Dans ce chapitre, nous examinons de plus près l'importance de la conception du champ de forage. Dans le chapitre précédent, nous avons examiné les avantages d'une pompe à chaleur géothermique, et nous avons constaté que ces pompes ont tendance à avoir un coût d'investissement initial plus élevé. Il est donc important que la source géothermique, le champ de forage, soit correctement conçue pour que l'installation d'une pompe à chaleur géothermique reste financièrement intéressante.
Avant de nous pencher sur les deux principales catégories de conception de champs de forage, examinons de plus près l'objectif de la conception.
L'objectif de la conception du champ de forage
Qu'entendons-nous lorsque nous parlons de conception de champs d'exploration ? Quel est l'objectif exact de la conception ? Pour le comprendre, nous devons examiner les profils de température, comme celui que vous pouvez voir ci-dessous.
Dans le graphique ci-dessous, vous pouvez voir deux lignes : la température moyenne du fluide dans le champ de forage et la température de la paroi du trou de forage (qui se trouve en dessous et est presque visible comme une sorte d'ombre de l'autre ligne). Ces lignes illustrent le comportement du champ de forage au fil des ans (on observe une tendance à la baisse dans ce cas, que l'on appelle la déséquilibre) et d'heure en heure. Le concept de la conception du champ de forage consiste maintenant à maintenir ces températures de fluide dans une certaine fourchette. Si le fluide dépasse ces limites, le champ n'est pas dimensionné avec précision et un champ de forage plus important est nécessaire. Dans ce qui suit, ces limites de température seront examinées.
Température minimale du fluide
L'une des limites de la température du fluide est la température minimale du fluide. Pour des raisons de durabilité, nous ne voulons pas que le sol devienne gelé au fil du temps, c'est pourquoi la plupart des régions établissent des directives de conception spécifiques sur la température minimale autorisée. Dans la plupart des pays, la température moyenne du fluide doit rester supérieure à 0°C après 25 ans, mais dans la région de Bruxelles (Belgique), c'est la température minimale qui s'applique. température d'entrée qui doit rester supérieure à 0°C après 25 ans. En Suisse, la limite de conception est une température moyenne des fluides de -1,5°C après 50 ans.
Outre les raisons juridiques, il existe également des raisons techniques et de développement durable. Afin de ne pas nuire à la vie dans le sol, nous voulons éviter de geler le sol. En outre, la glace est un mauvais conducteur de chaleur, de sorte que lorsque le trou de forage gèle, une couche de glace se forme, isolant efficacement le trou de forage, ce qui entraîne une diminution de l'efficacité de votre système, voire une panne.
Comme le coulis est également poreux, l'humidité est généralement présente et, lorsque le trou de forage gèle, cette humidité se dilate et peut provoquer des fissures dans le coulis. Au fil des années (ou des cycles de gel), ces fissures peuvent s'agrandir et causer des dommages importants à la structure du trou de forage et (potentiellement) à la performance thermique.
Température maximale du fluide
Outre la limite minimale de température du fluide, il existe également une limite maximale. Outre les exigences légales (typiquement moins de 25°C de température moyenne ou de température du fluide d'injection), il y a aussi une raison technique.
Si un refroidissement passif est nécessaire, nous voulons généralement rester en dessous des 16-18°C comme température moyenne du fluide, de manière à avoir 17-19°C disponibles de l'autre côté de l'échangeur de chaleur pour refroidir notre bâtiment, ce qui est généralement le maximum que l'on puisse atteindre pour garantir une capacité de refroidissement suffisante.
Lorsque le refroidissement actif est utilisé, ce seuil de 17°C n'est plus une exigence stricte, puisque la pompe à chaleur peut évacuer la chaleur dans des champs de forage plus chauds.
Deux catégories de conception de champs de forage
Maintenant que l'objectif de la conception de notre champ de forage est clair - rester dans des limites prédéfinies - examinons deux approches différentes pour calculer la taille requise du champ de forage : la règle empirique ou l'utilisation d'un logiciel de conception de champ de forage.
Règles empiriques
Comme dans tous les autres domaines du génie climatique, il existe de nombreuses façons de concevoir un système. Le domaine de la géothermie n'est pas différent. La littérature mentionne quatre niveaux différents de précision pour le dimensionnement des champs de forage, allant des règles empiriques linéaires aux simulations horaires (ce point sera abordé dans une partie ultérieure). Ce dernier niveau est bien sûr le plus précis, mais dans la pratique, on utilise encore souvent des règles empiriques pour le dimensionnement des champs de forage. Ces règles se présentent sous la forme d'une puissance spécifique par longueur de forage (par exemple 30W/m forage), et offrent au concepteur un moyen rapide de dimensionner un système en divisant simplement la charge de pointe requise par ce facteur.
