Simulation de pompes à chaleur modulantes dans GHEtool Cloud

Aujourd'hui, une toute nouvelle fonctionnalité a été lancée dans GHEtool Cloud : la simulation avec des pompes à chaleur modulantes. Au lieu de travailler avec les efficacités constantes traditionnelles des pompes à chaleur pour convertir la charge du bâtiment en une charge au sol, vous pouvez maintenant sélectionner une machine ou un certain nombre de machines dans notre base de données, et GHEtool calculera l'efficacité résultante pour vous.

!Note
Cet article s'appuie sur les recherches présentées dans un article précédent, que vous pouvez consulter à l'adresse suivante ici.

Vers une conception plus précise des champs de forage : un processus en trois étapes

Au cours de l'été dernier, nous avons présenté notre feuille de route en trois étapes visant à modifier à jamais la conception des champs de forage géothermiques. Aujourd'hui, avec la mise en œuvre des pompes à chaleur directement dans GHEtool, ce processus est achevé.

Étape 1 : variation des propriétés des fluides

La première étape, publiée juste avant l'été 2025, consistait à se débarrasser des propriétés constantes des fluides qui sont traditionnellement utilisées dans la conception des champs de forage. Dans GHEtool Cloud, les propriétés des fluides telles que la viscosité et la densité sont mises à jour toutes les heures, ce qui permet d'obtenir un nombre de Reynolds et une résistance du trou de forage variables. Cela s'est avéré particulièrement important pour la précision des charges de refroidissement élevées. Pour plus d'informations, voir notre article sur ce sujet.

Étape 2 : débits variables

L'hypothèse suivante dont nous nous sommes débarrassés, pas plus tard que le mois dernier, était celle d'un débit constant. En réalité, la plupart des champs de forage ont un débit variable puisque la pompe à chaleur contrôle la vitesse de la pompe pour atteindre une certaine différence de température à travers son évaporateur. Bien que ce changement n'ait pas nécessairement affecté la conception de vos systèmes, puisque le débit maximal reste inchangé, il a permis de mieux prédire les températures des fluides au cours des saisons intermédiaires et a ouvert la voie à notre troisième étape.

Pour en savoir plus sur les débits variables ici.

Étape 3 : pompes à chaleur modulantes

Lorsque l'on conçoit des champs de forage, on dispose généralement d'un charge du bâtiment qu'il faut convertir d'une manière ou d'une autre en charge au sol (c'est-à-dire extraction et injection de chaleur). Pour ce faire, on utilise traditionnellement une valeur de SCOP que l'on trouve dans les fiches techniques. Cette hypothèse pose toutefois quelques problèmes.

1. En utilisant le SCOP pour convertir la puissance de pointe de chauffage en puissance de pointe d'extraction, vous surestimez la puissance de pointe, étant donné que le COP pendant les conditions de pointe est généralement inférieur au SCOP. Cela peut conduire à un champ de forage surdimensionné.

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Le SCOP est une mesure de l'efficacité saisonnière d'une pompe à chaleur, tandis que le COP est une mesure de l'efficacité instantanée. Si vous n'êtes pas familiarisé avec les rendements des pompes à chaleur, veuillez lire le document suivant notre article sur ce sujet.

2. En utilisant un SCOP à B0/W35 pour convertir la demande de chauffage et d'eau chaude sanitaire en une charge au sol, vous supposez que la température du sol est de 0°C. Cependant, dans la plupart des conceptions, cette température ne se produit, le cas échéant, qu'après quelques années, ce qui signifie que la température moyenne est plus élevée. Cela donne un SCOP plus élevé, de sorte que l'utilisation d'une valeur B0/W35 est une sous-estimation de l'efficacité et donc du déséquilibre, ce qui peut entraîner un sous-dimensionnement (voir par exemple notre article sur les comment faire face à un déséquilibre).

3. L'efficacité d'une pompe à chaleur dépend de la température du sol et changera donc en fonction de votre conception. Cependant, étant donné que le SCOP est généralement une entrée et non une sortie de la conception d'un champ de forage, le SCOP ne varie pas lorsque la conception change. Ceci est plutôt contre-intuitif.

Il est clair que l'utilisation d'une SCOP pour la conception d'un champ de forage présente un certain nombre de défis et d'incertitudes. C'est pourquoi, à partir d'aujourd'hui, vous pouvez sélectionner vos machines directement en GHEtool.

Pompes à chaleur en GHEtool Cloud

Travailler avec des données d'efficacité dépendant de la température et de la charge partielle n'est pas trivial, car ces informations ne sont pas disponibles dans les fiches techniques. C'est pourquoi nous collaborons directement avec les fabricants de pompes à chaleur pour obtenir des données de mesure très détaillées et créer un jumeau numérique de leurs machines. Ces jumeaux numériques sont maintenant disponibles dans l'outil, de sorte que chaque fois que vous travaillez avec une charge horaire de bâtiment, l'option apparaît pour sélectionner une ou plusieurs pompes à chaleur modulantes à partir de notre base de données de pompes à chaleur.

