L'une des questions centrales de la conception des champs de forage est la suivante : “Qu'est-ce qui est le mieux, un tube en U simple ou double ?” Dans cet article, nous commencerons à élucider ce mystère une fois pour toutes en examinant l'aspect thermique de la question.
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. Dès que vous commencez à répondre à cette question, vous vous retrouvez dans un trou de lapin avec des points de vue différents et des considérations surprenantes. S'agit-il d'aspects thermiques ou hydrauliques ? Qu'en est-il des aspects pratiques ou des sondes innovantes ? Peut-on tirer des conclusions générales ?
Dans cette série en trois parties, nous allons répondre à cette question une fois pour toutes. Aujourd'hui, nous nous concentrerons sur les aspects thermiques de cette comparaison. Dans les semaines à venir, nous aborderons les éléments hydrauliques et pratiques, ainsi que des conceptions de sondes uniques telles que le separatus, le TurboCollector et les sondes coniques comme les sondes GEROtherm VARIO et FLUX.
Aspects thermiques
Lorsque nous abordons les aspects thermiques de la question des tubes en U simples ou doubles, nous devons revenir sur notre discussion concernant la résistance thermique effective du trou de forage (que vous pouvez lire plus en détail dans la rubrique notre article thématique). Cette résistance quantifie la facilité avec laquelle la chaleur est transférée du fluide à la paroi du trou de forage et finalement au sol.
Une bonne résistance thermique des trous de forage peut vous être utile de deux manières :
- Vous pouvez réduire la longueur totale du forage, ce qui rend votre système plus abordable.
- Vous pouvez conserver la même conception mais fonctionner avec des températures moins extrêmes, ce qui améliore l'efficacité de votre système et réduit les coûts d'exploitation.
Vous trouverez ci-dessous une représentation graphique des différents éléments qui composent la résistance du trou de forage.
Dans notre discussion sur les tubes en U simples et doubles, le principal facteur est le transfert de chaleur par convection, en particulier la transition d'un écoulement laminaire à un écoulement turbulent. La résistance conductrice entre le tuyau et le coulis est également importante, étant donné qu'un tube en U double a une surface de transfert de chaleur deux fois supérieure à celle d'un tube en U simple et que, par conséquent, sa résistance sera plus faible.
Dans les sections suivantes, certains aspects thermiques clés sont abordés :
- L'influence du type de fluide (par exemple, le type d'antigel)
- L'influence de la conductivité thermique du coulis
- Performances constantes en cas de variations de débit
- Propriétés variables des fluides
Influence du type de fluide
Le graphique ci-dessous montre la résistance thermique effective du trou de forage pour un tube en U simple et un tube en U double à différents débits. Comme vous pouvez le constater, les deux graphiques présentent une coupure nette au point où le fluide passe d'un écoulement laminaire à un écoulement turbulent (plus d'informations ici). Dans cette phase de transition, la partie convective de la résistance du trou de forage diminue de manière significative, entraînant une baisse de la résistance totale.
!Note
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).!Attention
Les graphiques ci-dessous ne doivent pas être considérés comme des directives de conception, car le résultat dépend également de la profondeur et du rayon du trou de forage, de l'épaisseur de la paroi du tube, de l'espacement des tubes et d'autres facteurs.
Dans le graphique ci-dessus, il est clair que cette transition se produit à un débit deux fois moindre pour le tube en U simple que pour le double tube en U. En effet, dans un tube en U double, le débit est réparti entre deux tuyaux alors que dans une sonde simple, il n'en traverse qu'un seul. En effet, dans un tube en U double, le débit est réparti entre deux tuyaux, alors que dans une sonde simple, il n'en traverse qu'un seul.
Dans ce cas, il existe une fenêtre (entre 0,25 et 0,45 l/s) où le tube en U simple présente une résistance au perçage plus faible et offre donc une meilleure performance thermique que son homologue en double U.
La position de cette fenêtre dépend fortement du nombre de Reynolds, qui est influencé à la fois par la température (voir plus loin) et le type de fluide. Le graphique ci-dessous présente la même comparaison pour l'eau. En raison de sa viscosité favorable, l'eau atteint l'état turbulent à des débits très faibles.
Dans ce cas, la fenêtre dans laquelle un tube en U simple est plus performant qu'un tube en U double est très petite (<0,15 l/s) et presque inexistante dans la pratique. On peut donc dire que, dans la situation décrite ci-dessus, la conception double surpasse systématiquement la sonde simple en termes de performances.
Influence de la conductivité thermique du coulis
Un aspect qui peut surprendre est que même la conductivité thermique du coulis joue un rôle dans ce débat. Comme mentionné au début de cet article, la troisième partie de la résistance du trou de forage est la résistance conductrice entre le tuyau et le coulis.
