Exercice sur les sensibilités dans la conception des champs de forage

Dans cet exercice, nous allons étudier la conception d'un champ de forage géothermique pour un immeuble de bureaux. L'objectif est de mieux comprendre les effets du gradient de température géothermique et de déterminer quels paramètres sont particulièrement importants lors de la conception d'un champ de forage pour un bâtiment ayant une forte demande de refroidissement.

L'exercice

Le cas de cet exercice est basé sur un immeuble de bureaux réel situé dans la ville de Gand (Belgique). Pour concevoir un champ de forage adapté à ce bâtiment, vous devrez vous appuyer sur les connaissances acquises dans une série d'articles précédents (auxquels nous ferons référence si nécessaire). Cet exercice vous permettra d'explorer l'influence du gradient de température géothermique sur la conception, de comparer l'impact de l'utilisation de MPG par rapport à l'eau, d'évaluer le choix entre les configurations de tubes en U simples et doubles, et d'acquérir des connaissances générales sur la conception de champs de forage pour les bâtiments ayant une forte demande de refroidissement.

!Indice
Pour tirer le meilleur parti de cet exercice, nous vous recommandons vivement de répondre aux questions de conception ci-dessous avant de lire la solution fournie. La conception d'un champ de forage est loin d'être simple, et la meilleure façon d'en maîtriser les complexités est d'acquérir une expérience pratique.

Paramètres d'entrée

Paramètres généraux d'entrée

• Seuil minimal de la température moyenne du fluide : 2°C
• Seuil de température moyenne maximale du fluide : 17°C

!Note
Ces températures sont choisies pour s'assurer que le refroidissement peut fonctionner en mode passif ou libre (d'où la limite supérieure de 17°C). La limite inférieure de 2°C est fixée pour éviter les températures négatives dans le trou de forage. Une température moyenne du fluide de 2°C correspond typiquement à une température d'alimentation de 0°C et à une température de retour de 4°C, en supposant une différence de température ($\Delta T$) de 4°C.

• Période de simulation : 40 ans
• Premier mois de la simulation : Janvier

Paramètres d'entrée au sol

Les conditions géologiques du sol sur le site du projet sont les suivantes :

!Note
Remarquez la couche d'argile épaisse et peu conductrice dans la lithologie. Elle jouera un rôle important dans cet exercice.

Pour gagner du temps, les conductivités thermiques moyennes du sol sont calculées comme suit :

• 1,6 W/(mK) à 150 m de profondeur de forage
• 1,7 W/(mK) à 100 m de profondeur de forage

Les autres paramètres du sol sont les suivants

• Capacité thermique volumétrique : 2,4 MJ/(m³K)
• Lieu : ‘Bel-Gent’

Paramètres d'entrée du champ de forage

Tous les champs de forage de cet exercice sont rectangulaires, avec un espacement égal en longueur et en largeur de 6 m. La profondeur d'enfouissement est de 1 m et la configuration initiale est de 15 x 13 trous de forage, avec une profondeur de 150 m.

Paramètres d'entrée de la résistance du trou de forage

Les paramètres du tuyau sont les suivants

• Tuyau double DN32 PN16 (c'est-à-dire une épaisseur de paroi de 3 mm et un diamètre extérieur de 32 mm)
• Diamètre du trou de forage : 140 mm
• Distance entre le tuyau et le centre du trou de forage : 40 mm
• Coulis : 1,5 W/(mK)

Le fluide est 30 v/v% MPG avec un débit de 0,2 l/s par trou de forage.

Paramètres d'entrée de la charge thermique

• Puissance calorifique : 306 kW
• Énergie de chauffage annuelle : 398 MWh
• Puissance de refroidissement : 336 kW
• Énergie frigorifique annuelle : 269 MWh
• SCOP : 4,5
• SEER : 20 (refroidissement passif)

Design questions

Pour cet exercice, vous êtes invité à répondre aux questions de conception suivantes tout en suivant la longueur totale du trou de forage pour chaque étape. Cela vous aidera à évaluer les implications en termes de coûts et de performances des différentes modifications apportées à la conception.

