L'un des principaux paramètres d'entrée de toute simulation géothermique est la demande de chauffage, de refroidissement et d'eau chaude sanitaire du bâtiment. Si ces valeurs sont parfois connues grâce à des simulations ou des mesures détaillées, elles doivent le plus souvent être estimées, en particulier dans les premières phases. Ce chapitre fait la lumière sur ce sujet et explore plusieurs approches pour relever ce défi.
Avant d'entamer ce chapitre, nous aimerions aborder quelques termes importants. Lorsque l'on parle de l demande de construction, les termes ‘Chauffage’, ‘Refroidissement’ et ‘Eau chaude sanitaire’ sont utilisés. Compte tenu de l'efficacité de la pompe à chaleur (dont nous parlerons dans la partie chapitre suivant), celle-ci est convertie en ‘extraction’.’ et ‘injection’ charge, qui est la charge au sol.
Demande de bâtiments thermiques
Dans le cadre de GHEtool, différents types de profils de charge peuvent être utilisés. Tout d'abord, on distingue horaire et mensuel avec respectivement 8 760 et 12 pas de temps par an. Outre la résolution, la charge est généralement spécifiée pour une année complète, en partant du principe que chaque année de la période de simulation est identique. Toutefois, si ce n'est pas le cas - par exemple, si votre projet est échelonné - vous pouvez utiliser des données pluriannuelles.
Les sections suivantes abordent les résolutions mensuelles et horaires.
Résolution mensuelle
Si aucune donnée horaire n'est disponible, une simulation mensuelle peut être réalisée. Pour ce faire, quatre données clés sont nécessaires : la puissance de pointe pour le chauffage et le refroidissement, et la demande annuelle d'énergie pour le chauffage et le refroidissement. Si la demande d'eau chaude sanitaire est incluse, une cinquième donnée est nécessaire. Chacune de ces données est examinée plus en détail ci-dessous.
Puissance de pointe pour le chauffage
Le pic de chauffage correspond à la puissance maximale de la pompe à chaleur du bâtiment. Si la pompe à chaleur a une capacité de 10 kW, le bâtiment ne peut pas consommer plus, et cette valeur doit donc être définie comme le pic de chauffage. En fonction des normes de construction régionales, la capacité de la pompe à chaleur est généralement déterminée par un calcul statique des pertes de chaleur basé sur une température extérieure de référence (par exemple, -8 °C en Belgique).
La situation est légèrement différente lorsque pompes à chaleur modulantes sont utilisés. Supposons que la perte de chaleur statique calculée d'un bâtiment soit de 7 kW. L'installateur peut choisir d'installer une pompe à chaleur de 8 kW pour tenir compte d'un certain surdimensionnement. Cependant, cela conduirait à un champ de forage surdimensionné, puisque le champ de forage doit être en mesure de faire face à la demande de pointe. Si le système utilise une pompe à chaleur modulante, il est souvent possible de régler une puissance de pointe inférieure dans le contrôleur de la pompe à chaleur - par exemple, en limitant la pompe à chaleur de 8 kW à un maximum de 7 kW - ce qui évite de surdimensionner inutilement le champ de forage. Le même raisonnement s'applique si le système d'émission (par exemple les radiateurs ou le chauffage par le sol) ne peut pas utiliser toute la capacité de la pompe à chaleur.
Stade précoce
Si les spécifications de la pompe à chaleur ne sont pas encore connues, la demande de chauffage de pointe peut être estimée à l'aide de règles empiriques établies. Celles-ci sont basées soit sur la capacité du système d'émission, soit sur des indications générales relatives au type et à l'âge du bâtiment. Un exemple de tableau présentant des valeurs typiques est fourni ci-dessous. Toutefois, il faut savoir que ces chiffres sont spécifiques à une région et qu'ils devront être adaptés à votre contexte local.
