Dans cet article, nous donnerons le dernier point de vue sur le débat tube en U simple ou double, à savoir les aspects pratiques. Par ailleurs, nous reviendrons sur les aspects thermiques et hydrauliques, mais nous nous intéresserons maintenant à des sondes innovantes telles que le Separatus, le TurboCollector et les sondes GEROtherm VARIO et FLUX.
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Si vous n'avez pas lu les deux articles précédents de cette série, vous pouvez trouver celui sur les aspects thermiques ici et celui sur les aspects hydrauliques ici.
Simple ou double ? Telle est la question
Dans le monde de la conception géothermique, peu de sujets semblent aussi sensibles ou susceptibles de susciter des débats que la question de l'utilisation d'un tube en U simple ou double. Au cours des deux dernières semaines, nous avons déjà exploré cette question sous l'angle de l'utilisation d'un tube en U simple ou d'un tube en U double. la perspective thermique, En ce qui concerne la résistance thermique effective du trou de forage, il s'agit d'une simulation de notre situation spécifique afin de savoir laquelle est la plus performante. Ici, nous avons constaté que nous devions simuler notre situation spécifique afin de savoir lequel des deux était le plus performant.
La semaine dernière, nous avons parlé de les aspects hydrauliques et quelle est la perte de charge d'un simple et d'un double U. Nous avons appris qu'à diamètre égal, un tube en U simple est toujours moins performant qu'un tube en U double. Lorsque nous avons comparé des tubes en U simples et doubles de diamètres différents, la situation s'est compliquée et des simulations spécifiques à chaque cas ont été nécessaires.
Aujourd'hui, nous examinons la dernière pièce du puzzle : les aspects pratiques ainsi que certains modèles de sondes innovants qui pourraient apporter une nuance supplémentaire au débat.
Aspects pratiques
De nombreux foreurs préfèrent travailler avec un tube en U simple plutôt qu'avec un tube en U double, pour diverses raisons que nous avons classées en deux catégories : les tubes en U simples sont moins chers et les sondes en U simples sont plus faciles à installer. Ces deux raisons sont expliquées ci-dessous.
Les tubes en U simples sont moins chers
Lorsque l'on compare les tubes en U simples aux tubes en U doubles, les tubes simples sont généralement moins chers, et ce pour plusieurs raisons :
- Comme nous n'avons que la moitié du nombre de sondes, le coût des matériaux pour les sondes est moins élevé.
- Comme les tubes en U simples ont un volume interne inférieur à celui des tubes en U doubles, nous pouvons également économiser sur la quantité d'antigel nécessaire pour le système.
- Le poids de contrepoids utilisé pour tirer les sondes vers le bas dans le trou de forage peut être plus petit pour un U simple que pour un double, car il y a moins de matériau PE à tirer vers le bas.
- Le nombre de soudures est également plus faible lorsque l'on utilise un tube en U simple au lieu d'un double, ce qui permet de gagner du temps et de réduire le coût des matériaux. En outre, comme il y a moins de soudures, le risque de fuites est également réduit.
Les tubes en U simples sont plus faciles à installer
Lors d'un forage, l'espace disponible pour installer une sonde géothermique est limité. Il n'est pas difficile d'imaginer que, compte tenu de l'espace disponible, il est plus facile de faire descendre deux tuyaux (c'est-à-dire un tube en U simple) dans le forage plutôt que quatre (pour un tube en U double). Dans le premier cas, il reste plus de place pour les tuyaux, ce qui signifie qu'ils descendent plus rapidement, ce qui réduit le temps d'installation et donc le coût de l'installation. En outre, le risque d'effondrement du trou de forage est moindre en raison de l'installation plus rapide, ce qui augmente les chances d'une bonne installation.
Enfin, comme il y a plus d'espace disponible dans le trou de forage, il est également plus facile de le remblayer avec du coulis, ce qui contribue au bon fonctionnement du système.
Conclusion aspects pratiques
Pour la première fois dans cette série, il semble y avoir un vainqueur clair. Lorsque l'on examine les raisons pratiques d'installer un tube en U simple ou un tube en U double, c'est le tube en U simple qui l'emporte haut la main.
Sondes spéciales
Pour terminer cette série, examinons de plus près quelques sondes innovantes ou spéciales et les (autres) idées qu'elles peuvent apporter au débat. Dans les sous-sections suivantes, nous aborderons le separatus, le TurboCollector et les sondes coniques GEROtherm VARIO et FLUX.