!Indice
Pour que votre travail soit bien organisé, il est recommandé d'utiliser un scénario distinct pour chaque question de conception.

1. Compte tenu de la conception initiale du champ de forage de 15×13 trous de forage à 150 m, s'agit-il d'une bonne conception ?
2. Combien de forages supplémentaires devrions-nous effectuer si nous réduisons la profondeur des forages à 100 m ? Essayez d'y réfléchir avant de commencer à simuler.
3. Que se passe-t-il si nous actualisons la conductivité thermique du sol à la valeur correcte ? Pouvons-nous modifier la conception ?
4. Que devient le profil de température si nous remplaçons le fluide par de l'eau ?
5. Comment pouvons-nous repenser notre champ de forage pour qu'il soit plus rentable ?
6. Que se passe-t-il pour notre projet si nous passons d'un tube en double U à un tube en simple U ?

Solution

Vous trouverez ci-dessous les réponses aux questions relatives à la conception exposées précédemment. Il est important de souligner qu'il n'y a pas de réponse unique et correcte. L'intérêt de cet exercice réside dans la compréhension du raisonnement qui sous-tend chaque décision plutôt que dans l'acceptation stricte de chaque hypothèse.

Chaque projet géothermique est unique et les choix que vous faites - concernant les paramètres, les configurations et les seuils - dépendent fortement des contraintes spécifiques au projet, des priorités de conception et des considérations pratiques. Utilisez ces réponses comme un guide, mais n'hésitez pas à remettre en question les hypothèses et à explorer d'autres solutions.

Question 1

Le profil de température de la simulation originale montre une température moyenne maximale du fluide de 17,17°C, ce qui est légèrement supérieur au seuil de conception de 17°C. À première vue, cela pourrait suggérer que le champ de forage est sous-dimensionné. Mais est-ce vraiment le cas ?

Pas nécessairement.

La conception d'un champ de forage repose toujours sur des hypothèses sous-jacentes, à la fois dans les données d'entrée (par exemple, les estimations de charge, les conditions opérationnelles) et dans le modèle lui-même (par exemple, en négligeant l'écoulement des eaux souterraines, comme on l'a vu dans le cas de la conception d'un champ de forage). ici). Ces simplifications peuvent introduire de légers écarts par rapport au comportement réel du système.

Compte tenu de l'échelle du projet et de la méthode utilisée pour estimer la demande de refroidissement, un résultat de 17,17°C est encore acceptable dans le cadre de la marge d'incertitude prévue. Cependant, pour les projets ayant des contraintes thermiques plus strictes ou des exigences réglementaires, même un dépassement de 0,17°C peut être critique et doit être pris en compte.

La longueur totale des forages nécessaires pour cette configuration (15 × 13 forages à 150 m de profondeur) s'élève à environ 29 000 m.

Question 2

Lorsque nous abaissons la profondeur maximale autorisée des forages à 100 m, nous réduisons la profondeur actuelle de 33%. Instinctivement, nous devrions donc nous attendre à augmenter le nombre de forages de 33% afin d'obtenir la même longueur totale de forages. Lorsque nous effectuons la simulation, nous obtenons un champ de forage de 17 × 13 avec une longueur totale de 21879 m, ce qui est nettement moins que dans la question 1. Il y a deux raisons principales à cela :

• Tout d'abord, comme nous forons moins profondément, la température du sol est plus basse en raison du gradient thermique. Comme ce champ de forage est limité par la température moyenne maximale du fluide, une température du sol plus basse signifie qu'il faut moins de forages. (Si vous n'avez pas lu notre article sur les propriétés du sol, vous pouvez le trouver ici).

• Deuxièmement, comme les trous de forage sont maintenant plus courts, la résistance thermique effective du trou de forage est également légèrement plus élevée. Cela est dû au fait qu'il y a moins de court-circuit thermique entre les pattes dans les tubes en U. (Vous trouverez plus d'informations sur la résistance des trous de forage dans notre article ici).

