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Partie 2
Chapitre 4
février 2026

Notre première simulation GHEtool

Au cours des derniers chapitres, nous avons parlé des effets de la température à court et à long terme et de ce qui les influence. Dans ce chapitre, nous utiliserons GHEtool Cloud pour mettre cette théorie en pratique et découvrir les effets du gradient de température dans le sol, du type d'antigel, de la configuration du champ de forage, etc.

Pour tirer le meilleur parti de ce cours, il est fortement conseillé d'essayer de résoudre les exercices par vous-même dans GHEtool. Si vous n'avez pas encore de compte, vous pouvez vous inscrire gratuitement sur https://cloud.ghetool.eu/register et commencez votre période d'essai gratuite de 14 jours.

L'exercice

Le cas de cet exercice est basé sur un immeuble de bureaux réel situé dans la ville de Gand (Belgique). Tout au long de cet exercice, vous explorerez l'influence du gradient de température géothermique sur la conception, comparerez l'impact de l'utilisation du MPG par rapport à l'eau comme fluide de transfert de chaleur, évaluerez le choix entre les configurations de tubes en U simples et doubles, et obtiendrez des informations générales sur la conception des champs de forage pour les bâtiments ayant une forte demande de refroidissement.

Comme c'est la première fois que nous faisons une simulation dans ce cours, nous n'utiliserons que les hypothèses traditionnelles lors de la conception des champs de forage. Cela signifie que nous allons, volontairement pour l'instant, désactiver tous les modèles plus avancés et plus précis dans GHEtool. Plus tard dans ce cours, nous les réactiverons pour illustrer clairement leurs avantages supplémentaires.

Paramètres d'entrée

Ci-dessous, les différents paramètres d'entrée requis sont donnés pour suivre cette simulation.

Paramètres généraux d'entrée

La simulation sera effectuée avec un seuil minimum de fluide moyen de 2°C (de sorte que nous ayons un régime de 0-4°C à travers le champ de forage et que nous puissions empêcher le gel local) et une température moyenne maximale du fluide de 17°C (pour le refroidissement passif). La simulation débutera en janvier et la période de simulation sera de 40 ans.

Propriétés du sol

Nous allons travailler avec une couche de sol homogène, mais comme en réalité il y a différentes couches à cet endroit, nous travaillerons avec une conductivité thermique du sol de 1,6 W/(mK) lorsque notre trou de forage est à 150 m de profondeur et de 1,7 W/(mK) lorsqu'il est à 100 m. La capacité thermique volumétrique du sol est de 2,4 MJ/(m³K) et pour la température, on peut utiliser l'entrée de la base de données ‘BEL-Gent’. La capacité thermique volumétrique du sol est de 2,4 MJ/(m³K) et pour la température, l'entrée de la base de données "BEL-Gent" peut être utilisée.

Paramètres de Borefield

Dans cet exercice, nous travaillerons avec des champs de forage rectangulaires (bien que vous puissiez choisir d'autres configurations) avec un espacement égal entre les trous de forage dans le sens de la longueur et de la largeur de 6 m. La profondeur d'enfouissement est de 0,7 m et la configuration initiale sera de 15 par 14 trous de forage de 150 m de profondeur.

GHEtool fait la distinction entre les longueur du trou de forage et le profondeur du trou de forage. La première est définie comme la partie verticale active du trou de forage et correspond à la longueur de la sonde verticale. La profondeur du trou est définie comme la distance entre la surface du sol et le point le plus profond du trou. La différence entre les deux est la profondeur d'enfouissement. C'est la profondeur, par rapport à la surface du sol, à laquelle les connexions horizontales entre les trous de forage sont installées. C'est donc à cette profondeur que le forage commence à devenir vertical.

Paramètres de résistance des forages

Pour notre simulation initiale, un double tube en U DN32 sera installé dans le trou de forage, avec un sol de 1,5 W/(mK), une distance de 35 mm entre le tube et le centre du trou de forage et un diamètre de 140 mm. Le fluide caloporteur est 25 v/v% de MPG et le débit total, constant, à travers le champ de forage est de 35 l/s.