| Type | Puissance d'émission du chauffage | Puissance d'émission en refroidissement |
|---|---|---|
| Chauffage par le sol | 40-80 W/m² | 15-25 W/m² |
| Plafond climatique | 30-55 W/m² | 25-50 W/m² |
| Chauffage mural | 30-70 W/m² | 25-60 W/m² |
| Ventilo-convecteur (sans condensation) | 200-2000 W | 250-500 W |
| Ventilo-convecteur (condensation) | 200-2000 W | 1000-2000 W |
(Données obtenues dans le cadre du projet Cooling 2.0)
| Type | Demande de chaleur |
|---|---|
| Bâtiment résidentiel (après 2002) | 45 W/m² |
| Immeuble de bureaux (ancien) | 89 W/m² |
| Immeuble de bureaux (nouveau) | 59 W/m² |
| École (ancienne) | 109 W/m² |
| École (nouveau) | 60 W/m² |
| Commerce de détail (ancien) | 56 W/m² |
| Commerce de détail (nouveau) | 54 W/m² |
(Données obtenues à partir de nPro, valeurs pour le climat de Berlin)
Simultanéité
Lorsque plusieurs pompes à chaleur sont connectées à un champ de forage central et partagé, la puissance de crête résultante n'est pas simplement la somme des unités individuelles. Un facteur de simultanéité doit être appliqué. Le problème de la simultanéité et ses solutions seront abordés plus loin dans ce cours.
Outre la puissance de pointe elle-même, la durée de cette pointe est également importante. Lorsqu'on travaille avec un profil de charge horaire, cette durée est intégrée dans le profil lui-même. Toutefois, dans le cas d'un profil de charge mensuel, elle doit être spécifiée explicitement. La durée de la durée du pic peut être définie comme la période la plus longue pendant laquelle la pompe à chaleur fonctionne à sa puissance maximale. Par exemple, si la pompe à chaleur se met en marche et fonctionne à puissance maximale pendant huit heures d'affilée, la durée de la pointe est de huit heures.
Puissance de pointe pour le refroidissement
L'approche de la définition de la puissance de refroidissement maximale dépend de la question de savoir si le champ de forage est activement conçu pour le refroidissement ou si le refroidissement est considéré comme un avantage secondaire, une ‘bonne chose à avoir’.
Design pour le refroidissement
Dans les climats plus chauds, où le refroidissement joue un rôle plus important que le chauffage, le champ de forage est généralement limité par la température d'injection maximale. Dans ce cas, la demande de refroidissement est généralement déterminée conformément aux réglementations locales en matière de construction, en tenant compte de facteurs tels que la surface vitrée, la valeur g et la valeur U. La demande de refroidissement du bâtiment est ensuite dérivée de la même manière que la demande de chauffage, sur la base de ces calculs. La demande de refroidissement du bâtiment est ensuite calculée de la même manière que la demande de chauffage, sur la base de ces calculs.
Bienvenu
Dans les régions où le refroidissement n'est pas une préoccupation majeure, le système d'émission n'est généralement pas conçu pour assurer le confort thermique en été. Dans ce cas, le refroidissement est souvent considéré comme une caractéristique ‘agréable à avoir’ - un avantage supplémentaire de l'installation d'un champ de forage géothermique. Dans ce cas, la puissance de refroidissement maximale est généralement basée sur la capacité du système d'émission, qui a été conçu à l'origine pour le chauffage. Reportez-vous au tableau des capacités typiques des systèmes d'émission fourni plus haut.
Stade précoce
Dans les premières phases d'un projet, la demande de refroidissement de pointe, comme la demande de chauffage, peut être estimée à l'aide de règles empiriques de base. Pour ce faire, on peut s'appuyer sur la capacité du système d'émission ou sur des valeurs provenant de bâtiments de référence similaires.
Demande d'énergie pour le chauffage
Si la puissance de pointe est un aspect important du profil énergétique d'un bâtiment, l'autre paramètre clé pour la conception d'un champ de forage est la demande annuelle d'énergie pour le chauffage. Celle-ci peut être estimée de plusieurs manières, notamment en utilisant les heures de pleine charge, des règles empiriques ou les degrés-jours de chauffage.
