La connaissance est cruciale pour une conception précise du champ de forage. Les champs de forage sont intrinsèquement complexes en raison des nombreux paramètres de conception et des incertitudes. Dans cet article, nous présentons le concept des quadrants de champ de forage - un cadre qui peut vous aider à analyser la conception de votre champ de forage et à mieux comprendre nos prochains articles sur la physique des champs de forage.
Terminologie
Avant d'aborder la physique des champs de forage et les perspectives qu'elle offre, il convient d'introduire quelques termes clés.
Lorsque l'on parle d'énergie géothermique, on utilise souvent des termes tels que chauffage et refroidissement, ainsi qu'injection et extraction. Il est important de comprendre que ces termes font référence à différents aspects du système.
- Chauffage et refroidissement font référence à la charge du bâtiment (également appelée charge secondaire) - l'énergie échangée avec le bâtiment lui-même.
- Extraction et injection se réfèrent à la charge au sol (également appelée charge primaire) - l'énergie échangée avec le sol.
Bien que ces concepts soient liés (par exemple, le chauffage d'un bâtiment implique l'extraction de la chaleur du sol), ils ne sont pas identiques, La charge de chauffage du bâtiment sera toujours supérieure à la chaleur extraite du champ de forage, car une pompe à chaleur se trouve entre les deux. La charge de chauffage du bâtiment sera toujours supérieure à la chaleur extraite du champ de forage. C'est cette charge d'extraction qui est cruciale pour la conception finale du champ de forage.
!Note
Dans GHEtool Cloud, vous pouvez entrer votre charge comme charge de bâtiment ou charge géothermique. Si vous utilisez la charge du bâtiment, vous devrez également fournir vos valeurs SCOP et SEER.
Un autre concept clé est celui du déséquilibre et de la régénération.
- Déséquilibre est défini comme le réchauffement ou le refroidissement net du sol au cours d'une année, représentant la différence entre l'injection et l'extraction de chaleur (et non le chauffage et le refroidissement !). Il est négatif lorsque le sol se refroidit continuellement année après année en raison d'une extraction supérieure à l'injection.
- Régénération s'attaque activement à ce déséquilibre en injectant ou en extrayant de la chaleur supplémentaire dans le sol ou à partir de celui-ci afin de rétablir l'équilibre. Pour ce faire, on peut utiliser des capteurs solaires thermiques, des refroidisseurs à sec et d'autres technologies.
!Note
Au lieu de gérer directement le déséquilibre et la régénération, vous pouvez également mettre en place un système hybride. Pour plus d'informations sur les avantages des systèmes hybrides, voir cet article.
Différents tracés de température
Avant d'introduire le concept de quadrants de champ de forage, examinons d'abord plusieurs profils de température différents. (Si vous n'avez pas encore lu l'article sur l'interprétation des profils de température, vous pouvez le trouver ici.)
Le profil de température ci-dessous illustre un champ de forage présentant un déséquilibre négatif (car il se refroidit d'année en année) sans toutefois atteindre la limite de température minimale. Au contraire, il atteint la température moyenne maximale autorisée du fluide au cours de la première année de la période de simulation, ce qui signifie que le champ de forage devrait être conçu en fonction de ce point. Ce profil pourrait correspondre à un auditorium dans le climat doux de la Belgique, où la demande annuelle de chauffage est plus élevée que la demande de refroidissement, mais où le pic de refroidissement du bâtiment dépasse son pic de chauffage.
Le graphique de température suivant montre le déséquilibre inverse, où le sol se réchauffe d'année en année et finit par atteindre la température moyenne maximale autorisée du fluide. Cela signifie que le champ de forage doit être conçu pour répondre au pic de refroidissement du bâtiment au cours de la dernière année de la période de simulation. Ce profil pourrait représenter un immeuble de bureaux avec des gains internes importants ou même un centre de données, où la demande annuelle de refroidissement dépasse la demande de chauffage.