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Actuellement, quatre machines de Enrad sont disponibles dans l'outil, et d'autres machines et fabricants seront ajoutés dans les mois à venir.

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Actuellement, il n'est possible de travailler avec des pompes à chaleur modulantes que si l'on dispose d'une charge horaire, car ce n'est qu'à cette résolution que l'on peut calculer avec précision les températures des fluides et l'efficacité. Cependant, si vous ne disposez pas de cette information, vous pouvez générer une charge horaire directement dans GHEtool, comme expliqué ci-dessous. ici.

Pompes à chaleur en cascade

La modélisation de plusieurs pompes à chaleur fonctionnant ensemble constitue un niveau de complexité supplémentaire. Par exemple, au lieu d'avoir une machine de 100 kW capable de moduler entre 30 et 100 kW, vous pouvez également travailler avec deux machines de 50 kW capables de moduler entre 15 et 50 kW. Avec cette dernière option, votre plage de modulation totale sera de 15 à 100 kW, ce qui vous donne plus de flexibilité que lorsque vous travaillez avec une seule machine.

Cela implique que nous avons besoin de certains principes de mise en cascade pour déterminer quand chaque pompe à chaleur se met en marche. Dans le système GHEtool, la philosophie est que, pour chaque niveau de puissance, le nombre maximum de pompes à chaleur fonctionne afin de maintenir le degré de modulation moyen ainsi que le WAIR aussi bas que possible, tout en améliorant la précision.

Pour illustrer cela, imaginons que vous ayez deux machines de 50 kW et que 30 kW soient demandés. Il est possible de faire fonctionner une machine à 30 kW ou de faire fonctionner les deux machines à 15 kW. Dans le système GHEtool, c'est toujours la deuxième option qui est choisie. Pour les puissances inférieures à 30 kW, une seule machine est active.

Simulation avec une pompe à chaleur modulante

Afin d'illustrer les informations supplémentaires que vous pouvez obtenir en travaillant directement avec un jumeau numérique de pompe à chaleur, différents scénarios sont simulés dans GHEtool.

Base de référence

Pour illustrer l'importance de travailler avec des pompes à chaleur modulantes, nous avons simulé un système géothermique avec une demande de pointe en chauffage de 100 kW et 200 MWh par an, et 40 kW en refroidissement avec 40 MWh par an, en utilisant une pompe à chaleur HP500 d'Enrad d'une puissance de 111 kW. Dans un premier temps, nous avons consulté la valeur officielle SCOP B0/W35 de 3,41 et avons simulé notre champ de forage en utilisant cette valeur. Le profil de température, qui servira de référence, est donné ci-dessous.

La température moyenne minimale du fluide est de -0,41°C, ce qui est légèrement inférieur à notre limite de conception de 0°C.

Pompe à chaleur simple

A titre de comparaison, sélectionnons maintenant la pompe à chaleur HP500 directement dans la liste et simulons notre champ de forage en l'utilisant. Le nouveau profil de température est illustré ci-dessous.

Une chose qui est immédiatement claire est que la température baisse encore à -1,47°C. Cela s'explique par le fait que notre SCOP calculé n'est pas le 3,41 officiel mais 4,62 dans ce cas, soit une augmentation de 35%. Bien entendu, cela a également une influence sur le déséquilibre, qui est passé de 99 MWh par an à 115 MWh par an d'extraction nette, ce qui a finalement conduit à des températures plus basses. L'impact de la tendance à la baisse des températures sur l'efficacité des pompes à chaleur est également clairement visible dans le graphique ci-dessous.

Avec la baisse des températures, la capacité de la pompe à chaleur diminue également. Dans ce cas, la pompe à chaleur n'est pas en mesure de répondre entièrement à la demande du bâtiment au cours de la dernière année, puisqu'à -1,47°C, elle ne peut fournir qu'environ 93 kW. Dans GHEtool, cette situation est représentée par un “manque de puissance”.

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Dans ce cas, ce n'est pas vraiment un problème puisque les 7 kW manquants ne se produisent que pendant une heure de la période de simulation. Cependant, comme vous êtes désormais limité à la capacité maximale d'une machine, il peut arriver que la première fois que vous essayez cette méthode, vous vous rendiez compte que votre sélection de pompe à chaleur est beaucoup trop petite ou peut-être trop conservatrice.

Deux pompes à chaleur en cascade

La simulation ci-dessus a été réalisée avec une seule pompe à chaleur HP500, d'une puissance de 111 kW, qui semblait suffisante, mais peut-être un peu trop petite. Dans cette deuxième variante, nous avons donc choisi deux machines HP300 plus petites, d'une puissance de 60 kW chacune, ce qui donne une puissance totale disponible de 120 kW, soit un peu plus que dans notre cas précédent. Lorsque nous simulons notre champ de forage avec ces machines, la courbe d'efficacité se présente comme suit.