Question 3

Si vous vous souvenez bien, nous avons modifié la profondeur du forage tout en gardant les propriétés du sol constantes (ou peut-être les avez-vous modifiées vous-même, ce qui est encore mieux !) Étant donné que nous forons moins dans la couche d'argile, la conductivité passe de 1,6 W/(mK) à 1,7 W/(mK). Cela fait baisser la température à 16,66 °C, en raison d'un transfert de chaleur légèrement meilleur dans le sol et d'une température du sol non perturbé encore plus basse.

!Note
À première vue, il peut sembler étrange que la température du sol change lorsque la profondeur du forage reste inchangée. En effet, la température du sol non perturbé est calculée en fonction du flux de chaleur géothermique (qui reste constant) et de la conductivité du sol. Dans une couche peu conductrice, la température du sol augmente plus rapidement que dans une couche bien conductrice. Par conséquent, le fait d'augmenter la conductivité thermique moyenne du sol réduit le gradient de température, ce qui se traduit par une température du sol non perturbé plus basse.

En raison de cette conductivité thermique plus élevée du sol, nous pouvons réduire la taille du champ de forage à 16 × 13 trous de forage tout en restant en dessous de notre seuil de 17 °C, ce qui donne une longueur totale de forage de 2 592 m.

!Attention
Cette question illustre l'importance du suivi des différentes couches du sol et le danger potentiel de supposer un sol homogène.

Question 4

Les températures des fluides étant relativement élevées, il n'est pas vraiment nécessaire d'utiliser de l'antigel (et certainement pas 30 v/v% MPG, qui offre une protection contre le gel jusqu'à -14 °C). Nous avons donc fixé le pourcentage à zéro et relevé le seuil de la température moyenne minimale du liquide à 5,5 °C. En conséquence, la température moyenne maximale du liquide tombe à 16,25 °C.

!Note
Cette température dépend des exigences spécifiques de la pompe à chaleur. En général, une température de sortie du condenseur de 4 °C est autorisée. Si l'on suppose alors un $\Delta T$ de 3 °C à travers le condenseur, on obtient une température moyenne du fluide de 5,5 °C.

Le nombre de Reynolds, tant pour l'extraction que pour l'injection, passe maintenant de la région laminaire au régime transitoire, voire turbulent. Cela réduit la résistance thermique moyenne du trou de forage, ce qui entraîne une baisse de la température du sol.

Question 5

Grâce à cette amélioration du transfert de chaleur, la taille du champ de forage peut être encore réduite - 14×13 trous de forage, par exemple - ce qui donne une température moyenne maximale du fluide de 16,88 °C et une longueur totale de forage de 18018 m, soit nettement moins que les 29000 m de départ !

Question 6

Comme dernière variation, nous remplaçons le double U DN32 par un simple tuyau DN32. Cela augmente la résistance thermique effective du trou de forage, ce qui se traduit par une température moyenne maximale du fluide plus élevée. Pour rester dans nos limites de température, nous devons à nouveau augmenter le nombre de trous de forage à 15×13, ce qui nous donne une longueur totale finale de 19305 m.

!Note
On pourrait s'étonner que le passage d'un double U à un simple U augmente de manière significative la longueur totale du trou de forage. Normalement, lorsque le double U fonctionne dans un régime d'écoulement laminaire, le passage à un U unique entraîne un écoulement turbulent, ce qui améliore le transfert de chaleur et maintient plus ou moins la longueur totale du trou de forage. Cependant, comme le double U fonctionnait déjà dans un régime turbulent dans ce cas, le passage à un simple U a simplement réduit la zone de transfert de chaleur, ce qui a entraîné une résistance thermique effective plus élevée dans le trou de forage.

Conclusion

Cet exercice a démontré les différentes stratégies de conception disponibles lors du dimensionnement d'un champ de forage pour un bâtiment ayant une forte demande de refroidissement. En prenant des décisions éclairées, nous avons réussi à réduire la longueur totale du trou de forage de 29055 m à 18018 m, grâce à la température plus basse du sol non perturbé et à la meilleure résistance thermique du trou de forage lors de l'utilisation d'eau au lieu de MPG. Le passage à une configuration en U unique s'est avéré inutile dans ce projet, car le fluide était déjà en régime turbulent.

Références

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