Dans GHEtool Cloud, vous pouvez travailler avec un débit par trou de forage ou pour l'ensemble du champ de forage. Finalement, les deux méthodes sont équivalentes, mais travailler avec un débit par champ de forage est moins risqué. En effet, il y a de fortes chances que vous jouiez avec votre conception et que le nombre de trous de forage varie d'un scénario à l'autre. Cela implique que, si vous travaillez avec un débit par trou de forage, le débit résultant dans votre système changera également (ou vous devrez le recalculer manuellement à chaque fois). Si vous travaillez avec un débit pour l'ensemble du champ de forage, vous pouvez être assuré que le débit est toujours égal et correct.

Demande thermique

Pour la demande thermique, nous travaillerons avec un profil de charge mensuel car il s'agit d'une étude de faisabilité avec des estimations approximatives. Les pics de demande de chauffage et de refroidissement sont respectivement de 306 kW et 336 kW avec une demande énergétique annuelle de 398 MWh et 269 MWh. L'efficacité saisonnière de la pompe à chaleur est de 4,5 pour le chauffage et notre ratio d'efficacité énergétique saisonnière pour le refroidissement passif est de 20.

Design questions

Pour cet exercice, vous êtes invité à répondre aux questions de conception suivantes tout en suivant la longueur totale du trou de forage pour chaque étape. Cela vous aidera à évaluer les implications en termes de coûts et de performances des différentes modifications apportées à la conception.

Compte tenu de la conception initiale du champ de forage de 15×14 trous de forage à 150 m, s'agit-il d'une bonne conception ?
Imaginons qu'il y ait une couche de sol difficile à 110 m de profondeur. Combien de forages supplémentaires devrions-nous réaliser si nous réduisons la profondeur des forages à 100 m ? Essayez d'y réfléchir avant de commencer à simuler.
Que se passe-t-il si nous actualisons la conductivité thermique du sol à la valeur correcte ? Pouvons-nous modifier la conception ?
Que devient le profil de température si nous remplaçons le fluide par de l'eau ?
Comment pouvons-nous repenser notre champ de forage pour qu'il soit plus rentable ?
Que se passe-t-il pour notre projet si nous passons d'un tube en double U à un tube en simple U ?
Quelle est la différence entre un DN40 et un DN32 ?

La solution dans GHEtool Cloud

Comme nous l'avons dit précédemment, la conception d'un champ de forage géothermique peut devenir très vite compliquée. Dans ce chapitre, notre objectif est de la rendre aussi simple que possible. Il est donc important que le paramètre ‘Propriétés des fluides en fonction de la température’ soit réglé sur ‘non’ dans l'onglet général de GHEtool Cloud.

Question 1

Le profil de température avec les conditions initiales, tel que simulé avec GHEtool, peut être vu dans la figure ci-dessous. La température moyenne minimale du fluide ne pose absolument aucun problème, puisqu'elle reste 40 ans au-dessus des 10°C. La température moyenne maximale du fluide est de 17,19°C, ce qui est légèrement supérieur à notre seuil de 17°C.

Profil de température pour un champ de forage 15x14 de 150m de profondeur (généré avec GHEtool). — Profil de température pour un champ de forage 15 x 14 de 150 m de profondeur.

La question presque philosophique qui se pose maintenant est la suivante : ce champ de forage a-t-il été conçu correctement ? Cela dépend. Si vous êtes tout à fait sûr de votre puissance de pointe ou si elle est peut-être un peu plus faible, il est plus important de respecter vos limites de température. Toutefois, dans le cas présent, nous réalisons une étude de faisabilité d'un projet de grande envergure en nous basant sur les premières estimations. Il est probable qu'elles comportent déjà une bonne dose de sécurité, de sorte que le dépassement de la limite de température de seulement 0,19°C n'est pas un problème majeur.

