Les systèmes hybrides, et en particulier les systèmes géothermiques hybrides, sont un moyen éprouvé et efficace de chauffer et de climatiser durablement les bâtiments. En combinant une conception intelligente du champ de forage avec d'autres technologies (telles qu'une pompe à chaleur air/eau ou des capteurs solaires thermiques), vous pouvez obtenir des performances optimales pour l'ensemble de votre système CVC. Dans cet article, nous approfondirons les concepts de systèmes hybrides et de potentiel géothermique, en explorant en détail comment vous pouvez utiliser GHEtool Cloud pour votre prochain projet géothermique.
!Note
Cet article s'appuie sur les sujets introduits dans les parties 1 et 2 de cette série, où divers concepts importants ont été abordés. Si vous n'avez pas encore lu ces articles, vous pouvez les trouver ici : article 1 et article 2.
L'étude de cas : un bâtiment multi-utilitaire
Les systèmes géothermiques hybrides sont particulièrement avantageux pour les grands bâtiments (ou groupes de bâtiments) dont la demande de chauffage ou de refroidissement est élevée. L'étude de cas présentée dans cet article est basée sur un projet réel, qui a une demande de chauffage de 536 kW et une demande de refroidissement de 676 kW, avec une demande d'énergie annuelle de 643 MWh et 267 MWh, respectivement. Si nous devions utiliser une solution géothermique 100% pour ce bâtiment, nous aurions besoin d'un champ de forage de 130 trous, mais les contraintes d'espace ne permettent que 90 trous. Par conséquent, un système hybride est nécessaire.
Si vous souhaitez suivre et concevoir vous-même le système hybride, les paramètres de conception sont indiqués ci-dessous. Toutes les valeurs qui ne sont pas explicitement mentionnées sont supposées être les valeurs par défaut de GHEtool Cloud :
- Charge horaire du bâtiment (téléchargement ici)
!Attention
Cette méthode nécessite un profil de charge horaire pour la demande de votre bâtiment. À l'heure actuelle, il n'est pas encore possible d'effectuer la même analyse en utilisant des profils de charge mensuels.
- Généralités :
- Période de simulation : 40 ans
- Le sol :
- Conductivité thermique : 1,9 W/(mK)
- Lieu : ‘BEL-Antwerpen’ (Belgique)’
- Borefield :
- Espacement : 6 m (en longueur et en largeur)
- Profondeur d'enfouissement : 0,7 m
- Profondeur du forage (par rapport à la profondeur enterrée) : 150 m
- Demande thermique :
- SCOP : 5 / SEER : 20 (refroidissement passif/libre)
!Attention
Cet article utilise la fonction ‘optimiser le profil de charge’, qui n'est disponible que pour les utilisateurs disposant d'une licence d'optimisation. Si vous souhaitez utiliser cette méthode, vous pouvez soit mettre à niveau un projet spécifique vers cette offre groupée, soit mettre à niveau l'ensemble de votre licence dans le tableau de bord d'administration de votre compte. Pour plus d'informations, veuillez vous référer à notre page de tarification.
Design votre système hybride
1TP5La conception d'un système géothermique hybride est toujours un processus itératif. Vous devez continuellement ajuster votre conception jusqu'à ce que vous obteniez un système optimal pour votre situation, que ce soit en fonction de paramètres économiques ou de la nécessité d'une installation de secours. Pour ce projet, les scénarios suivants ont été calculés à l'aide de GHEtool Cloud et seront brièvement discutés ci-dessous.
Optimiser la puissance - champ de forage 10×9
Dans un premier temps, toutes les informations ont été saisies dans GHEtool Cloud afin de concevoir le système hybride pour une puissance maximale. Cette approche est recommandée pour les raisons suivantes
- C'est la méthode la plus rapide.
- Il fournit une première estimation du potentiel géothermique sans surestimer la puissance totale installée.