Le troisième graphique de température présente également un déséquilibre négatif, mais contrairement au premier exemple, il atteint la limite de température au cours de la dernière année de la période de simulation. Cette situation est typique des bâtiments situés dans des climats plus froids, où la demande et les pics de chauffage sont plus prononcés.
Le profil final présente un déséquilibre positif (dominé par l'injection), le système étant contraint par la température moyenne minimale autorisée du fluide au cours de la première année d'exploitation.
Quadrants du champ de mines
Les quatre profils peuvent être considérés comme des archétypes pour les quatre quadrants différents du champ de forage. Chaque profil de température que vous rencontrez peut être classé dans l'un de ces quatre quadrants de champ de forage : soit contraint par la température moyenne maximale ou minimale du fluide, et soit dans la première ou la dernière année de la période de simulation.
Une vision a priori
Le principal avantage de la classification des champs de forage en différents quadrants est qu'elle vous permet de raisonner sur certaines questions géothermiques sans avoir besoin de faire d'autres calculs. Ci-dessous, nous répondons à trois questions courantes en nous basant uniquement sur les quadrants de champ de forage.
Quand le déséquilibre/la régénération sont-ils pris en compte dans les coûts d'investissement ?
On dit souvent que la régénération réduit les coûts d'investissement du champ de forage, mais ce n'est pas toujours le cas. Si un champ de forage se situe dans le quadrant 1 ou 3, où la limite de conception se produit au cours de la première année d'exploitation, le déséquilibre ne pose pas de problème. En revanche, dans les quadrants 2 et 4, la réduction du déséquilibre par la régénération conduit à un champ de forage plus petit, car le système est conçu en fonction de la dernière année de la simulation, lorsque le déséquilibre accumulé a l'impact le plus important.
Quand est-il avantageux de forer plus profondément ?
Pour les bâtiments dont la demande de chauffage est élevée, il peut être avantageux de forer plus profondément, car les températures du sol augmentent avec la profondeur. Cela signifie que les champs de forage des quadrants 3 et 4 peuvent bénéficier de forages plus profonds, alors que les quadrants 1 et 2 n'en bénéficieront pas, car ils sont conçus principalement pour l'injection de chaleur plutôt que pour l'extraction de chaleur.
!Note
Les logiciels de conception de champs de forage partent généralement du principe que la température du sol augmente linéairement avec la profondeur. Cependant, dans les zones densément construites, les couches supérieures du sol peuvent déjà être plus chaudes en raison de l'effet d'îlot de chaleur urbain. Dans de tels cas, le fait de forer plus profondément peut, en fonction de la profondeur, aboutir à un champ de forage plus froid plutôt que plus chaud.
Quand le refroidissement actif est-il avantageux ?
Le refroidissement actif peut être un moyen très efficace d'optimiser les coûts d'investissement, mais uniquement pour les champs de forage conçus pour répondre à des demandes élevées d'injection de chaleur. Avec le refroidissement actif, la limite de température passe de 16-17°C (pour le refroidissement passif) à 25°C ou plus, ce qui permet de réduire la taille du champ de forage et donc les coûts d'investissement. Ceci est bénéfique dans les quadrants 1 et 2, mais pas dans les quadrants 3 et 4.
!Note
Techniquement, les champs de forage du quadrant 4 pourraient bénéficier légèrement d'un refroidissement actif, car le SEER plus faible (par rapport au refroidissement passif) réduit le déséquilibre. Toutefois, cet effet est bien moindre que celui observé dans les quadrants 1 et 2.
Conclusion
Cet article a clarifié la distinction entre la terminologie des charges de bâtiment et la terminologie des charges au sol. Nous avons ensuite présenté le concept de quadrants de champ de forage, en montrant comment ce cadre permet de raisonner sur la conception d'un système géothermique sans nécessiter de calculs complexes.
Ces connaissances fondamentales seront développées dans les prochains articles, offrant des perspectives plus approfondies sur la physique des champs de forage et vous permettant de concevoir des champs de forage en toute confiance !
Références
- Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.
- De plus amples informations sur les quadrants des champs de mines sont disponibles dans (Peere et al, 2021).