Étant donné que l'énergie doit voyager du tuyau à la paroi du trou de forage à travers le coulis, l'utilisation d'un coulis ayant une conductivité plus élevée (par exemple 2 W/(mK)) améliorera les performances du système. Dans la figure ci-dessous, le même fluide 25% MPG est utilisé comme ci-dessus, mais la conductivité thermique du coulis est réduite à 1 W/(mK), ce qui fait disparaître l'avantage du tube en U unique.
La raison pour laquelle il y avait auparavant une fenêtre dans laquelle un tube en U simple était plus performant qu'un tube en U double était la baisse de la partie convective de la résistance thermique effective du trou de forage. Maintenant que le coulis a une conductivité plus faible, cette résistance joue un rôle dominant dans la résistance globale. Étant donné qu'un tube en U simple n'a que la moitié de la surface de transfert de chaleur d'un tube en U double, la transition vers un écoulement turbulent n'est pas suffisante pour surmonter cette barrière.
Performances constantes en cas de variations de débit
De nos jours, de plus en plus de pompes à chaleur sont modulantes, c'est-à-dire qu'elles fonctionnent avec un débit variable. Dans les graphiques ci-dessus, il est clair que dans de tels cas, la conception à double tube en U fournit des performances plus cohérentes lorsqu'elle fonctionne dans le domaine laminaire, alors que le tube en U unique montre de grandes variations dans la résistance du trou de forage en raison du fonctionnement dans le régime transitoire. Par conséquent, bien qu'un tube en U simple puisse permettre de concevoir un champ de forage plus petit, si le débit de conception se situe dans la plage où une sonde simple est plus performante qu'une sonde double, les performances en cas de débits variables seront toujours plus cohérentes avec une conception de tube en U double laminaire.
!Note
Les pompes à chaleur modulantes jouent également un rôle important dans l'aspect hydraulique de cette discussion. Restez à l'écoute dans la deuxième partie de cet article pour tout savoir à ce sujet.
Propriétés variables des fluides
Comme vous vous en souvenez peut-être dans un article précédent, Les propriétés du fluide (et donc le nombre de Reynolds et la transition entre le laminaire et le turbulent) varient avec la température. Un champ de forage a donc des nombres de Reynolds différents pendant le chauffage (c'est-à-dire l'extraction de chaleur) et le refroidissement (c'est-à-dire l'injection de chaleur). Pour une image plus complète, la résistance est indiquée dans le graphique ci-dessous pour MPG (25 v/v%) à 0°C et 16°C, considérés respectivement comme les températures moyennes minimale et maximale du fluide.
Dans le graphique ci-dessus, il est clair qu'une température de fluide plus élevée entraîne une transition vers un écoulement turbulent à un débit plus faible. Ceci joue également un rôle dans la présente discussion, puisque les champs de forage peuvent être limités soit par la température moyenne maximale, soit par la température moyenne minimale du fluide (plus d'informations à ce sujet dans notre article sur le quadrants du champ de forage).
Le champ de forage ci-dessus est clairement limité par la température moyenne minimale du fluide de 0°C. Pour améliorer cette conception, nous devons donc décider d'utiliser un tube en U simple ou double avec une température de référence de 0°C. En regardant le graphique ci-dessus (les lignes rouge et orange), il est clair que pour un débit de conception entre 0,35 et 0,55 l/s, le tube en U simple a une résistance plus faible que le tube en U double et pourrait donc permettre une taille de champ de forage plus petite.
Le champ de forage ci-dessus, en revanche, est clairement limité par la température moyenne maximale du fluide de 16°C. Pour améliorer cette conception, nous devons décider d'utiliser un tube en U simple ou double avec une température de référence de 16°C. En examinant le graphique de résistance ci-dessus (les lignes bleues et vertes), nous constatons qu'il existe une fenêtre entre 0,17 et 0,28 l/s dans laquelle le tube en U simple est plus performant que le tube en U double.
Conclusion
Dans l'article ci-dessus, nous avons fait la lumière sur la question : “Quel est le meilleur tube en U, simple ou double ?” d'un point de vue thermique. Il est clair qu'il n'y a pas de réponse définitive, car le résultat dépend du mélange de fluides, de la température et même de la conductivité thermique du coulis. Pour déterminer quelle option est la meilleure pour votre propre projet, vous pouvez compter sur GHEtool pour une simulation précise.
Les aspects thermiques ne constituent toutefois qu'une partie de la discussion. Dans notre prochain article, nous examinerons de plus près les aspects hydrauliques du débat entre tube en U simple et double.
Références
- Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.