Dans les chapitres précédents, les concepts de perte de charge, de puissance de la pompe et d'énergie de la pompe ont été introduits. Dans ce chapitre, ces notions seront utilisées pour réaliser notre première conception hydraulique dans GHEtool Cloud.
Conception hydraulique du champ de forage
La conception hydraulique des champs de forage ne se limite pas au choix du diamètre du tube utilisé à l'intérieur du trou de forage. L'ensemble de la conception horizontale joue également un rôle important : quel est le diamètre horizontal du tuyau ? Combien y a-t-il de coudes ou de jonctions ? Comment les forages sont-ils reliés entre eux ?
Dans les sections suivantes, les différentes manières de connecter les forages (en parallèle, Tichelmann, ou en série) sont expliquées, suivies par le concept d'équilibrage hydraulique.
Connexions horizontales
Lorsqu'il y a plusieurs forages dans un système, ils sont généralement connectés à un collecteur de l'une des quatre manières suivantes : directe, parallèle, Tichelmann ou en série. Ces options sont expliquées ci-dessous.
Direct
Lorsque les forages sont raccordés directement au collecteur, le débit dans chaque forage est le même que le débit dans la section horizontale. Il s'agit de la manière la plus simple de connecter les forages et elle présente l'avantage d'offrir une plus grande flexibilité pour contrôler les différents forages individuellement. En outre, elle offre un niveau de sécurité supplémentaire en cas de problème. Comme les forages peuvent être déconnectés individuellement, les problèmes peuvent être gérés plus facilement.
Le principal inconvénient d'un raccordement direct est qu'il est plus coûteux, car il nécessite un collecteur plus grand et davantage de raccordements horizontaux. En outre, comme le débit est maintenant réparti sur les $n$ trous de forage du système, il peut être plus difficile d'obtenir un écoulement turbulent.
Connexion parallèle
Dans le cas d'une connexion parallèle (également appelée retour direct) des forages, le nombre de connexions horizontales est inférieur au nombre de forages. Cela signifie qu'une seule connexion horizontale peut, par exemple, être reliée à 2, 3 ou plus de trous de forage. Cela présente l'avantage de nécessiter moins de connexions horizontales et de soudures, ce qui rend le système plus rentable. Le collecteur peut également être plus petit, en raison du nombre réduit de connexions.
Les inconvénients sont que la flexibilité du contrôle est réduite, puisque chaque trou de forage ne peut pas être contrôlé ou équilibré individuellement. Cela signifie également qu'en cas de défaillance ou de fuite d'un forage, c'est l'ensemble de la connexion parallèle qui est affectée. En outre, comme les forages sont connectés par groupes de n, le débit dans la section horizontale est n fois le débit dans chaque forage, ce qui souligne l'importance d'une conception hydraulique correcte du diamètre de la conduite horizontale.
Ci-dessous, une image de la connexion parallèle (retour direct).
La figure ci-dessus montre deux configurations hydrauliques “parallèles”. Celle de gauche, avec une tuyauterie de retour inversée, est également appelée Tichelmann et sera examinée plus loin. Celle de droite est la connexion parallèle traditionnelle. Bien que cette conception soit plus simple à mettre en œuvre, elle ne garantit pas un débit égal dans les différents forages. Le trajet à travers le trou 1 est plus court que celui à travers le trou 2, ce qui se traduit par des pertes de charge plus faibles et donc un débit légèrement plus élevé. Cette situation n'est généralement pas souhaitable (comme nous le verrons plus loin), et c'est la raison pour laquelle une connexion Tichelmann est généralement préférée.
Connexion Tichelmann
Lorsque les forages sont connectés dans une configuration Tichelmann, ils sont toujours groupés en ensembles de n, ce qui se traduit par un facteur n de connexions horizontales en moins que dans le cas d'une connexion directe et un débit n fois plus élevé dans la section horizontale. En ce sens, cette configuration est très similaire à la connexion parallèle décrite ci-dessus, à la différence près que le tuyau de retour a la même longueur pour chaque trou de forage. Cela garantit que les pertes de pression pour chaque forage sont identiques, ce qui se traduit par un débit égal dans chaque forage. Tous les autres avantages d'un branchement en parallèle restent valables.
Les inconvénients sont encore une fois la capacité réduite de contrôler les forages individuels (bien qu'en théorie, une connexion Tichelmann soit toujours hydrauliquement équilibrée).
Connexion à la série
Une connexion en série est généralement utilisée lorsqu'un débit plus élevé à travers les trous de forage est souhaité afin d'améliorer le transfert de chaleur. En connectant les trous de forage en série par groupes de $n$, le nombre de tuyaux horizontaux est à nouveau réduit d'un facteur n, mais cette fois-ci parce que la sortie d'un trou de forage est directement connectée à l'entrée du trou suivant. Cela signifie que le débit dans chaque forage est identique et égal au débit dans les tuyaux horizontaux. Un exemple de raccordement en série est illustré ci-dessous.
