Systèmes hybrides (partie 2) - méthodologie de conception

Les systèmes hybrides représentent une solution potentielle pour répondre à la nature de plus en plus complexe des projets géothermiques. Les bâtiments multi-utilitaires et les projets de chauffage urbain de 5ème génération ont souvent des demandes de chauffage et de refroidissement très élevées, ce qui donne une importance significative à la conception du champ de forage géothermique. Dans le premier article de cette série sur la conception des systèmes hybrides (géothermiques), nous nous sommes concentrés sur la question ‘qu'est-ce qu'un système hybride’ et sur le lien avec le thème du ‘potentiel géothermique’. Ce deuxième article présente deux méthodes différentes de dimensionnement d'un tel système hybride.

!Note
Cet article approfondit les thèmes développés dans la première partie de cette série. Si vous n'avez pas lu le premier article, vous pouvez le consulter ici.

Pourquoi opter pour un système hybride ?

Comme nous l'avons vu dans la première partie, les systèmes hybrides combinent plusieurs technologies pour répondre à la demande de chauffage et de refroidissement des bâtiments. Dans le domaine de la géothermie, il peut s'agir de diverses combinaisons telles que des pompes à chaleur géothermiques (PCS) avec des pompes à chaleur aérothermiques (PAC), des PCS avec des capteurs solaires thermiques, ou des PCS avec des PAC et des refroidisseurs secs. Le choix des technologies dépend du bâtiment en question.

Il existe différentes raisons d'opter pour un système hybride :

1. Minimiser ou optimiser le coût de l'investissement.
2. Pour obtenir une conception plus robuste et plus durable.

Les différentes technologies ont des atouts différents. Les champs de forage géothermiques offrent généralement une grande efficacité opérationnelle, ce qui permet de réduire les coûts d'exploitation. Cependant, les champs de forage sont souvent la partie la plus coûteuse du système, et il est donc essentiel d'éviter de les surdimensionner. En revanche, d'autres technologies, comme les pompes à chaleur, peuvent avoir des coûts d'investissement plus faibles mais une efficacité opérationnelle moindre. Une conception hybride permet de dimensionner chaque élément du système de manière à tirer parti des atouts de toutes les technologies.

Le défi : concevoir un système hybride

L'article précédent présentait les principales difficultés de conception des systèmes hybrides : “Si j'ai x forages, quelle part géothermique puis-je obtenir ?” Cette question était liée au concept de potentiel géothermique. En général, il y a deux cas extrêmes à la réponse ci-dessus :

• Vous dimensionnez votre champ de forage de manière à ce qu'il n'y ait pas de potentiel d'alimentation.
  (mais il reste un potentiel d'énergie).
• Vous dimensionnez votre champ de forage de manière à ce qu'il ne reste aucun potentiel géothermique.

La première option, comme nous l'avons vu la dernière fois, nous donnera un système sans surdimensionnement et donc le coût d'investissement le plus bas. Le second système, en revanche, aura un coût d'investissement plus élevé (en raison d'une capacité totale installée plus importante), mais aura un coût d'exploitation plus faible. Avant de pouvoir aborder les questions économiques, nous devons comprendre comment un champ de forage peut être conçu de manière à ce qu'il n'ait pas de potentiel énergétique ou pas de potentiel géothermique du tout. Cela sera expliqué dans cet article, respectivement dans la méthodologie ‘optimiser pour une puissance géothermique maximale’ et ‘optimiser pour une énergie géothermique maximale’, chacune expliquée ci-dessous.

Optimiser la puissance

Lorsque vous choisissez d'optimiser la puissance, votre objectif de conception est le suivant

Pour maximiser la puissance que vous pouvez (pendant le refroidissement) injecter dans le sol ou (pendant le chauffage) extraire du sol à tout moment.

L'optimisation avec cet objectif garantit que si nous installons x kW de chauffage ou de refroidissement géothermique, nous pouvons être sûrs que notre champ de forage fournira ces x kW à chaque instant de notre période de simulation (à condition que nos hypothèses de charge soient exactes). Nous savons donc que si la demande d'un bâtiment est de 100 kW et que nous installons x kW d'énergie géothermique, notre système hybride peut être conçu pour nous fournir (100-x) kW, puisque notre système géothermique est conçu pour nous fournir ces x kW.

