Le dimensionnement précis d'un champ de forage repose en grande partie sur l'obtention des propriétés correctes du sol. Étant donné que les systèmes d'énergie géothermique fonctionnent en échangeant de l'énergie avec le sol, il est essentiel d'obtenir des données précises sur le sol pour que le système soit bien conçu. Dans cet article, nous explorons les paramètres clés du sol nécessaires aux calculs dans GHEtool Cloud.
Propriétés du sol
Il existe de nombreuses façons de classer les sols géologiquement, notamment en fonction de la taille des grains, de la composition chimique ou des caractéristiques minéralogiques. Cependant, pour la conception d'un champ de forage, seuls les deux paramètres clés sont nécessaires :
- Conductivité thermique - la capacité du sol à conduire la chaleur
- Capacité thermique volumétrique - la capacité du sol à emmagasiner la chaleur
Conductivité thermique
La conductivité thermique mesure l'efficacité avec laquelle le sol conduit la chaleur. Les champs de forage interagissent à la fois avec le sol entre les trous de forage et avec le sol infini environnant. Un champ de forage ayant une conductivité thermique plus élevée permet un échange de chaleur plus efficace avec son environnement.
Pour les champs de forage présentant un déséquilibre important, une conductivité thermique élevée est bénéfique, car elle permet de dissiper l'excès de chaleur dans l'environnement, ce qui rend le déséquilibre moins important. (Si vous n'avez pas encore lu notre article sur les quadrants des champs de forage, vous pouvez le consulter. ici.)
Capacité thermique volumétrique
La capacité thermique volumétrique décrit la capacité du sol à stocker la chaleur. Elle représente la quantité d'énergie nécessaire pour augmenter la température du sol de 1°C et peut être considérée comme la capacité du champ de forage à fonctionner comme une batterie thermique.
Si un champ de forage a une demande d'extraction et d'injection presque égale sur une base annuelle, une capacité thermique volumétrique élevée est souhaitable, permettant au champ de forage d'agir comme un système de stockage saisonnier de l'énergie thermique (STES). Dans ce cas, une faible conductivité thermique est également bénéfique, car elle minimise les pertes de chaleur dans l'environnement.
Exemple de données
Les propriétés du sol varient considérablement en fonction de l'emplacement du projet. Vous trouverez ci-dessous un exemple tiré de la littérature montrant la conductivité thermique et la capacité thermique volumétrique pour différents types de sols et de roches.
Quelques observations clés :
- La gamme de conductivité thermique varie considérablement, même au sein d'un même type de sol. Cela est dû aux différences géologiques au sein de chaque catégorie, qui affectent les propriétés du sol.
- Pour les sols granulaires (par exemple, le gravier, le sable, le limon et l'argile), les propriétés thermiques sont influencées de manière significative par la saturation en eau. Les espaces entre les particules du sol peuvent être remplis d'air (un isolant) ou d'eau (qui a une conductivité thermique et une capacité calorifique élevées). Par conséquent, les sols saturés d'eau ont une conductivité thermique beaucoup plus élevée que les sols secs.
!Note
Les données sur les propriétés du sol sont très spécifiques à chaque cas et à chaque lieu. Dans de nombreux cas, il peut être difficile d'obtenir des données précises, notamment en ce qui concerne le degré de saturation en eau. Pour obtenir les informations les plus précises, il convient de consulter les instituts géologiques ou les autorités locales. En outre, des mesures in situ à l'aide de tests de réponse thermique (TRT) peuvent fournir des données fiables sur les propriétés du sol.
Température du sol
La température du sol est un autre paramètre crucial dans la conception des champs de forage. Celle-ci est généralement estimée en supposant une température de surface constante et un gradient de température géothermique fixe à mesure que la profondeur augmente.
!Note
Ce gradient de température résulte d'un flux de chaleur géothermique du noyau de la Terre vers la croûte. Toutefois, il n'est pas réparti uniformément sur le globe, certaines régions présentant un gradient géothermique plus ou moins élevé, ce qui influe sur la température du sol qui en résulte.
GHEtool utilise cette distribution de la température du sol pour calculer la température moyenne du sol le long du champ de forage, qui est ensuite utilisée dans les calculs de température.