En fin de compte, l'ingénierie consiste à s'assurer que le système fonctionne en travaillant avec des facteurs de sécurité et, en fonction de la marge supplémentaire que vous prenez, les limites de température peuvent être plus ou moins strictes.

Question 2

Lorsque la profondeur maximale des forages est réduite à 100 m, le premier réflexe pourrait être d'augmenter le nombre total de forages de 30% afin de conserver la même longueur totale de forages. Cependant, le profil de température ci-dessous n'a nécessité que l'ajout de 15 forages, pour un total de 225. La température moyenne maximale du fluide est ici de 17,18°C.

Profil de température pour un champ de forage 15x15 de 100m de profondeur. — Profil de température pour un champ de forage 15 x 15 de 100 m de profondeur.

La raison principale en est qu'en raison de notre gradient de température, la température moyenne du sol non perturbé est maintenant de 12,02°C, ce qui est nettement inférieur aux 13,27°C de la question précédente, ce qui fait baisser toutes les lignes.

Vous avez peut-être remarqué que l'amplitude du profil sinusoïdal est nettement plus importante dans ce cas que dans la simulation précédente. Si vous vous souvenez de notre chapitre précédent sur la résistance thermique effective du trou de forage, nous avons dit que (outre la résistance), la longueur totale du trou de forage est également importante.

Dans ce cas, la longueur du trou de forage est nettement inférieure, ce qui signifie que notre injection de chaleur spécifique est presque 30% plus élevée. Cela augmente la différence de température entre la paroi du trou de forage et les températures du fluide. Toutefois, cet effet est compensé par une meilleure résistance du trou de forage et une température du sol plus basse.

Le traditionnel règle des trois ne s'applique pas au domaine de la physique des champs de forage, car tous les aspects sont étroitement liés. Travailler avec une règle simplifiée peut conduire à un surdimensionnement ou à un sous-dimensionnement important du champ de forage.

Question 3

Dans la simulation précédente, il y a de fortes chances que vous ayez oublié de modifier la conductivité thermique du sol à 1,7 W/(mK), étant donné que notre profondeur a changé. (Félicitations si vous ne l'avez pas oublié !)

Nous enlevons donc à nouveau 15 trous de forage et nous nous retrouvons avec la configuration initiale de 15 x 14, mais avec seulement 100 m de profondeur de forage au lieu de 150 m. La température maximale du fluide pendant la période de pointe est de 17,22°C.

Profil de température pour un champ de forage 15x145 de 100m de profondeur. — Profil de température pour un champ de forage 15 x 14 de 100 m de profondeur.

Question 4

Jusqu'à présent, toutes les simulations ont été effectuées avec 25 v/v% de MPG, ce qui nous donne une protection contre le gel jusqu'à -11°C. Toutefois, si l'on examine ces profils, on constate que cette protection n'est absolument pas nécessaire. Si nous remplaçons notre fluide dans GHEtool par de l'eau, nous obtenons un débit transitoire avec un nombre de Reynolds de 2442, qui présente déjà une certaine turbulence. Cela réduit la résistance thermique effective de notre trou de forage de 0,1547 mK/W à 0,1273 mK/W. La température moyenne maximale du fluide est maintenant inférieure de 0,5°C : 16,76°C.

Profil de température pour un champ de forage 15x14 de 100m de profondeur avec de l'eau comme fluide de transfert de chaleur. — Profil de température pour un champ de forage 15 x 14 de 100 m de profondeur avec de l'eau comme fluide caloporteur.

Question 5

Lorsque nous travaillons avec de l'eau, la température moyenne minimale du fluide n'est plus de 2°C mais plus proche de 6°C (bien qu'elle puisse varier en fonction des exigences du fabricant de la pompe à chaleur). La taille du champ de forage pourrait être réduite à seulement 15 x 13 trous de forage en raison du nombre de Reynolds plus élevé et donc de la résistance plus faible du trou de forage.

Profil de température pour un champ de forage 15x13 de 100m de profondeur avec de l'eau comme fluide de transfert de chaleur. — Profil de température pour un champ de forage 15 x 13 de 100 m de profondeur avec de l'eau comme fluide caloporteur.

