Efficacité variable

Les champs de forage géothermiques sont souvent utilisés en combinaison avec des pompes à chaleur géothermiques, et l'efficacité de la pompe à chaleur est nécessaire pour convertir la charge du bâtiment en charge du sol. Historiquement, ce rendement était supposé constant, mais il est plus exact d'utiliser des rendements variables. Ce chapitre explique cette nouvelle approche et montre comment elle peut améliorer la conception de votre champ de forage.

Efficacité de la pompe à chaleur dans la conception du champ de forage

Retour en Partie 1.5, Le rendement de la pompe à chaleur a été introduit pour convertir la charge du bâtiment en une charge au sol, qui est ensuite utilisée pour simuler le comportement à long et à court terme du champ de forage. Généralement, la pompe à chaleur est modélisée en utilisant les rendements saisonniers (SCOP et SEER dans le cas du refroidissement), convertissant à la fois la demande d'énergie et la puissance de pointe du bâtiment en une charge au sol. Bien que cette approche soit relativement simple, elle pose trois problèmes principaux :

1. En utilisant le SCOP pour convertir le pic de puissance de chauffage en un pic de puissance d'extraction, le pic de puissance est surestimé. En effet, l'efficacité de la puissance de crête est en fait donnée par le COP plutôt que par le SCOP. Comme le COP est généralement inférieur au SCOP, la charge au sol aux moments de pointe est surestimée, ce qui peut conduire à un champ de forage surdimensionné.

2. En utilisant un SCOP à B0/W35 pour convertir la demande de chauffage (et B0/W55 pour l'eau chaude sanitaire) en une charge au sol, on suppose que la température du fluide entrant dans le champ de forage est de 0°C. Cependant, dans la plupart des conceptions, cela ne se produit, le cas échéant, qu'après plusieurs années, ce qui signifie que la température moyenne est généralement plus élevée. Cela conduit en réalité à une SCOP plus élevée, de sorte que l'utilisation d'une valeur B0/W35 sous-estime l'efficacité et donc le déséquilibre, ce qui pourrait se traduire par un champ de forage sous-dimensionné.

3. Comme indiqué dans Partie 1.5, L'efficacité d'une pompe à chaleur dépend de la température du fluide du champ de forage et varie donc en fonction de la conception. Cependant, étant donné que le SCOP est historiquement utilisé comme une entrée plutôt qu'une sortie de la conception d'un champ de forage, il ne change pas lorsque la conception est modifiée. Ceci est contre-intuitif et non représentatif de la réalité.

Pour ces raisons, il est clair que l'approche traditionnelle présente plusieurs lacunes importantes. Dans la section suivante, l'influence de l'efficacité choisie sur la conception du champ de forage est illustrée plus en détail.

Différentes hypothèses d'efficacité

Pour quantifier l'effet de l'efficacité utilisée pour la conception du champ de forage, trois hypothèses d'efficacité différentes sont utilisées :

1. Le traditionnel et constant SCOP (à B0/W35)
2. Un COP dépendant de la température
3. Un COP dépendant de la température et de la charge partielle

Compte tenu de ces différentes hypothèses d'efficacité, les champs de forage sont conçus pour trois bâtiments différents : un immeuble d'habitation, un immeuble de bureaux et un immeuble multi-utilités, dont certaines caractéristiques sont indiquées dans le tableau ci-dessous. Ce faisant, l'effet sur la profondeur de forage requise (c'est-à-dire l'impact sur le dimensionnement réel) et l'effet sur l'efficacité finale du système sont étudiés.

Effet sur la profondeur de forage requise

Lorsque nous examinons l'effet de l'hypothèse de rendement sur la profondeur de forage requise, nous constatons qu'il n'y a pratiquement pas de variation entre les trois différentes hypothèses. Dans le cas du bâtiment multi-utilitaire, il y a une légère augmentation de la longueur requise pour une conception avec une température moyenne minimale du fluide de 3°C lorsque l'on inclut la dépendance de la charge partielle dans le COP. L'augmentation n'est toutefois que de 3 %, ce qui est négligeable.

Sur la base de ces résultats, les deux erreurs introduites lorsqu'on travaille avec un rendement constant par rapport à un rendement dépendant de la température et d'une partie de la charge (à savoir la surestimation de la puissance de crête et la sous-estimation simultanée du déséquilibre) s'équilibrent en grande partie.

Effet sur l'efficacité

Ci-dessous, le SCOP moyen calculé est indiqué pour les trois cas différents. On peut constater que, bien qu'il y ait parfois une légère différence, le rendement officiel B0/W35 est assez proche du COP en fonction de la température. Cela signifie, sur la base des exemples ci-dessous, qu'il n'y a pas de véritable raison de travailler uniquement avec un COP dépendant de la température, étant donné que cela ne modifie pas de manière significative la conception ou le SCOP.