Effet d'îlot de chaleur urbain
L'hypothèse d'une augmentation constante et linéaire de la température en fonction de la profondeur n'est pas toujours exacte, en particulier dans les zones densément peuplées ou les villes anciennes.
Comme le montre la figure ci-dessous, lorsqu'une ville est construite sur le sol, la température moyenne du sol augmente. (deuxième graphique). Cela est dû à l'effet d'îlot de chaleur urbain, où la chaleur des bâtiments, des routes et des trottoirs est piégée, ce qui réchauffe toute la ville. Au fil du temps, cette température accrue pénètre dans le sol, formant un ‘blob’ de température qui peut s'étendre jusqu'à 100 m de profondeur.
!Attention
Cette perturbation de la température est particulièrement importante pour les bâtiments dont la demande de refroidissement est élevée. Traditionnellement, les informations fournies par les quadrants du champ de forage (lire l'article ici) suggèrent qu'un forage plus profond n'est pas bénéfique pour le refroidissement, mais dans certaines zones urbaines, un forage plus profond peut en fait être nécessaire pour atteindre des températures du sol plus fraîches afin d'obtenir un refroidissement efficace.
Comme la température du sol comporte toujours une part d'incertitude, il est fortement recommandé, en particulier pour les grands projets, d'effectuer un essai de réponse thermique (TRT) pour mesurer la température initiale du sol non perturbé. (Restez à l'écoute pour un prochain article sur les essais de réponse thermique !)
Données au sol en GHEtool
GHEtool propose deux façons d'entrer dans les propriétés foncières :
- Saisie des données couche par couche
- Hypothèse de propriétés homogènes du sol
Étant donné que GHEtool suppose en interne une couche de sol moyenne, les deux méthodes peuvent donner le même résultat.
Données stratifiées
La façon la plus précise et la plus fiable de saisir vos données sur le sol est d'utiliser l'option de couches dans GHEtool Cloud. Vous pouvez ainsi saisir les propriétés de votre sol couche par couche, ainsi que l'épaisseur de la couche. À l'aide de ces informations, GHEtool peut calculer les propriétés thermiques correctes pour chaque projet en fonction de la profondeur de votre trou de forage (enterré).
!Note
Pour utiliser les données terrestres en couches, vous avez besoin de la licence ‘Design’ de GHEtool Cloud. De plus amples informations sont disponibles sur notre site page de tarification.
Données homogènes
Si vous devez effectuer un calcul rapide, l'introduction de toutes les couches du sol peut prendre beaucoup de temps. C'est pourquoi il est possible de saisir les données relatives au sol en utilisant l'hypothèse d'homogénéité. Dans ce cas, il vous suffit de saisir une seule valeur pour la conductivité thermique du sol et la capacité thermique volumétrique, qui sera utilisée pour toutes les tailles de champs de forage.
!Attention
Les données homogènes introduites seront toujours une moyenne de plusieurs couches de sol pour une profondeur donnée. Si vous utilisez un champ de sondage dont la profondeur est différente de celle utilisée pour calculer ces paramètres moyens, les résultats peuvent être inexacts. Par conséquent, si vous modifiez la profondeur de forage (ou si vous autorisez son calcul à l'aide de l'option ‘calculer la profondeur de forage requise’), il est essentiel de revérifier les propriétés de votre sol.
Conclusion
Cet article traite des propriétés du sol en tant que paramètre d'entrée critique dans la conception géothermique. Pour obtenir les résultats les plus précis, la meilleure pratique consiste à obtenir les données les plus précises possibles sur le sol. Pour les projets de plus grande envergure, il est fortement recommandé d'effectuer un test de réponse thermique (TRT) pour mesurer les propriétés du sol directement sur place. Restez à l'écoute pour un prochain article sur les TRT et leur utilisation dans le dimensionnement des champs de forage !
Références
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- Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.
- Propriétés foncières pour la Belgique : smartgeotherm ou DOV virtuele ennuyeux (Flandre).
- Propriétés foncières pour la France : BRGM.
- Propriétés foncières pour l'Allemagne : GeotIS.