Méthodologie

La méthodologie qui dimensionne ce système est la suivante :

1. Commencez par un profil de demande horaire de chauffage et de refroidissement et une conception de champ de forage fixe.
2. Calculer le profil de température horaire comme si 100% de la demande du bâtiment étaient placés sur le champ de forage.
3. Vous vérifiez si
   1. La température moyenne minimale du fluide est inférieure à un certain seuil. Si c'est le cas, la puissance d'extraction est trop élevée, il faut donc réduire la puissance de chauffage de pointe de x%. Si la température moyenne minimale du fluide est supérieure au seuil, le champ de forage peut supporter l'extraction et la puissance de chauffage de pointe peut rester inchangée.
   2. La température moyenne maximale du fluide dépasse un certain seuil. Si c'est le cas, la puissance d'injection est trop élevée, il faut donc réduire la puissance de refroidissement de pointe de x%. Si la température moyenne maximale du fluide est inférieure au seuil, le champ de forage peut supporter l'injection et aucune modification n'est nécessaire.
4. Si les deux températures de l'étape (3) sont dans les limites, la charge géothermique et hybride est déterminée et vous pouvez passer à l'étape (7). Dans le cas contraire, passez à l'étape (5).
5. Recalculer la charge horaire du champ de sondes en utilisant les nouvelles puissances maximales de pointe pour le chauffage et le refroidissement déterminées à l'étape (3). Rediriger la puissance ou l'énergie qui ne peut être traitée par le champ de forage vers les technologies hybrides.
6. Recalculer le profil horaire de la température et revenir à l'étape (3).
7. Terminé

Exemple

En appliquant cette méthodologie à un bâtiment multi-utilitaire plus important avec des demandes de pointe de 536 kW pour le chauffage et de 676 kW pour le refroidissement, soutenu par 80 puits de forage, nous arrivons aux chiffres ci-dessous.

!Note
Cet article se concentre sur la méthodologie elle-même. Dans un prochain article, nous approfondirons la conception pratique de systèmes hybrides à l'aide de GHEtool Cloud.

La courbe de durée de charge ci-dessus illustre les demandes de chauffage et de refroidissement du bâtiment, la zone hachurée représentant la partie de la charge qui peut être couverte par la géothermie. Dans ce cas, nous pouvons installer 259 kW de puissance de chauffage géothermique et 169 kW de puissance de refroidissement géothermique, en veillant à ce que ces capacités puissent être échangées en permanence avec le sol. Le reste des besoins en électricité et en énergie doit être couvert par des technologies hybrides.

!Note

Cette méthodologie ne spécifie pas la configuration de la technologie hybride, car cela sort du cadre de la conception géothermique. Cette flexibilité permet à la méthode d'optimisation de s'adapter à différents scénarios.

En examinant le profil de température ci-dessus, nous observons que les limites minimales et maximales de la température moyenne du fluide sont atteintes. Cela indique que l'installation d'une puissance supplémentaire pour le chauffage ou le refroidissement dépasserait ces seuils. Le profil obtenu est donc effectivement optimisé pour une puissance maximale. Pour plus de détails sur les profils de température, voir notre article sur l'interprétation des profils de température.

Il convient toutefois de noter qu'une partie du potentiel géothermique reste inutilisée dans le cadre de cette approche d'optimisation. Au cours des dernières années d'exploitation, il existe une capacité importante d'injection de chaleur supplémentaire (c'est-à-dire de refroidissement), alors que dans les premières années, le champ de forage pourrait gérer une charge de chauffage plus élevée. Pour exploiter ce potentiel inutilisé, il faudrait optimiser la consommation d'énergie, ce qui sera abordé dans la section suivante.

Optimiser l'énergie

Lorsque vous choisissez d'optimiser l'énergie, votre objectif de conception est le suivant :

Pour maximiser l'énergie que vous pouvez (en cas de refroidissement) injecter ou (en cas de chauffage) extraire du sol pendant toute la période de simulation

L'optimisation avec cet objectif permet d'obtenir un système où, si nous installons x kW de capacité de chauffage ou de refroidissement géothermique, nous pouvons veiller à ce que le champ de forage fournisse la quantité maximale possible d'énergie de chauffage ou de refroidissement au fil du temps. Toutefois, cette approche ne ne garantit pas que le champ de forage fournira constamment x kW d'électricité à tout moment. Par conséquent, si vous avez un bâtiment avec une demande d'électricité de pointe de 100 kW et que vous installez x kW d'énergie géothermique, votre système hybride devrait être plus grand que (100-x) kW, car nous ne pouvons pas être sûrs de pouvoir obtenir cette énergie géothermique chaque année, et nous devons donc compenser cela en installant plus d'énergie hybride.