Cependant, quels sont les critères importants qui ont donné lieu à cette valeur constante ? S'agit-il d'un champ de forage peu profond ou plus profond ? Est-elle conçue pour fonctionner avec des pics de chaleur ou également pour des pics de refroidissement ? Suppose-t-elle un écoulement laminaire ou turbulent ? Quel type d'échangeur de chaleur a-t-on utilisé ? Quelles étaient les propriétés du sol, la configuration du champ de forage ...
Le recours à des règles empiriques ne permet pas d'améliorer votre conception, car elles font abstraction du profil de température dont il a été question précédemment. Il n'est donc pas clair si votre champ de forage est surdimensionné ou sous-dimensionné.
Logiciel de conception de champs de forage
Lors de la conception d'un champ de forage géothermique, de nombreuses décisions doivent être prises. Vous devez non seulement déterminer la longueur totale du forage nécessaire, mais aussi la configuration du champ de forage, la profondeur et les internes du forage. Des paramètres tels que le régime du fluide (laminaire ou turbulent) sont particulièrement importants pour la conception finale. Avec un logiciel de conception spécialisé comme GHEtool Cloud, vous pouvez saisir tous ces paramètres spécifiques au projet et calculer le nombre de trous de forage nécessaires pour rester dans les limites de température. Vous êtes ainsi assuré que votre champ de forage est toujours correctement dimensionné et, par conséquent, optimisé sur le plan économique. Les disparités entre un résultat obtenu à partir d'une règle empirique et un résultat obtenu à partir d'un logiciel de conception de champs de forage peuvent être très importantes.
Comparaison entre les outils et les règles empiriques
Pour illustrer les résultats contrastés de la conception entre le dimensionnement avec des règles empiriques et GHEtool Cloud, une analyse complète a été menée. Trois bâtiments différents - un auditorium, un bureau et un immeuble résidentiel multifamilial - ont fait l'objet d'une simulation dynamique avec une résolution horaire afin de saisir avec précision les variations de la demande thermique. Ensuite, ces profils horaires de demande de chauffage et de refroidissement ont été utilisés comme données d'entrée pour GHEtool afin de dimensionner le champ de forage dans de nombreux scénarios : écoulement laminaire ou turbulent, conductivité thermique du coulis variable, trous de forage profonds ou peu profonds ...
Chaque simulation est représentée par un point rouge distinct dans les figures ci-dessous, montrant l'éventail des possibilités de conception et l'impact significatif de l'utilisation de GHEtool pour le dimensionnement précis des champs de forage.
Tous les points rouges de la figure ci-dessus représentent des champs de forage correctement dimensionnés, les variations provenant des différences dans les données d'entrée de la conception. Si l'on compare la gamme des tailles potentielles obtenues par GHEtool avec la valeur unique dérivée d'une règle empirique, il est clair que cette dernière n'offre qu'un aperçu minimal de la précision et de la robustesse de la conception des champs de forage.
Mais peut-être que la règle empirique de 30 W/m était tout simplement erronée ? Si nous inversons la règle empirique en nous basant sur les puissances maximales connues et les différents dimensionnements de la figure précédente, l'extraction/injection de chaleur spécifique varie de 30 à 230 W/m. Cette large gamme est une conséquence inhérente de la flexibilité de conception dont vous disposez en tant que concepteur de champ de forage, qui ne peut tout simplement pas être réduite à un chiffre unique.
Conclusion
L'objectif de la conception des champs de forage est clair : nous voulons nous assurer que les températures de nos fluides restent dans certaines limites, soit pour des raisons légales, soit sur la base de bonnes pratiques. Il n'est pas possible d'obtenir cette certitude en travaillant avec des règles empiriques, car elles font abstraction du profil de température et établissent une corrélation directe entre la taille requise et les puissances de pointe demandées.
En tant que concepteur géothermique, un outil comme GHEtool vous donne tout ce dont vous avez besoin pour dimensionner avec précision les champs de forage, en tenant compte de tous les aspects importants tels que les éléments suivants propriétés du sol, La demande thermique et l'efficacité de la pompe à chaleur. Ces questions seront abordées dans les chapitres suivants.
Références
- SIA 384/6
- Selçuk E., Bertrand F. (2016). Dommages causés par le gel aux matériaux d'injection pour les échangeurs de chaleur en forage : Experimental and analytical evaluations. Geomechanics for Energy and the Environment, Volume 5, Pages 29-41, ISSN 2352-3808, https://doi.org/10.1016/j.gete.2015.12.002.
- Peere, W. (2024). Les règles empiriques sont-elles trompeuses ? La complexité du dimensionnement des champs de forage et l'importance du logiciel Design. IEA HPT Magazine 42(1), https://doi.org/10.23697/7nec-0g78.