Le système résultant a atteint une part d'énergie géothermique de 78% pour les demandes de chauffage et de refroidissement, avec des capacités installées de 178 kW et 247 kW, représentant 46% de la puissance totale de chauffage et 26% de la demande de pointe de refroidissement.
Optimiser la puissance - champ de forage 9×9
L'étape suivante consiste généralement à réduire la taille de votre champ de forage (en économisant sur les coûts d'investissement) et à évaluer l'effet sur votre part géothermique. Pour ce projet, nous avons réduit la taille de 9 trous de forage pour créer un champ de forage de dimensions 9×9. Une fois de plus, l'optimisation de la puissance a abouti à un système hybride avec une part d'énergie géothermique de 74% et 73% pour 160 kW et 224 kW installés, respectivement. La part obtenue n'est que légèrement inférieure à celle de notre scénario précédent (nous ne perdons qu'environ 4%), alors que la taille de notre champ de forage a été réduite de 10% ! D'un point de vue économique, il s'agit là d'un compromis intéressant.
Optimiser la puissance - champ de forage 9×8
Lorsque nous réduisons encore la taille de notre champ de forage, nous observons une nouvelle baisse de la part de l'énergie géothermique - 68% et 70% pour le chauffage et le refroidissement, respectivement. Bien que nous n'ayons supprimé que 9 forages (contre 10 dans le scénario précédent), notre part d'énergie géothermique pour ce projet diminue de manière significative. Cela s'explique par la courbe de durée de charge présentée ci-dessous.
Comme vous pouvez le constater, notre puissance de chauffage installée de 202 kW a déjà un nombre important d'heures de pleine charge. Par conséquent, la réduction de la taille du champ de forage (qui entraîne une diminution de la puissance de chauffage géothermique) a un impact immédiat sur la part de l'énergie géothermique.
Conclusion optimiser la puissance
Pour ce projet - bien que cela dépende fortement de votre cas spécifique - le système hybride avec un champ de forage de 9×9 semble être idéal pour notre situation, offrant un bon équilibre entre la taille du champ de forage et la part d'énergie géothermique. Cependant, comme vous pouvez le voir sur le profil de température résultant de ce scénario, il existe encore un potentiel énergétique considérable inexploité, tant pour le chauffage que pour le refroidissement. Nous pourrons exploiter davantage ce potentiel dans nos futurs scénarios.
Optimiser l'énergie - Champ de forage 9×9
Après avoir exploré différents systèmes hybrides à l'aide de l'option ‘optimiser le profil de charge - puissance’, vous pouvez affiner votre profil en optimisant l'énergie. Pour ce faire, l'algorithme (comme expliqué dans notre article précédent) installe des capacités de chauffage et de refroidissement supplémentaires afin de maximiser la part d'énergie géothermique sur l'ensemble de la période de simulation. Il en résulte une part d'énergie géothermique de 84% et 92% pour le chauffage et le refroidissement, respectivement, avec une capacité installée de 509 kW et 342 kW.
Comme le montre le profil de température ci-dessous, cette capacité installée supplémentaire exploite pleinement le potentiel d'énergie géothermique restant, garantissant que le champ de forage atteindra ses limites de température chaque année de sa période d'exploitation. Cependant, avec cette conception de système hybride, il y a un surdimensionnement significatif de la capacité totale installée, puisque nous avons maintenant 790 kW installés pour le chauffage (au lieu des 536 kW requis) et 845 kW pour le refroidissement (au lieu des 676 kW requis). Il est donc considéré comme une bonne pratique d'examiner si la limitation de la capacité géothermique installée aurait un impact significatif sur les performances globales du système.
Optimiser l'énergie - Champ de forage 9×9 (350 kW)
Si nous réduisons la capacité géothermique installée pour le chauffage à 350 kW (en supposant un refroidissement passif pour le système de refroidissement, où le surdimensionnement de l'échangeur de chaleur passif n'est pas une préoccupation majeure), notre profil de température ci-dessous montre qu'il y a encore un certain potentiel d'énergie géothermique disponible au cours des quatre premières années d'exploitation. Ceci peut également être observé dans le graphique de contribution géothermique.