Méthodologie

La méthode d'optimisation de l'énergie diffère de l'approche utilisée pour l'optimisation de la puissance et se déroule comme suit :

1. Commencez par un profil de demande horaire de chauffage et de refroidissement et une conception de champ de forage fixe.
2. Convertir la charge horaire en charge mensuelle, en conservant la même demande d'énergie et les mêmes puissances de pointe pour chaque mois.
   !Note
   Bien qu'il soit théoriquement possible d'appliquer cette méthode directement avec une résolution horaire, il faudrait plusieurs heures pour la calculer sans améliorer significativement la précision.
3. Itérer à travers chaque mois (i) de la période de simulation, en effectuant les étapes suivantes :
   1. Calculer le profil de température mensuel
   2. Vérifier si :
      1. La température moyenne minimale du fluide pour le mois (i) est inférieure au seuil minimal. Si c'est le cas, la puissance d'extraction est trop élevée, il faut donc réduire la puissance de chauffage de pointe de x%, mais seulement pour le mois (i). Si la température est supérieure au seuil, le champ de forage peut supporter l'extraction, la puissance de chauffage de pointe reste donc inchangée pour le mois (i).
      2. La température moyenne maximale du fluide pour le mois (i) est supérieure au seuil maximal. Si c'est le cas, la puissance d'injection est trop élevée, il faut donc réduire la puissance de refroidissement de pointe de x%, mais seulement pour le mois (i). Si la température est inférieure au seuil, le champ de forage peut supporter l'injection, aucun ajustement n'est donc nécessaire pour le mois (i).
   3. Si toutes les températures des fluides sont dans les limites, déterminez la puissance de pointe et l'énergie correspondante que le champ de forage peut fournir pour le mois (i). La puissance et l'énergie restantes doivent être fournies par la solution hybride. Passez à l'étape (3.5).
   4. Si les températures des fluides sont en dehors des limites, ajuster la charge horaire pour l'aligner sur les nouvelles puissances de pointe déterminées à l'étape (3.2). Reconvertir la charge horaire en charge mensuelle et revenir à l'étape (3.1).
   5. Lorsque toutes les températures du mois (i) sont acceptables, passer au mois (i+1).
4. Terminé

Exemple

Si nous considérons le même projet avec 80 forages, nous pouvons augmenter la capacité géothermique installée à 536 kW pour le chauffage et à 388 kW pour le refroidissement. Cela nous permet d'extraire plus de chaleur du sol pendant les premières années (pour le chauffage) et d'injecter plus de chaleur dans le sol pendant les années suivantes (pour le refroidissement). Ce faisant, nous maximisons l'énergie totale échangée avec le champ de forage.

Cependant, contrairement au système hybride précédent, nous ne pouvons pas garantir que le champ de forage fournira toujours 536 kW pour le chauffage et 388 kW pour le refroidissement. La figure ci-dessous illustre la répartition des charges de chauffage et de refroidissement dans le temps. Comme on peut le voir, en raison du déséquilibre du système, la puissance de chauffage de base et la puissance de chauffage de pointe diminuent au cours de la durée de vie du champ de forage, tandis que la part du refroidissement augmente.

!Note
Il existe une différence essentielle entre les conceptions optimisées pour la puissance et celles optimisées pour l'énergie. Dans un système optimisé pour la puissance, le rendement géothermique annuel reste constant car la puissance maximale est toujours atteinte. À l'inverse, dans un système optimisé pour l'énergie, le rendement géothermique évolue au cours de la période de simulation, reflétant les variations des charges de chauffage et de refroidissement.

Comparaison

Les diagrammes circulaires ci-dessous illustrent le même concept. Dans les résultats de gauche, représentant le système hybride conçu avec l'option ‘optimisé pour la puissance’, environ 75-80% de la demande du bâtiment est satisfaite par le champ de forage. En revanche, le diagramme de droite, qui représente le système hybride conçu avec l'option ‘optimiser pour l'énergie maximale’, atteint une part de 95% d'énergie géothermique sur l'ensemble de la période de simulation, grâce à la puissance de pointe installée plus élevée. Cela signifie que notre système hybride, conçu avec un champ de forage optimisé pour l'énergie, aura probablement un coût d'exploitation plus faible, en raison de la part plus importante de l'énergie géothermique. D'autre part, comme vous pouvez le constater, la puissance totale installée dans ce cas est beaucoup plus importante (la pompe à chaleur géothermique est de 536 kW et ne représente que 2/3 de la puissance totale installée). Le coût d'investissement sera donc plus élevé que dans le cas d'un champ de forage optimisé pour la production d'électricité.

Conclusion

L'article ci-dessus décrit les fondements théoriques et la méthodologie de conception d'un système hybride. Une distinction a été faite entre les systèmes hybrides dont le champ de forage est conçu de manière à n'avoir aucun potentiel énergétique et les systèmes hybrides dont le champ de forage est dimensionné de manière à n'avoir aucun potentiel géothermique. Les méthodologies de conception ont été respectivement appelées ‘optimisation pour la puissance’ et ‘optimisation pour l'énergie’.

Dans la partie suivante, nous étudierons comment appliquer ces méthodologies de conception dans GHEtool Cloud pour un projet spécifique. En outre, nous approfondirons les stratégies visant à limiter la puissance géothermique de pointe afin d'éviter le surdimensionnement du système.

Références

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