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Sauf indication contraire, on suppose dans cet article un tube DN32, un diamètre de forage de 140 mm avec une longueur de 100 m et un coulis avec une conductivité thermique de 1,5 W/(mK).
Séparation
Les separatus est un simple tuyau (DN50) dans lequel est installée une membrane (le séparateur). Grâce à cette membrane, le flux d'entrée et le flux de retour peuvent avoir lieu dans le même tuyau, ce qui rend l'installation encore plus facile que celle d'un simple tube en U, puisqu'il n'y a plus qu'un seul tuyau à descendre au lieu de deux.
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Si vous n'avez pas lu notre article sur le développement du modèle de la sonde separatus, vous pouvez le trouver ici.
La sonde separatus (telle qu'elle est décrite dans un article précédent) peut être comparée à un tube en U simple en termes de comportement thermique et hydraulique. La figure ci-dessous présente une comparaison de la résistance thermique effective du trou de forage d'un simple et d'un double DN32, ainsi que d'une sonde separatus.
Dans le graphique ci-dessus, il est clair que le separatus passe, tout comme le DN32 simple (bien qu'un peu plus tard), à un état turbulent plus tôt que son homologue double DN32. Cela réduit considérablement la résistance du trou de forage, mais pas suffisamment pour s'approcher des performances du tube en U simple, et encore moins de celles du tube en U double. La raison en est que le séparateur, étant donné que le fluide entrant et le fluide sortant sont proches l'un de l'autre, présente une résistance assez importante dans le coulis (comme on peut le voir sur l'illustration ci-dessous).
Lorsque le séparateur est installé dans un trou de forage plus petit, disons de 90 mm, la résistance du coulis est nettement plus faible, ce qui conduit au graphique révisé ci-dessous. Ici, on peut voir que la courbe entière est descendue lorsque l'on passe d'un diamètre de 140 mm à un diamètre de 90 mm, surpassant même le tube en double U dans une plage de débit comprise entre 0,27 et 0,48 l/s.
Lorsque nous examinons la perte de charge de ces différentes sondes, nous constatons que le séparateur se situe à mi-chemin entre une sonde simple DN32 traditionnelle et une sonde double.
TurboCollecteur
Notre prochaine sonde innovante est le TurboCollecteur de Muovitech. Il s'agit d'un tuyau lisse traditionnel dans lequel des ailettes tournées dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse sont installées pour augmenter les turbulences à un débit plus faible.
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Si vous n'avez pas lu notre article sur le développement du modèle du TurboCollector, vous pouvez le trouver ici.
Le graphique ci-dessous montre la résistance thermique effective du trou de forage pour le tube en U lisse simple et double DN32, ainsi que pour le TurboCollecteur simple DN32. Comme on peut le voir, les tubes lisses simples et le TurboCollecteur suivent des trajectoires similaires, le TurboCollecteur passant plus rapidement à un état turbulent (nombre de Reynolds de 1800 au lieu de 2300).
Le graphique ci-dessous montre également la perte de charge. Il est clair que le TurboCollector a un comportement hydraulique très similaire à celui de la conduite lisse, sauf dans la région où la conduite lisse est encore laminaire et où le TurboCollector est déjà en régime transitoire.
Une dernière comparaison peut être faite entre le TurboCollector double DN32 et le TurboCollector simple DN40. Dans le graphique ci-dessous, cette ligne est ajoutée du point de vue thermique.
On peut voir que ce TurboCollecteur DN40 surpasse l'option double DN32 lisse encore plus que la sonde DN32 normale. Cela s'explique par le fait qu'une sonde DN40 dispose d'une plus grande surface pour transférer la chaleur. L'inconvénient est que, comme nous avons maintenant un plus grand diamètre, la transition vers la turbulence commence à un débit légèrement plus élevé (environ 0,2 l/s au lieu de 0,17 l/s), de sorte que nous perdons une petite plage dans laquelle le tuyau simple (TurboCollector DN40) est plus performant que le tuyau double DN32.
L'autre avantage principal du passage d'un DN32 à un DN40 est clairement visible dans le graphique hydraulique. Comme nous l'avons vu dans notre article précédent,Le diamètre a un effet très important sur la perte de charge résultante, ce qui fait que le TurboCollecteur DN40 a presque la même perte de charge que l'alternative lisse DN32.
