Auparavant, toutes les températures des fluides dans GHEtool Cloud correspondaient à la moyenne des températures d'entrée et de sortie. Dans notre dernière mise à jour, nous avons ajouté la possibilité d'utiliser directement les températures d'entrée ou de sortie. Découvrez tout ce qu'il faut savoir à ce sujet dans cet article !
Profils de température dans GHEtool
Lorsque vous concevez un champ de forages, vous souhaitez maintenir les températures du fluide dans certaines limites, qui peuvent varier en fonction de votre région, de votre projet, du type d’antigel utilisé, etc. Historiquement, les températures du fluide indiquées dans les profils de température (comme, par exemple, celui ci-dessous) correspondaient aux températures moyennes à l’entrée et à la sortie du champ de forages. Cette définition est également utilisée par d'autres logiciels de conception géothermique, tels que Earth Energy Designer.
Si la température moyenne du fluide est si couramment utilisée, c'est en raison de son lien direct avec la notion de résistance thermique effective du puits (pour plus d'informations, voir cet article). Pour résumer, la résistance thermique effective du forage est définie comme la résistance au transfert thermique en régime permanent entre la température moyenne de la paroi du forage (la moyenne sur l'ensemble de la paroi du forage) et la température moyenne du fluide (la moyenne de tout le fluide présent à l'intérieur du forage).
Au cours de la simulation, la température de la paroi du forage est d’abord calculée à partir des charges mensuelles (ou horaires) d’extraction et d’injection, ainsi que des fonctions g (pour plus d’informations, voir cet article). Une fois la température de la paroi du forage connue, la résistance thermique effective du forage est calculée à partir des propriétés variables du fluide et du débit. À partir de ces deux résultats, la température moyenne du fluide peut être calculée directement en fonction de la définition de la résistance thermique du forage.
Cependant, comme le débit est également connu (qu'il soit constant ou variable), la différence de température entre l'entrée et la sortie du champ de forage est elle aussi connue, d'après la formule suivante :
$$\dot{Q}=\dot{m}C_p\Delta T$$
où $\dot{Q}$ représente la puissance d'extraction/d'injection (kW), $\dot{m}$ représente le débit massique (kg/s) traversant le champ de forage, $C_p$ est la capacité thermique spécifique du fluide (kJ/(kg·K)), et $\Delta T$ est la différence de température entre l'entrée et la sortie du champ de forage.
Comme on connaît la température moyenne du fluide, ainsi que le débit massique, la puissance et la capacité thermique spécifique (pour chaque mois/heure), il est également possible de calculer les températures d'entrée et de sortie. Cela nous permet d'utiliser n'importe laquelle des trois températures du fluide disponibles dans GHEtool, chacune d'entre elles fournissant des informations différentes.
!Note
Le calcul de la température du fluide dans GHEtool repose actuellement sur le modèle traditionnel en régime permanent de la résistance thermique effective du forage. Cependant, comme indiqué précédemment, ce modèle présente certaines limites liées au comportement transitoire à court terme du système. Des travaux de recherche sont actuellement menés en collaboration avec des universités afin de déterminer comment y remédier dans une future mise à jour.
Trois températures de fluide
Pour l'instant, trois températures de fluide peuvent être simulées dans GHEtool : la température moyenne du fluide, la température du fluide à l'entrée et la température du fluide à la sortie. Ces trois températures sont brièvement présentées ci-dessous.
!Note
Si la température moyenne du fluide peut également être calculée à partir d'une résistance thermique effective du puits, mesurée et constante, cela n'est pas possible pour les températures du fluide à l'entrée et à la sortie, car celles-ci sont calculées à partir du débit.
Température moyenne du fluide
La température moyenne du fluide est la température la plus simple à utiliser, en raison de son lien direct avec la température de la paroi du forage. L'avantage est qu'elle fait abstraction d'une partie de l'effet du débit (bien que celui-ci soit pris en compte via la résistance thermique du puits), ce qui signifie que, que le régime d'écoulement soit de 3 °C/0 °C ou de 5 °C/−2 °C, la température moyenne du fluide est toujours de 0 °C. Cela signifie toutefois que si l’on souhaite contrôler les températures minimales et maximales absolues du fluide, la température moyenne du fluide n’est pas directement adaptée.
Température du fluide à l'entrée
La température du fluide à l'entrée correspond à la température à laquelle celui-ci pénètre dans le champ de forage ; on peut la considérer comme la température du fluide dans le scénario le plus défavorable, puisqu'elle est toujours la plus basse lors de l'extraction et la plus élevée lors de l'injection. Cela s'explique par le fait que le fluide entrée dans le champ de forage c'est aussi le fluide en quittant la pompe à chaleur. Lorsque votre pompe à chaleur chauffe le bâtiment, elle extrait de l'énergie du circuit primaire, ce qui signifie que le fluide à la sortie de la pompe à chaleur est le plus froid de tout le circuit (et inversement pour le refroidissement/l'injection).