Vous avez peut-être vu que le nombre de Reynolds est passé de 2442 à 2986 lorsque nous sommes passés de 15 x 14 trous de forage à 15 x 13 trous de forage. Cependant, comme le nombre de Reynolds est linéaire par rapport au débit, le fait de passer de 210 trous de forage à 195 trous de forage n'augmenterait le débit que de 7-8%, ce qui nous donnerait un nombre de Reynolds d'environ 2630. Pourquoi le nombre de Reynolds est-il ici beaucoup plus élevé ?

La réponse se trouve dans le seuil de température minimum. Lorsque les propriétés des fluides en fonction de la température sont désactivées, les propriétés des fluides (densité, viscosité, etc.) sont calculées à cette température. La viscosité à 6°C étant inférieure à celle de 2°C, le nombre de Reynolds augmente également lorsque l'on travaille avec un autre seuil de température. Ce point sera abordé plus en détail dans la partie suivante.

Question 6

Lorsque nous passons d'un tube en U double DN32 à un simple DN32, le nombre de Reynolds passe à 5971, ce qui rend l'écoulement 100% turbulent et réduit la résistance thermique par convection. Cependant, la résistance du trou de forage a augmenté de 0,1142 mK/W à 0,1358 mK/W. Étant donné que nos tubes à simple et double U étaient déjà assez turbulents (le double U était déjà loin dans le régime transitoire), il n'y avait pas grand-chose à gagner ici. Comme le simple U a moins de surface de contact que le double U, la résistance globale de notre trou de forage sera légèrement moins bonne.

La température moyenne maximale des fluides est maintenant de 17,29°C.

Profil de température pour un champ de forage 15 x 13 de 100 m de profondeur avec de l'eau comme fluide caloporteur et un seul DN32.

Question 7

Comme dernière variation, le DN32 a été remplacé par un DN40. Ici, l'écoulement est toujours turbulent (Re=4762), mais la résistance du trou de forage est à nouveau légèrement meilleure avec 0,1257 mK/W, ce qui nous donne une température moyenne maximale du fluide de 17,11°C. Cela s'explique par le fait que le DN40 a une plus grande surface, ce qui facilite le transfert de chaleur et, comme l'écoulement reste turbulent, c'est le paramètre le plus important.

Profil de température pour un champ de forage 15 x 13 de 100 m de profondeur avec de l'eau comme fluide caloporteur et un seul DN40.

Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons effectué nos premières simulations en GHEtool Cloud pour un immeuble de bureaux. En faisant des choix de conception intelligents, nous avons pu réduire la longueur totale du trou de forage de plus de 30%. Il est clair que tous les choix de conception (la profondeur du forage, le type d'antigel, le nombre de tubes en U ...) influencent la conception du champ de forage.

Dans la prochaine partie, nous nous pencherons plus avant sur la physique du champ de forage, en examinant les nouveaux modèles permettant des simulations plus précises.

Questions

Nous vous suggérons d'essayer de résoudre ces questions d'abord par le raisonnement, puis de valider votre raisonnement avec le GHEtool. C'est ainsi que vous obtiendrez le plus d'informations.

Pouvez-vous imaginer d'autres moyens d'améliorer la conception de la dernière question, tout en continuant à travailler avec une seule sonde DN40 ?

Nous avons discuté dans Partie 1.3 que l'hypothèse d'un gradient géothermique linéaire n'est pas si exacte, en particulier dans les centres-villes. Le projet étant situé dans la ville de Gand, il est probable qu'il y ait un effet d'îlot thermique urbain et que la température du sol soit plus élevée dans les premières couches. Comment tiendriez-vous compte de cet effet et quel serait l'impact sur la taille de votre champ de forage ?

Nous supposons maintenant que la simulation a commencé en janvier. Le résultat serait-il différent pour une simulation commençant en juin ? Pourquoi ?

Téléchargements

Télécharger la simulation GHEtool de ce chapitre ici.

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