Nous observons toujours cette tendance à la baisse, mais l'efficacité globale du système est maintenant de 4,9 au lieu de 4,62 avec notre seule pompe à chaleur, soit une augmentation de l'efficacité de 6%. Cependant, nos températures sont, toujours en raison de l'efficacité plus élevée, un peu plus basses, atteignant maintenant -2,05°C.

Champ de forage plus profond

Comme troisième variante, nous allons modifier la conception de notre champ de forage afin de rester au-dessus de notre seuil minimum de 0°C. Par conséquent, au lieu de travailler avec 20 trous de forage de 150 m, nous allons passer à 10 trous de forage de 300 m, ce qui nous permettra d'obtenir une température du sol non perturbé nettement plus élevée. Avec les deux mêmes machines HP300 sélectionnées, le profil de température est illustré ci-dessous.

Comme vous pouvez le constater, les températures moyennes du fluide sont maintenant beaucoup plus élevées, au point que le champ de forage est en fait surdimensionné, avec un minimum de 3,16°C. Cette température plus élevée est également bénéfique pour l'efficacité de la pompe à chaleur, qui a maintenant une moyenne de SCOP de 5,39 sur l'ensemble de la période de simulation. Ainsi, en modifiant notre conception, notre efficacité a augmenté de 10% par rapport au dernier scénario.

Quelle est la prochaine étape ?

Cependant, bien qu'aujourd'hui marque la fin de notre processus en trois étapes visant à rendre le GHEtool nettement plus précis pour la conception de champs de forage géothermiques peu profonds anno 2026, ce n'est pas la fin de la route. De nombreuses autres améliorations de la précision sont prévues en général, mais en ce qui concerne les pompes à chaleur modulantes, les mesures suivantes ont déjà été prises.

• Comme nous l'avons mentionné, l'utilisation de pompes à chaleur modulantes n'est actuellement possible qu'avec un profil de charge horaire, car le modèle a besoin de connaître la puissance à chaque heure pour calculer l'efficacité respective et la charge au sol correspondante. Nous étudions actuellement la possibilité d'étendre cette possibilité à des charges purement mensuelles. En attendant, vous pouvez utiliser la fonction intégrée de GHEtool pour générer un profil de charge horaire vous-même.

• Actuellement, les pompes à chaleur modulantes ne sont pas compatibles avec les méthodes d'optimisation de la puissance, de l'énergie et du bilan, car elles suivent une stratégie différente. D'une part, vous disposez de méthodes d'optimisation qui déterminent pour vous la puissance requise de votre pompe à chaleur géothermique et, d'autre part, lorsque vous travaillez avec des pompes à chaleur modulantes, vous sélectionnez directement vos machines. Nous travaillons sur une méthode améliorée dans laquelle vous pouvez sélectionner un certain nombre de machines et un algorithme déterminera celle ou la combinaison de machines dont vous avez besoin.

• Un autre aspect important est la température du condenseur. Actuellement, le chauffage est toujours fourni à 35°C et l'eau chaude sanitaire à 55°C, mais il y a bien sûr aussi des projets où 45°C sont nécessaires pour le chauffage ou où cette température d'émission varie dans le temps. Ceci sera mis en œuvre dans une autre mise à jour afin que vous, notre utilisateur, puissiez concevoir avec encore plus de précision.

En plus de ces améliorations de modèles, nous sommes en discussion avec de nombreux fabricants pour mettre en œuvre leurs machines en GHEtool également. Si vous êtes vous-même fabricant, n'hésitez pas à nous contacter via info@ghetool.eu.

Conclusion

Dans cet article, nous avons présenté la nouvelle fonctionnalité révolutionnaire permettant de travailler avec des pompes à chaleur modulantes directement dans GHEtool Cloud. Cela vous permet non seulement d'avoir une meilleure idée de l'efficacité réelle de votre système (dans l'exemple ci-dessus, une amélioration de 58% par rapport aux données officielles de SCOP a été obtenue), mais aussi de voir l'effet des variations de conception sur les performances du système, telles que la profondeur de forage ou le nombre de machines.

Avec cette mise en œuvre, la pierre angulaire de nos trois caractéristiques révolutionnaires, à savoir les propriétés variables des fluides, la modulation des débits et la modulation des pompes à chaleur, est achevée. Toutefois, il ne s'agissait que d'un cadre pour d'autres innovations. Abonnez-vous à notre lettre d'information si vous ne voulez rien manquer, ou essayez le GHEtool dès aujourd'hui.

Références

• Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.
• Peere, W. (2025). Intégration de la température et du COP dépendant de la charge partielle dans le champ de forage géothermique peu profond Design. In Actes du congrès allemand sur la géothermie DGK 2025. Francfort (Allemagne), 18-20 novembre 2025.
• Pour plus d'informations sur les pompes à chaleur modulantes d'Enrad, cliquez sur ici.