En revanche, lorsque la dépendance à l'égard de la charge partielle est prise en compte, il existe une différence significative de 10 à 50 % en SCOP entre la valeur officielle B0/W35 et l'efficacité attendue. Cette différence est due à un double effet :

• La pompe à chaleur fonctionne la plupart du temps en régime de charge partielle, plus efficace.
• En charge partielle, en raison de la moindre extraction de chaleur, les températures du fluide sont plus élevées, ce qui permet un fonctionnement plus efficace.

Pour mieux illustrer l'importance de la dépendance à la charge partielle, nous faisons un zoom sur le bâtiment multi-utilitaire. Le profil de température est indiqué ci-dessous.

Le profil de température ci-dessus montre clairement que la température moyenne du fluide fluctue considérablement. Ci-dessous, un gros plan du COP au cours des 5 premiers mois est présenté à la fois pour le COP dépendant de la température et pour le COP dépendant de la température et de la charge partielle.

COP au cours des 5 premiers mois pour le COP dépendant de la température et le COP dépendant de la température et de la charge partielle de la pompe à chaleur modulante. Il est clair que les variations sont beaucoup plus prononcées lorsque le comportement à charge partielle est pris en compte que lorsque seule la dépendance à la température est prise en compte. Deuxièmement, on constate que pendant les périodes de pointe, lorsque les deux pompes à chaleur fonctionnent à pleine charge, leurs rendements coïncident, ce qui est normal puisqu'il n'y a pas de comportement de charge partielle à ces moments-là.

Étant donné que les bâtiments présentent également un certain déséquilibre, le SCOP évoluera au cours de la période de simulation. Dans le graphique ci-dessous, les valeurs SCOP sont indiquées pour chaque année de la période de simulation de 20 ans pour le bâtiment multi-utilitaire conçu à une température minimale de 0°C.

Variation de SCOP dans le temps pour trois hypothèses d'efficacité différentes.

Il est clair que lorsque la dépendance de la température est prise en compte, l'efficacité commence plus haut qu'elle ne finit, en raison du champ de forage dominé par l'extraction. Plus particulièrement, le COP purement dépendant de la température donne un rendement inférieur à la valeur SCOP B0/W35 après 20 ans. Cela s'explique par le fait que cette hypothèse ne tient pas compte du comportement standard à charge partielle, ce qui entraîne une sous-estimation de l'efficacité en cas de fonctionnement à une température proche de 0°C.

En revanche, le COP en fonction de la température et de la charge partielle démontre clairement l'avantage d'utiliser une pompe à chaleur modulante, dont l'efficacité est nettement supérieure à la valeur officielle B0/W35 de 4,86 pour la pompe à chaleur SV62.

Simulation de pompes à chaleur modulantes en GHEtool

Travailler avec des données d'efficacité dépendant de la température et de la charge partielle n'est pas simple, car ces informations ne sont pas disponibles dans les fiches techniques. C'est pourquoi nous collaborons directement avec les fabricants de pompes à chaleur pour obtenir des données de mesure très détaillées et créer des jumeaux numériques de leurs machines. Ces jumeaux numériques sont disponibles dans GHEtool, de sorte qu'à chaque fois que vous travaillez avec une charge de bâtiment horaire, l'option apparaît pour sélectionner une ou plusieurs pompes à chaleur modulantes dans notre base de données de pompes à chaleur.

Dans les sous-sections suivantes, différentes variantes d'un scénario de base sont simulées en utilisant une seule pompe à chaleur, une configuration en cascade de deux pompes à chaleur et un champ de forage plus profond.

Scénario de base

Pour illustrer l'importance de travailler avec une pompe à chaleur modulante, on a utilisé un bâtiment avec une demande de chauffage de pointe de 100 kW et une demande de chauffage annuelle de 200 MWh, et une demande de refroidissement de pointe de 40 kW et une demande de refroidissement annuelle de 40 MWh. Le profil de charge horaire est illustré dans la figure ci-dessous.

Dans le scénario de base, une pompe à chaleur HP500 d'Enrad, d'une puissance de 111 kW, a été utilisée, avec une valeur officielle SCOP B0/W35 de 3,41. En utilisant cette valeur, 21 trous de forage de 150 m, un double échangeur de chaleur DN32 avec 25 v/v% MPG, et un débit de 0,3 l/s par trou de forage, le profil de température ci-dessous a été obtenu.

Pour illustrer l'effet des différentes hypothèses d'efficacité, les simulations sont effectuées avec un débit constant. Cependant, comme nous l'avons vu au chapitre précédent, il serait préférable de concevoir le système en utilisant un débit variable.

La température moyenne minimale des fluides est de 0,12°C, soit juste au-dessus de notre seuil de 0°C.

