Pour une conception efficace du champ de forage, vous devez prêter une attention particulière à la fois à la perte de charge et à la consommation d'énergie de la pompe. Dans cet article, nous allons explorer les derniers ajouts à GHEtool Cloud pour vous aider dans la conception hydraulique de votre champ de forage.
!Note
Cet article s'appuie sur notre article relatif à la théorie du calcul des pertes de charge. Si vous ne l'avez pas lu, vous pouvez le consulter. ici.
Chute de pression dans le champ de forage
Bien qu'il existe de nombreuses façons différentes de connecter hydrauliquement les forages, la perte de charge de l'ensemble du champ de forage peut être facilement calculée sur la base d'une hypothèse centrale : nous voulons que chaque forage ait le même débit (de sorte qu'il puisse échanger la même quantité d'énergie avec le sol). Pour y parvenir, vous devez vous assurer que tous les forages de votre champ subissent la même perte de charge, afin que le fluide n'ait pas un chemin préférentiel avec une résistance plus faible. Cela signifie que la perte de charge de l'ensemble de votre système sera définie par le forage où elle est la plus élevée, et que tous les autres forages seront calibrés pour avoir la même perte de charge, de sorte que le débit à travers tous les forages reste égal. C'est ce qu'on appelle un système hydrauliquement équilibré.
La perte de charge totale dans ce trou de forage le plus défavorable peut être calculée comme la somme de la perte de charge dans le trou de forage le plus défavorable. partie verticale du trou de forage lui-même et la chute de pression entre le trou de forage et le collecteur central du champ de forage, c'est-à-dire le perte de charge horizontale.
Perte de charge horizontale
Il existe de nombreuses façons de connecter les forages hydrauliquement : ils peuvent être connectés en série ou en parallèle (voir notre article à ce sujet). ici), différents diamètres de tuyaux horizontaux peuvent être utilisés, plusieurs sous-collecteurs peuvent être mis en œuvre, ou des combinaisons de tout ce qui précède. Chacun de ces systèmes présente des caractéristiques hydrauliques différentes et mérite son propre article. Cependant, la plupart des systèmes peuvent être modélisés comme des forages connectés individuellement (ou en série) à un collecteur central.
Restez à l'écoute
À l'heure actuelle, il n'est pas encore possible de modéliser les connexions hydrauliques parallèles, où plusieurs forages sont connectés en parallèle sur une seule conduite horizontale dans un système de retour direct ou un système de retour inverse (c'est-à-dire Tichelmann). En effet, la distance entre les forages connectés en parallèle doit également être prise en compte, car le débit n'est pas le même dans toutes les parties du circuit horizontal. Cette fonction sera ajoutée lors d'une prochaine mise à jour - restez à l'écoute !
L'image ci-dessous montre un exemple de champ de forage avec 14 trous de forage. Le forage ayant la plus longue connexion horizontale est celui qui se trouve en bas à gauche. Par conséquent, la chute de pression pour ce forage déterminera la chute de pression dans l'ensemble du champ de forage.
Exemple avec GHEtool Cloud
Pour calculer le comportement hydraulique de votre champ de forage, vous devez utiliser une résistance thermique du trou de forage calculée dynamiquement (voir l'onglet ‘Résistance thermique’). Dans ce cas, vous pouvez sélectionner l'option de calcul de la perte de charge et de l'énergie de la pompe sous l'onglet ‘Général’.
Précisons maintenant l'exemple ci-dessus. Supposons un mélange eau-MPG avec 25% MPG et un débit de 0,3 l/s. Les forages ont une profondeur de 150 m, avec un double échangeur de chaleur DN32 à tubes en U. Les connexions horizontales sont réalisées avec un diamètre DN40 légèrement plus grand pour réduire les coûts. Les connexions horizontales sont réalisées avec un diamètre DN40 légèrement supérieur pour réduire les pertes.
Entrons le débit de 4,2 l/s pour l'ensemble du champ de forage dans la section ‘Données du fluide’ sous l'onglet ‘Résistance thermique’.
Supposons que tous les
Si nous supposons que tous les forages sont raccordés individuellement au collecteur principal, nous pouvons fixer le facteur de série à 1. Les résultats de cette simulation sont présentés ci-dessous.