Le principal avantage d'une conception hydraulique en série est qu'il est plus facile d'obtenir un écoulement turbulent en raison du débit plus élevé par trou de forage. Elle est également relativement rentable, car elle ne nécessite pas de connexions hydrauliques complexes, comme dans le cas d'une configuration Tichelmann, et moins de tuyaux sont nécessaires que dans le cas d'une connexion directe. L'inconvénient d'une connexion en série est que, lorsqu'un forage a un problème, tous les forages de ce groupe sont affectés. En outre, comme le débit doit passer par tous les forages, la perte de charge d'un raccordement en série est nettement plus élevée que celle d'un raccordement direct ou d'un raccordement Tichelmann.
Lors de la connexion en série de tubes en U doubles, il est courant que les deux tubes en U aient des entrées et des sorties différentes. Par exemple, si deux forages sont connectés en série, une paire de tubes en U aura l'entrée du forage de gauche vers la droite, tandis que l'autre paire aura l'entrée du forage de droite vers la gauche. Cela permet de mieux équilibrer l'extraction et l'injection. Ceci est également illustré dans la figure ci-dessous, où la ligne rouge représente l'entrée et la ligne bleue la sortie.
Combinaison
Bien entendu, il est également possible de combiner différentes configurations horizontales, comme le montre l'image ci-dessous.
Ici, les forages sont divisés en deux groupes de trois forages. Au sein de chaque groupe, les forages sont connectés en série, et les deux groupes sont ensuite connectés dans une configuration Tichelmann. De telles conceptions complexes peuvent se produire pour diverses raisons, mais sont souvent évitées en raison du risque élevé d'erreurs d'installation.
Equilibrage hydraulique
Comme indiqué dans le premier chapitre Dans cette partie, la perte de charge le long d'un chemin hydraulique donné est déterminée à la fois par la longueur de ce chemin et par toutes les pertes locales (coudes, jonctions, etc.). Dans un champ de forage géothermique, cela peut varier considérablement d'un forage à l'autre, car certains sont plus proches du collecteur tandis que d'autres en sont plus éloignés. La clé pour calculer la perte de charge globale d'un système aussi complexe d'une manière relativement simple est le concept de équilibrage hydraulique.
D'un point de vue thermique, l'idéal est que chaque forage contribue de manière égale à la demande de puissance et d'énergie du système. Par conséquent, l'objectif est d'obtenir le même débit dans chaque trou de forage. Pour ce faire, il faut que la perte de charge de chaque forage (c'est-à-dire de chaque voie hydraulique) soit identique. Pour ce faire, on calcule (ou on mesure sur le terrain) la perte de charge de la voie la plus défavorable et on s'assure que tous les autres forages ont la même perte de charge à l'aide de vannes d'équilibrage.
Grâce à ces vannes, une perte de charge locale supplémentaire peut être introduite à chaque connexion au collecteur afin d'atteindre l'équilibre hydraulique.
Pour la conception hydraulique des champs de forage, l'essentiel est d'identifier la situation la plus défavorable où la perte de charge est la plus élevée. Il s'agit généralement du forage le plus éloigné du collecteur, ce qui entraîne les pertes de charge horizontales les plus importantes. Comme tous les autres forages sont ajustés pour avoir la même perte de charge, le calcul d'un seul chemin hydraulique est suffisant pour déterminer la perte de charge globale du système.
Ce concept d'équilibrage hydraulique garantit que la perte de charge totale, pour un débit donné, est identique pour tous les raccordements au collecteur. Cependant, cela ne signifie pas que les pertes par frottement et les pertes locales sont identiques pour chaque circuit hydraulique. Certaines connexions auront moins de tuyaux horizontaux et nécessiteront donc plus de pertes locales pour compenser, tandis que d'autres auront des pertes de pression horizontales plus élevées et nécessiteront moins de pertes locales supplémentaires.
Le fait que ces vannes de débit ou d'équilibrage soient statiques (c'est-à-dire qu'une fois réglées, elles conservent la même valeur K) introduit une complexité supplémentaire dans la conception hydraulique. L'équation de la perte de charge totale est donnée ci-dessous :$$\Delta P = \left(f\cdot \frac{L}{D}+\sum{K}\right)\cdot \frac{\rho v^2}{2}$$où $\Delta P$ est la perte de charge en (Pa), $f$ est le facteur de frottement de Darcy-Weisbach, $L$ et $D$ sont la longueur du tuyau en (m) et le diamètre du tuyau en (m), $\rho$ est la densité du fluide en (kg/m³), et $v$ est la vitesse d'écoulement en (m/s).
