le déséquilibre est inférieur à votre tolérance. Cela est particulièrement probable pour les bâtiments dont les heures de pleine charge sont très élevées. Si vous remarquez que le processus d'optimisation prend beaucoup de temps, envisagez de commencer avec un pourcentage de déséquilibre acceptable plus élevé.

25% déséquilibre

Si l'on tient compte du déséquilibre de 25%, le déséquilibre géothermique passe à 67 MWh/an (en extraction), ce qui entraîne un léger refroidissement du sol au fil des ans. La puissance géothermique installée passe à 145 kW pour le chauffage et à 153 kW pour le refroidissement, ce qui donne une part géothermique de 53% et de 73%, respectivement. Cela représente une amélioration significative par rapport au cas précédent avec un déséquilibre de 5% et illustre la flexibilité de la méthodologie d'optimisation pour l'équilibre.

100% déséquilibre

Enfin, comme indiqué précédemment, l'optimisation avec un déséquilibre acceptable de 100% donne le même résultat que l'optimisation de la puissance. Le profil de température résultant est présenté ci-dessous pour être complet.

Conclusion

La méthode d'optimisation de l'équilibre est un complément précieux à la boîte à outils de conception des systèmes hybrides. Bien qu'elle aboutisse généralement à la part géothermique la plus faible par rapport à d'autres méthodes, elle offre la conception la plus robuste et la plus pérenne. En ajustant le pourcentage de déséquilibre acceptable, vous pouvez obtenir une compréhension claire du niveau de déséquilibre acceptable pour votre système et de l'impact que cela a sur la conception globale.

Références

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