Vous pouvez voir deux sauts principaux, identifiant la transition entre le flux laminaire et le flux turbulent (comme expliqué dans le document notre article précédent).
Le premier saut, plus petit, est la transition de la conduite horizontale d'un écoulement laminaire à un écoulement turbulent. Cela s'explique par le fait qu'un tuyau DN40, utilisé pour la connexion horizontale, passe à la turbulence (ou à la zone transitoire) plus rapidement que le double tuyau DN32 à l'intérieur du trou de forage. Le deuxième saut, qui se produit à un débit d'environ 7 l/s, marque le moment où l'ensemble du trou de forage devient également turbulent.
Les résultats numériques pour ce cas sont les suivants :
- Chute de pression dans un trou de forage : 17,37 kPa
- Perte de charge du champ de forage21,04 kPa
- Débit dans le champ de forage: 4,2 l/s
- Puissance de la pompe requise: 88,367 W
- Estimation de l'énergie de la pompe: 220,98 kWh/an
Vous pouvez constater que la perte de charge de l'ensemble du champ de forage est légèrement supérieure à celle d'un seul trou de forage en raison de la tuyauterie horizontale. Les deux sont calculés au débit de conception de 4,2 l/s pour l'ensemble du champ de forage. À ce point de conception, la pompe devrait fournir 88 W pour que le système fonctionne comme prévu et consommera environ 220 kWh/an d'électricité.
Par deux en série
Pour améliorer le comportement thermique, nous pouvons choisir de connecter les trous de forage en série. Si nous les connectons par groupes de deux, le débit à travers chaque trou de forage double, ce qui réduit la résistance thermique du trou de forage. Cependant, la perte de charge et la puissance de la pompe nécessaire augmentent considérablement, comme le montre la figure ci-dessous.
La figure ci-dessus montre que l'ensemble du système est maintenant turbulent, ce qui conduit aux résultats numériques suivants au point de conception :
- Chute de pression dans un trou de forage 67,18 kPa
- Perte de charge du champ de forage86,65 kPa
- Débit dans le champ de forage: 4,2 l/s
- Puissance de la pompe requise: 363,922 W
- Estimation de l'énergie de la pompe: 861,55 kWh/an
En raison de la nature hautement turbulente de la tuyauterie horizontale, la perte de charge du champ de forage est maintenant significativement plus élevée que dans le trou de forage lui-même. Dans un dernier temps, nous pouvons augmenter le diamètre de la tuyauterie horizontale à DN50 pour réduire les pertes dans cette partie du système.
DN50 pour les connexions horizontales
Si nous voulons obtenir le même comportement thermique tout en réduisant la consommation d'énergie de la pompe, nous pouvons augmenter le diamètre de la tuyauterie horizontale, en rapprochant la perte de charge du champ de forage de celle du trou de forage lui-même. Les résultats sont présentés ci-dessous.
- Chute de pression dans un trou de forage 67,18 kPa
- Perte de charge du champ de forage73,98 kPa
- Débit dans le champ de forage: 4,2 l/s
- Puissance de la pompe requise: 310,735 W
- Estimation de l'énergie de la pompe: 735,64 kWh/an
La chute de pression dans un trou de forage reste inchangée, comme prévu, mais les pertes dans les tuyaux horizontaux sont réduites, ce qui abaisse la puissance requise de la pompe de 363 W à 310 W. Bien que cet effet puisse sembler faible dans cet exemple, il peut être très significatif dans des champs de forage plus importants, où les distances horizontales sont comparables aux distances verticales.
Conclusion
Dans cet article, nous avons exploré comment GHEtool Cloud peut aider à la conception hydraulique des champs de forage. Nous avons démontré comment différents diamètres de tuyaux horizontaux affectent la perte de charge, et nous avons discuté de l'impact des connexions en série sur le comportement thermique du trou de forage. Avec cette nouvelle fonctionnalité, nous souhaitons vous permettre de concevoir des champs de forage encore plus efficaces, en veillant à ce que la pompe puisse effectivement fournir le débit prévu.
Références
- Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.