Lorsque le débit change, la vitesse d'écoulement $v$ change également, ce qui affecte à la fois les pertes locales et les pertes par frottement. Cependant, comme nous l'avons vu dans Partie 4.1, Le facteur de frottement est également fonction du débit (via le nombre de Reynolds). Cela signifie que les pertes par frottement sont plus fortement affectées que les pertes locales. Par conséquent, lorsque l'on s'éloigne du point de consigne des vannes d'équilibrage, le système peut ne plus être parfaitement équilibré en raison de la différence de réaction entre les pertes locales et les pertes par frottement.
Il convient de noter que, bien que cet effet existe, son impact sur les performances globales du système est généralement limité. Si nécessaire, des vannes d'équilibrage à commande dynamique peuvent être utilisées pour ajuster la valeur K en fonction du débit. Toutefois, ces systèmes sont nettement plus coûteux, tant en termes d'investissement initial que d'entretien permanent.
Conception hydraulique en GHEtool Cloud
Dans GHEtool, trois contributions différentes aux pertes de charge sont prises en compte dans la conception hydraulique : la partie à l'intérieur du trou de forage lui-même, les connexions entre les trous de forage et le collecteur, et la connexion entre le collecteur et le local technique.
Dans la capture d'écran ci-dessous, les différentes contributions sont clairement indiquées.
Différents paramètres d'entrée
Pour les raccords de forage, il est possible de sélectionner ou de combiner des raccords Tichelmann et des raccords en série. Lorsque tous les trous de forage sont raccordés directement au collecteur, les deux valeurs sont fixées à 1, ce qui signifie que chaque groupe contient un seul trou de forage. Dans le cas combiné ci-dessus, où il y a deux groupes de trois forages connectés en série, le nombre de forages en Tichelmann doit être fixé à 2 et ceux en série à 3. Cela garantit un débit correct à la fois dans les forages et dans les connexions horizontales.
Pour la connexion latérale, qui relie le trou de forage au collecteur, il convient de choisir la situation la plus défavorable. Il s'agit généralement de la connexion dont le parcours horizontal est le plus long et qui est donc la plus éloignée du collecteur. Le nombre de coudes, de jonctions et d'autres éléments le long de ce trajet peut également être compté pour déterminer la valeur K correspondante pour les tuyaux latéraux.
Enfin, il est possible que le collecteur soit situé à une certaine distance du local technique. Pour cette raison, une contribution séparée est incluse pour tenir compte de la perte de charge dans le tuyau collecteur principal. Le cas échéant, les valeurs K pour les coudes et les jonctions peuvent également être incluses.
Exemple de calcul en GHEtool
Pour illustrer la simplicité de la simulation hydraulique dans GHEtool Cloud, prenons l'exemple du bâtiment suivant. Dans ce cas, 12 trous de forage sont situés à gauche du bâtiment, le collecteur étant placé à l'intérieur du bâtiment lui-même. Cela signifie qu'il n'est pas nécessaire de prendre en compte le collecteur et qu'il suffit d'évaluer les pertes de charge dans les forages et les raccordements latéraux.
Pour calculer la perte de charge des connexions horizontales, il faut identifier le chemin le plus long. Dans la situation ci-dessus, il s'agit du trou de forage en bas à gauche, avec une longueur de trajet horizontal de 30 m. Pour tenir compte des pertes locales le long de cette conduite, il y a une vanne de régulation de débit au niveau du collecteur, un coude à 90° au milieu de la conduite latérale et un coude à 90° à l'extrémité de la conduite latérale où le fluide pénètre dans le trou de forage. Comme l'écoulement est bidirectionnel, les pertes locales se produisent deux fois. En supposant une valeur K de 0,5 pour chaque composant, on obtient un coefficient de perte de charge locale totale de 3. Un tuyau DN40 PN16 est utilisé pour la connexion horizontale.
Les forages ont une longueur de 120 m, utilisent des échangeurs de chaleur DN32 à double U et sont simulés avec un MPG de 25 v/v% et un débit variable avec une différence de température constante de 3 °C pendant l'extraction et l'injection. La puissance de chauffage est de 37 kW avec une demande annuelle de 67 MWh/an, et pour le refroidissement de 4 kW et 2,9 MWh/an. Il en résulte un déséquilibre relativement important, comme le montre le profil de température ci-dessous.
Dans une première simulation, tous les trous de forage sont supposés être connectés directement au collecteur. Il en résulte un régime d'écoulement très laminaire (pendant le chauffage et le refroidissement), avec des nombres de Reynolds de Re = 875 pendant l'extraction et de Re = 232 pendant l'injection, la différence étant due à une variation du débit. Le graphique de la conception hydraulique est présenté ci-dessous.