GEROtherm VARIO et FLUX
Les dernières sondes innovantes que nous souhaitons aborder dans cet article sont les sondes coniques. GEROtherm VARIO et FLUX de HakaGerodur. L'idée sous-jacente à ce tuyau est que l'épaisseur de la paroi, qui est requise pour une certaine pression nominale, n'est nécessaire qu'au fond du trou de forage, et non au sommet. Ils ont donc mis au point une conception conique qui présente, en moyenne, une épaisseur de paroi plus faible, ce qui réduit la perte de charge.
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Si vous n'avez pas lu notre article sur le développement du modèle des sondes GEROtherm VARIO et FLUX, vous pouvez le retrouver ici.!Note
Comme ces sondes coniques ont été développées pour des forages plus profonds, les hypothèses des graphiques suivants ont été modifiées pour une longueur de forage de 350 m, un diamètre de 170 mm et une classe de pression de PN32 (sauf indication contraire).
Le graphique ci-dessous montre la résistance thermique dans le trou de forage d'un tube en U simple et double DN40 comparée à celle d'une sonde FLUX DN43. Comme on peut le voir, en raison de son diamètre légèrement plus grand, la sonde FLUX commence la transition vers un régime turbulent un peu plus tard, comme l'indique le premier point de flexion. Le second se produit lorsque la partie supérieure (qui, en raison de sa conception conique, a un diamètre intérieur plus important) entre également dans la plage de flux transitoire.
On constate que la sonde FLUX présente de meilleures performances thermiques que l'alternative traditionnelle, car la conception conique permet d'obtenir une épaisseur moyenne de paroi légèrement inférieure, ce qui réduit la résistance conductrice à travers la paroi du tuyau. Entre 0,3 et 0,47 l/s (ainsi qu'à des débits très faibles), elle présente les meilleures performances thermiques.
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Comme ce trou de forage est beaucoup plus long, la forme générale du graphique est également différente et beaucoup plus raide dans le régime laminaire.
Le graphique hydraulique ci-dessous montre clairement que, grâce à sa conception conique, la perte de charge de la sonde FLUX simple DN43 est déjà proche de celle de l'option traditionnelle double DN40 PN32.
Si nous suivons la même approche que précédemment et que nous passons à un diamètre encore plus grand, à savoir une sonde FLUX PN38 DN53, nous obtenons un comportement thermique qui est à nouveau légèrement différent. En raison du diamètre plus grand, la transition vers la turbulence commence plus tard, ce qui fait que la plage dans laquelle le FLUX simple est plus performant que le double DN40 se réduit lorsque l'on passe d'un FLUX DN43 à un DN53. Cependant, les performances de ce tube plus grand sont très proches de celles d'un tube en U double à des débits plus élevés.
Le dernier graphique présente les performances hydrauliques de la sonde FLUX DN53. Il en ressort que cette solution est, pour tous les débits, celle qui présente la perte de charge la plus faible. Cela signifie que cette solution présente également une plage de débits pour laquelle elle est avantageuse sur le plan hydraulique et thermique par rapport aux doubles tubes en U DN40 traditionnels.
Conclusion
Cet article apporte une réponse définitive à la question suivante : quel est le meilleur tube en U, simple ou double ? D'un point de vue pratique, le tube en U simple a toujours été l'option préférée, en raison de son installation plus facile et probablement moins coûteuse.
Enfin, nous avons également pris en compte des conceptions de sondes innovantes telles que le separatus, le TurboCollector et les sondes VARIO et FLUX de GEROtherm. Une fois de plus, il est apparu clairement que le diamètre de la conduite, le débit et, dans le cas du separatus, le diamètre du trou de forage, jouent un rôle important dans la détermination de la solution la plus performante d'un point de vue thermique et hydraulique.
Après trois semaines de discussions sur ce sujet, il devrait être clair qu'il n'existe pas de solution miracle. Chaque projet est unique et nécessite donc ses propres simulations et considérations : pratiques, thermiques et hydrauliques. Nous espérons que cette série vous a donné un aperçu des différents points de vue et que vous avez maintenant quelques points de départ pour effectuer vos propres simulations et comparer différentes options de conception à l'aide de GHEtool Cloud.
Références
- Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.