Heures de pleine charge
L'utilisation des heures de pleine charge est un moyen simple d'estimer la demande annuelle d'énergie sur la base d'une puissance de pointe connue (ou estimée). Si un système fonctionne à la charge de pointe pendant x heures par an, la demande totale d'énergie est donnée par la formule suivante : $$energy = peak \cdot FLH$$TLe tableau ci-dessous fournit des valeurs indicatives pour les heures de pleine charge pour différents types de bâtiments.
| Type | Heures de pleine charge |
|---|---|
| Maison de retraite | 1300-1900 |
| Hôpitaux | 1500-2000 |
| Bureaux | 900-1600 |
| Les écoles | 800-1300 |
| Résidentiel | 1200-1500 |
| Autres | 1000-2000 |
(Données obtenues auprès de SenterNovem, Cijfers en Tabellen 2007)
Règle empirique
Comme pour la puissance de pointe, la demande annuelle de chauffage peut être estimée à l'aide de valeurs empiriques basées sur la surface de plancher. Le tableau ci-dessous fournit des valeurs typiques de demande de chaleur pour les bâtiments dans la région climatique de Berlin.
| Type | Demande de chaleur |
|---|---|
| Bâtiment résidentiel (après 2002) | 72 kWh/m² |
| Immeuble de bureaux (ancien) | 125 kWh/m² |
| Immeuble de bureaux (nouveau) | 65 kWh/m² |
| École (ancienne) | 120 kWh/m² |
| École (nouveau) | 60 kWh/m² |
| Commerce de détail (ancien) | 95 kWh/m² |
| Commerce de détail (nouveau) | 65 kWh/m² |
(Données obtenues à partir de nPro)
Degrés-jours de chauffage
Une autre méthode d'estimation de la demande de chauffage consiste à utiliser les degrés-jours de chauffage (DJC). Les DJC quantifient dans quelle mesure et pendant combien de temps la température de l'air extérieur est inférieure à une certaine température de base, appelée température d'équilibre. En dessous de cette température, le bâtiment a besoin d'être chauffé. Le nombre total de JHD est la somme des différences entre la température de base et la température extérieure réelle chaque jour de la saison de chauffage.
Par rapport à la méthode FLH, les méthodes basées sur les HDD offrent une estimation plus fine car elles prennent en compte les caractéristiques du bâtiment (par exemple l'isolation et l'apport solaire) et les conditions climatiques séparément.
Demande d'énergie pour le refroidissement
Les mêmes principes qui s'appliquent au chauffage s'appliquent également au refroidissement. Si l'on ne dispose pas de données horaires détaillées, la demande de refroidissement peut être estimée en utilisant les heures de pleine charge (HPC) ou une règle empirique.
Heures de pleine charge
Pour le climat belge, la valeur FLH typique pour le refroidissement se situe entre 500 et 1 000 heures. Une fois la puissance frigorifique maximale déterminée, la demande d'énergie peut être calculée comme suit :
$$énergie = pic \cdot FLH$$
Règle empirique
Vous pouvez également utiliser la valeur de référence pour la demande annuelle de refroidissement par mètre carré. Le tableau ci-dessous fournit ces valeurs.
| Type | Secteur des services | Secteur résidentiel | Moyenne |
|---|---|---|---|
| Autriche | 83 kWh/m² | 38 kWh/m² | 49 kWh/m² |
| Belgique | 50 kWh/m² | 23 kWh/m² | 28 kWh/m² |
| Allemagne | 74 kWh/m² | 33 kWh/m² | 46 kWh/m² |
| Les Pays-Bas | 37 kWh/m² | 16 kWh/m² | 22 kWh/m² |
| Espagne | 130 kWh/m² | 59 kWh/m² | 69 kWh/m² |
(Données obtenues auprès de la Feuille de route pour la chaleur en Europe)
Degrés-jours de refroidissement
Tout comme les degrés-jours de chauffage (DJC) peuvent être utilisés pour estimer la demande de chauffage, les degrés-jours de refroidissement (DJR) peuvent être utilisés pour estimer les besoins de refroidissement. Les DJC sont calculés sur la base de la différence entre une température d'équilibre (généralement 18°C) et la température extérieure réelle, lorsque cette dernière est plus élevée.