Si vous souhaitez imposer des limites strictes aux températures de votre champ de forage, les contraintes relatives à la température du fluide à l'entrée vous permettront de couvrir pratiquement toutes les températures possibles, garantissant ainsi qu'aucune de ces limites ne sera dépassée.
Température du fluide en sortie
La température du fluide à la sortie, enfin, correspond à la température à la sortie du champ de forages et représente la température optimale du fluide. Lors de l'extraction, un fluide froid est injecté dans le champ de forage et est réchauffé par le sol, ce qui se traduit par une température plus élevée à la sortie du champ de forage. De même, lors de l'injection, un fluide chaud est injecté dans le champ de forage, où il se refroidit, ce qui entraîne une température plus basse du fluide à la sortie.
Cette température du fluide en sortie peut s'avérer utile lors du choix d'une pompe à chaleur adaptée, car la puissance que celle-ci peut fournir dépend de la température à l'entrée de son évaporateur (ou de son condenseur, dans le cas d'un refroidissement actif). Si votre appareil dispose d’une puissance nominale à une température d’entrée de la pompe à chaleur de 0 °C et que c’est le seul critère qui vous importe, vous pouvez effectuer votre dimensionnement en vous basant sur la température du fluide en sortie.
Exemple dans GHEtool Cloud
Désormais, dans l'onglet ‘ Général ’ des paramètres de simulation, vous pouvez choisir laquelle des trois températures de fluide vous souhaitez utiliser pour votre conception. Si vous sélectionnez Entrée, toutes les températures des fluides concernées seront redéfinies comme des températures d'entrée des fluides.
!Note
Lorsque vous utilisez un refroidissement actif et passif, le seuil de température reste défini en fonction de la température moyenne du fluide.
Dans le profil de température ci-dessous, une simulation est réalisée avec quatre forages de 100 m et un débit variable, avec une différence de température constante de 3 °C entre l'entrée et la sortie du forage. On constate qu’avec une température moyenne minimale du fluide de 0,46 °C, le fluide reste largement dans les limites. Cependant, comme mentionné précédemment, cela ne signifie pas que la température minimale absolue du fluide ne franchit pas le seuil de 0 °C. Par conséquent, une simulation utilisant la température du fluide à l’entrée est réalisée.
Lorsque la même simulation est effectuée en utilisant les températures du fluide à l'entrée, la température du fluide chute alors à −1,04 °C. Comme mentionné précédemment, les températures d'entrée sont toujours les plus basses du système ; ainsi, même si la température moyenne du fluide est positive, la température d'entrée peut tout de même être négative. Si vous souhaitez que votre température minimale absolue (et inversement, votre température maximale) reste dans certaines limites, veuillez vous baser sur les températures du fluide à l'entrée.
Enfin, les températures du fluide en sortie sont indiquées ci-dessous. Elles ne descendent qu'à 1,96 °C et constituent donc les valeurs les plus optimistes.
Bien sûr, le choix de températures de fluide différentes peut également entraîner une conception différente. Si le réseau de forages ci-dessus était dimensionné en fonction de chacune de ces trois températures, les longueurs de forage requises seraient respectivement de 381 m, 434 m et 338 m. Cela montre qu’une conception basée sur la température du fluide à l’entrée conduit au champ de forages le plus étendu, tandis qu’une conception basée sur la température du fluide à la sortie conduit au champ de forages le plus restreint, ce qui correspond à ce qui a été exposé plus haut.
Conclusion
Cet article aborde les trois températures différentes du fluide (moyenne, à l'entrée et à la sortie). La température moyenne du fluide est généralement utilisée dans la conception d'un champ de forages, car elle est directement liée à la température de la paroi du forage par le biais de la résistance thermique effective du forage. Cependant, elle ne garantit pas que les températures absolues minimale et maximale du fluide se situent dans les limites autorisées. Pour garantir cela, il convient d’utiliser les températures du fluide à l’entrée. Les températures du fluide à la sortie peuvent être utilisées pour garantir que la pompe à chaleur est capable de fournir sa puissance nominale.
Ceci a également été illustré par un exemple présenté dans le document GHEtool, où une conception basée sur la température du fluide à l'entrée a conduit à la plus grande taille de champ de trous requise, garantissant ainsi que toutes les températures du fluide restent dans les limites fixées.
Références
- Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.