Comme le montre la figure ci-dessous, la capacité de chauffage géothermique fournie par le champ de forage reste constante pendant les quatre premières années de la période de simulation, après quoi elle diminue en raison du déséquilibre du système. Comme toujours, la capacité diminue plus rapidement que l'énergie de base, puisque les charges de pointe les plus élevées ne représentent qu'un faible pourcentage de la demande énergétique totale, comme le montrent clairement les courbes de durée de charge.
Enfin, lorsque nous examinons la part de l'énergie géothermique sur l'ensemble de la période de simulation, nous obtenons pratiquement la même part d'énergie géothermique qu'auparavant (c'est-à-dire 83,4% au lieu de 83,6% pour le chauffage et 92,2% au lieu de 92,3% pour le refroidissement), mais avec une capacité géothermique installée de 150 kW de moins pour le chauffage. Par conséquent, ce système sera toujours plus rentable à installer sans compromettre les performances.
Optimiser l'énergie - Champ de forage 9×9 (250 kW)
Comme dernière étape du processus d'optimisation, nous avons cherché à savoir si une réduction supplémentaire de la puissance installée de la pompe à chaleur géothermique à 250 kW serait bénéfique. En examinant le profil de température ci-dessous, on constate que le potentiel énergétique restant est relativement élevé. C'est un peu normal, car l'algorithme proposait à l'origine une puissance de 509 kW pour atteindre la part maximale d'énergie, alors que nous ne travaillons plus qu'avec 250 kW.
Si nous examinons le graphique de la contribution géothermique, nous remarquons quelque chose de très intéressant. Il apparaît que la capacité installée de 250 kW peut être fournie de manière cohérente tout au long de la période de simulation, tout comme lors de l'optimisation de la puissance mentionnée plus haut. Cependant, lors de l'optimisation de la puissance, nous ne pouvions atteindre que 224 kW, alors que nous avons maintenant 250 kW. Cette différence est due à la réduction du déséquilibre, car nous injectons beaucoup plus de chaleur dans le sol grâce à la part de refroidissement plus élevée (90% contre 74%). Cela réduit le déséquilibre moyen du sol de -166 MWh/an à -148 MWh/an, créant ainsi plus d'opportunités pour le chauffage.
Enfin, si nous examinons la part de la géothermie, nous obtenons 78% pour le chauffage et 90% pour le refroidissement, sans surdimensionnement de la capacité de chauffage installée. Il s'agit d'un résultat très intéressant, car en installant davantage de systèmes de refroidissement passifs - dont le coût est relativement faible - nous pouvons augmenter la part de la géothermie de 73% à 78% pour le chauffage et de 74% à 90% pour le refroidissement, tout en utilisant le même champ de forage.
Conclusion
Il n'existe pas de réponse définitive à la question de savoir quel est le meilleur système géothermique hybride, car cela dépend en grande partie d'une série de facteurs. C'est pourquoi il est toujours utile de comparer différents scénarios côte à côte. Dans l'article ci-dessus, nous avons fourni un exemple dans lequel nous avons commencé par optimiser la puissance, en réduisant progressivement la taille du champ de forage jusqu'à ce que nous trouvions un équilibre optimal entre la taille du champ de forage et la part géothermique. En optimisant ensuite l'énergie, nous avons encore amélioré la conception de notre système hybride initial, en augmentant la part de la géothermie. GHEtool Cloud est parfaitement adapté pour vous aider à concevoir des projets aussi complexes.
Dans la section suivante, nous évaluerons les aspects économiques de ces différentes conceptions et nous montrerons comment vous pouvez déterminer l'option la plus appropriée pour votre projet spécifique.