Deux formules empiriques, développées par la Commission européenne (ENER/C1/2018-493, doi : 10.2833/158083) sont
Pour le refroidissement des locaux dans le secteur résidentiel :
$$FLH=96+0.85\cdot CDD$$
Pour le refroidissement des locaux dans le secteur tertiaire :
$$FLH=475+0.49\cdot CDD$$
Demande d'énergie pour l'ECS
La demande en eau chaude domestique est un paramètre de plus en plus important dans la conception des champs de forage. Dans la plupart des contextes résidentiels, la valeur typique est d'environ 1000 kWh par personne et par an. Toutefois, ce chiffre peut être nettement plus élevé dans des bâtiments tels que les hôtels et les hôpitaux.
Résolution horaire
1TP8L'analyse d'un champ de forage en utilisant une résolution horaire fournira les résultats les plus précis, car les puissances de pointe (et leurs durées) n'ont plus besoin d'être estimées. Cela présente l'avantage de résoudre automatiquement des problèmes complexes tels que la combinaison du refroidissement actif et passif et la simultanéité (ces deux aspects seront abordés plus loin dans ce cours). Généralement, les données horaires sont générées à partir de simulations dynamiques de bâtiments (à l'aide de logiciels tels que IESVE, DesignBuilder, VICUS Buildings, IDA ICE, etc.), ou, dans le cas d'une rénovation, peuvent être basées sur des données de mesure.
Créer des profils de charge horaires dans GHEtool
Étant donné que les données de charge horaire ajoutent une valeur considérable à la conception des champs de forage (cela deviendra clair plus tard dans le cours), mais qu'elles sont souvent indisponibles, le GHEtool a été équipé d'une méthode permettant de créer un profil de charge horaire. Inspirée de la méthode des degrés-jours, cette méthode peut être utilisée pour mettre à l'échelle vos puissances de chauffage et de refroidissement de pointe estimées, ainsi que vos demandes d'énergie annuelles, pour obtenir un profil horaire basé sur les températures extérieures. La méthode comporte trois étapes consécutives.
- En partant d'un fichier météo et d'une température seuil initiale, au-delà de laquelle le chauffage commence, on obtient un profil horaire. Les valeurs les plus élevées se produisent aux heures où la température est la plus basse, et donc où la différence entre la température et le seuil est la plus grande. C'est à ces moments que l'on s'attend également à la demande de pointe la plus élevée. Le même raisonnement peut être appliqué à la demande de refroidissement.
- Ensuite, ce profil horaire est mis à l'échelle de la demande énergétique annuelle (qui est une donnée d'entrée) pour créer une charge horaire qui a la même demande annuelle que le bâtiment.
- Enfin, la puissance de pointe doit être vérifiée. Si la puissance de pointe du profil est différente de la demande de pointe du bâtiment, le seuil de température est ajusté de manière à ce que le chauffage commence plus tôt ou plus tard, et la deuxième étape est répétée.
Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons discuté de la demande du bâtiment et de la manière dont elle peut être estimée dans les premières étapes, en utilisant les degrés-jours de chauffage ou des règles empiriques. Une distinction a été faite entre une charge mensuelle et une charge horaire et une méthodologie pour créer une charge horaire a été introduite. Puisque jusqu'à présent, toutes les demandes étaient des demandes de bâtiments, une efficacité est nécessaire pour les traduire en charges au sol. C'est le sujet de l'étude chapitre suivant.
Questions
Références
-
- https://www.duurzamekoeling.be/publicaties.html [dernier accès 22/01/2026]
- https://www.npro.energy/main/en/load-profiles [dernier accès 22/01/2026]