Une pompe à chaleur modulante

Au lieu de travailler avec la valeur officielle SCOP pour la pompe à chaleur, sélectionnons maintenant la pompe à chaleur HP500 directement dans la liste et simulons le champ de forage en l'utilisant. Le nouveau profil de température est illustré ci-dessous.

Il est immédiatement évident que les températures sont maintenant plus basses que dans la conception originale, tombant à -1,02°C. Cela s'explique principalement par le fait que la moyenne de SCOP est de 4,66 au lieu de 3,41, comme indiqué dans la fiche technique. Cela représente une augmentation de 37% de l'efficacité, faisant passer le déséquilibre de 99 MWh par an à 115 MWh par an, ce qui explique les températures plus basses vers la fin de la période de simulation.

La tendance à la baisse est également visible dans le graphique annuel SCOP.

Avec la baisse des températures, la capacité de la pompe à chaleur diminue également. Dans ce cas, la pompe à chaleur n'est plus en mesure de répondre entièrement à la demande du bâtiment au cours de la dernière année, puisqu'à -1,02°C, elle ne peut fournir qu'environ 94 kW au lieu des 100 kW requis. Dans GHEtool, ce phénomène est représenté par un “manque de puissance” et est illustré ci-dessous.

Dans ce cas, ce n'est pas vraiment un problème, puisque les 6 kW manquants ne se produisent que pendant une heure de la période de simulation.

Deux pompes à chaleur modulantes

La simulation ci-dessus a été réalisée avec une seule pompe à chaleur HP500, d'une puissance de 111 kW, qui s'est avérée suffisante, mais peut-être légèrement sous-dimensionnée, en particulier vers la fin de la simulation. Dans cette deuxième variante, deux unités HP300 plus petites ont été sélectionnées, chacune d'une puissance de 60 kW, ce qui donne une puissance totale disponible de 120 kW, soit un peu plus que dans le cas précédent. La courbe d'efficacité pour cette situation est donnée ci-dessous.

La moyenne globale de SCOP est maintenant de 4,93, soit 6% de plus que dans la simulation avec une seule unité HP500. Cependant, les températures sont un peu plus basses, toujours en raison de l'efficacité plus élevée, et atteignent maintenant -1,5°C pendant les conditions de pointe.

Un champ de forage plus profond

Dans une troisième variante, nous modifions la conception du champ de forage afin de rester au-dessus du seuil minimum de 0°C. Au lieu d'utiliser 21 trous de forage de 150 m, nous passons à 10 trous de forage de 250 m, ce qui permet d'obtenir une température du sol non perturbée nettement plus élevée. En outre, une température du sol plus élevée entraîne également une augmentation de l'efficacité de la pompe à chaleur. Le profil de température, ainsi que la courbe SCOP, sont présentés ci-dessous. Avec les deux mêmes unités HP300 sélectionnées, le profil de température résultant est illustré ci-dessous.

Bien que la longueur totale du forage soit passée de 3129 m à 2490 m (soit une diminution de 20%), la température reste désormais supérieure à 0°C, avec une température moyenne minimale du fluide de 0,2°C. La moyenne de SCOP, quant à elle, est passée de 4,93 à 5,14, ce qui constitue une situation gagnant-gagnant.

Conclusion

Dans ce chapitre, la dernière amélioration majeure de la précision de la conception des champs de forage a été explorée : travailler avec des rendements variables. Cela permet non seulement d'obtenir une conception plus précise, puisque les puissances de pointe et le déséquilibre sont prédits avec plus de précision, mais aussi de mieux comprendre comment l'efficacité est influencée par différents choix de conception, tels que l'utilisation de deux pompes à chaleur dans une configuration en cascade au lieu d'une seule unité, et l'utilisation de champs de forage plus profonds.

Questions

Dans le graphique ci-dessus, tous les bâtiments nécessitent une plus grande profondeur de forage lorsque l'on utilise 3°C comme limite minimale de la température moyenne du fluide, à l'exception de l'immeuble de bureaux, dont la conception est identique dans les deux cas. Pouvez-vous expliquer pourquoi ?

Téléchargements

• Télécharger le profil de charge horaire ici.
• Télécharger la simulation GHEtool de ce chapitre ici.

Références

• Peere, W. (2025). Intégration de la température et du COP dépendant de la charge partielle dans le champ de forage géothermique peu profond Design. In Actes du congrès allemand sur la géothermie DGK 2025. Francfort (Allemagne), 18-20 novembre 2025.
• Peere, W. (2026). Towards a more accurate design of borefields : using variable fluid properties, flow rate and heat pump efficiency (Vers une conception plus précise des champs de forage : utilisation des propriétés variables des fluides, du débit et de l'efficacité de la pompe à chaleur). Dans les actes de GeoTHERM expo & congress, Offenburg, Allemagne, 26-27 février 2026. Lien