En raison de la différence de puissance de pointe, le débit de conception pour le chauffage est de 2,49 l/s, alors qu'il est de 0,35 l/s pendant le refroidissement. Cela signifie que la perte de charge pendant le refroidissement est presque négligeable (≈ 1 kPa) et que toute la conception hydraulique est régie par la demande de chauffage. Dans ce cas, la perte de charge totale est de 15,99 kPa, dont 13,21 kPa dans le forage lui-même et 2,78 kPa dans les connexions latérales. L'énergie estimée de la pompe (en supposant un rendement de 70%) est de 75 kWh/an.
Comme deuxième option, une connexion Tichelmann est étudiée avec des groupes de 2 trous de forage. Par conséquent, le nombre de trous de forage en Tichelmann est fixé à 2 dans l'onglet général, ce qui donne la courbe de perte de charge illustrée ci-dessous.
Étant donné qu'une connexion Tichelmann garantit que le débit à travers les trous de forage reste le même, la perte de charge pour la partie verticale est identique à celle de la connexion directe, à savoir 13,21 kPa. La seule modification concerne la perte de charge dans les conduites horizontales, qui est maintenant de 10,82 kPa en raison du doublement du débit, ce qui donne une perte de charge totale de 24,03 kPa. La consommation d'électricité estimée passe à 108 kWh/an.
Dans une troisième variante, les trous de forage ne sont plus connectés dans une configuration Tichelmann, mais en série. Cela modifie le débit à travers chaque trou de forage (en le doublant), ce qui améliore le transfert de chaleur. Cependant, comme l'écoulement reste laminaire (Re = 1776 pendant l'extraction), aucune amélioration significative n'est observée. La température moyenne minimale du fluide passe de 0,07 °C dans les deux cas précédents à 0,37 °C. Le graphique de la perte de charge pour ce cas est illustré ci-dessous.
Pour ce raccordement en série, la perte de charge dans le trou de forage passe à 26,04 kPa, car le débit est maintenant deux fois plus élevé qu'auparavant. La perte de charge horizontale est de 10,77 kPa. Pour la perte de charge totale, étant donné que les forages sont connectés en série, la perte de charge dans le forage doit être comptée deux fois, étant donné que l'ensemble du débit passe par les deux forages. Il en résulte une perte de charge totale de 62,85 kPa, ce qui est nettement plus élevé que dans le cas de la connexion Tichelmann (ou directe). La consommation d'énergie de la pompe est estimée à 290 kWh/an.
Dans la variation suivante, la sonde double DN32 est remplacée par une sonde simple DN40. Dans cette nouvelle situation, le transfert de chaleur devient turbulent (Re = 2833), ce qui entraîne la même température minimale de 0,37 °C que dans le cas précédent. Cependant, la chute de pression à travers un seul trou de forage double presque pour atteindre 41,33 kPa, ce qui entraîne une chute de pression globale de 93,44 kPa et une consommation d'électricité de la pompe estimée à 393 kWh/an.
Enfin, pour illustrer l'importance de l'hypothèse de débit, la même simulation est réalisée avec un débit constant de 2,49 l/s pour l'ensemble du champ de forage (pour correspondre à la situation précédente). La demande énergétique annuelle estimée pour la pompe est maintenant de 1272 kWh/an, soit environ 900 kWh/an de plus que dans le cas précédent. La principale différence est que, alors que la chute de pression pendant le refroidissement était auparavant négligeable en raison du faible débit, elle atteint maintenant 78,75 kPa.
Conclusion
Dans ce dernier chapitre de la partie 4, la conception hydraulique a été expliquée pour différents types de connexions horizontales (directes, parallèles, Tichelmann et en série). En utilisant le concept d'équilibrage hydraulique, il est devenu simple de traduire la perte de charge d'un seul trou de forage en perte de charge de l'ensemble du champ de forage. Il a été montré dans GHEtool Cloud comment la perte de charge peut être simulée et quel est l'impact du passage d'une connexion directe à une conception Tichelmann ou en série.
Dans la partie suivante, nous explorerons plus en détail les sensibilités de la conception, tant d'un point de vue thermique qu'hydraulique.
Questions
Dans la configuration hydraulique ci-dessous, si le débit d'entrée est de 1 l/s, quel sera le débit à travers chaque trou de forage ?
Ci-dessous, un exemple est donné de deux forages connectés en parallèle. Pouvez-vous expliquer pourquoi les deux groupes ci-dessus sont connectés dans une configuration Tichelmann au lieu d'une connexion parallèle ?
Pourquoi y a-t-il deux sauts dans le graphique de perte de charge lors de l'injection, mais un seul lors de l'extraction dans le cas d'une connexion directe au collecteur ?
Téléchargements
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