Dans les deux chapitres précédents, nous avons examiné deux algorithmes différents visant à optimiser un système géothermique hybride : l’un qui maximise la puissance géothermique tout en éliminant le potentiel géothermique en termes de puissance, et l’autre qui maximise l’échange d’énergie géothermique tout en éliminant le potentiel géothermique en termes d’énergie. Bien que ces deux méthodes aient leurs propres avantages et inconvénients, elles ont toutes deux permis de conclure qu’un déséquilibre géothermique assez important pouvait subsister après l’optimisation. Ce problème sera résolu grâce à cette dernière méthode d’optimisation.
Système hybride optimisé pour l'équilibre
Lorsque le champ de forages est optimisé pour un équilibre géothermique maximal, l'objectif de conception est le suivant :
Optimisez la puissance de chauffage, de climatisation et/ou d'eau chaude sanitaire que vous pouvez injecter dans le sol ou en extraire à tout moment pendant la période de simulation, tant que le sol reste en équilibre.
À première vue, l'objectif de conception ci-dessus ressemble beaucoup à celui de la stratégie d'optimisation visant à obtenir une puissance maximale (Partie 9.2), avec l'exigence supplémentaire d'un champ de forage équilibré. En effet, lorsque le pourcentage de déséquilibre autorisé est fixé à 100%, les solutions des deux méthodes d'optimisation sont identiques.
Comme le montre clairement le profil de température ci-dessus, le champ de forages est désormais (presque) parfaitement équilibré, mais bien sûr au prix d’un potentiel énergétique résiduel. Toutefois, tout comme pour l’optimisation visant une puissance géothermique maximale, l’objectif de conception ci-dessus garantit que si x kW de chauffage, de refroidissement ou d’eau chaude sanitaire géothermiques sont installés, cette puissance installée pourra être utilisée pendant toute la durée de la simulation. Par conséquent, cette approche, tout comme l’optimisation pour la puissance et contrairement à l’optimisation pour l’énergie, n’entraîne aucun surdimensionnement du système hybride.
Algorithme Optimisation
La conception des systèmes géothermiques hybrides n'étant pas une mince affaire et pouvant parfois donner lieu à des résultats surprenants, il est important de bien comprendre l'algorithme d'optimisation sous-jacent. Le raisonnement algorithmique est expliqué ci-dessous.
- Commencez par un profil horaire de la demande en chauffage, en climatisation (et, éventuellement, en eau chaude sanitaire) et par une configuration donnée et fixe du champ de forage.
- Calculez le profil horaire des températures en tenant compte du fait que 100% des besoins du bâtiment sont couverts par le réseau de forages géothermiques.
- Vérifier si :
- La température minimale du fluide est inférieure au seuil défini ou bien il existe un déséquilibre supérieur à $\alpha$% pour l'extraction.
Si c'est le cas, la puissance d'extraction est trop élevée ; il convient donc de la réduire en limitant soit la demande de chauffage, soit celle d'eau chaude sanitaire. Selon celle que vous souhaitez réduire en premier, la demande de chauffage ou celle d'eau chaude sanitaire sera réduite d'un facteur x% pour l'ensemble de la simulation.
Si la température minimale du fluide est supérieure au seuil, les besoins actuels en chauffage et en eau chaude sanitaire peuvent être couverts par le réseau de forages géothermiques. - La température maximale du fluide est supérieure au seuil défini ou bien il existe un déséquilibre supérieur à $\alpha$% pour injection.
Si c'est le cas, la puissance d'injection est trop élevée, ce qui signifie que la puissance de refroidissement doit être réduite de x% pour l'ensemble de la simulation.
Si la température maximale du fluide est inférieure au seuil, le champ de forage peut supporter l'injection et aucune modification n'est nécessaire.
- La température minimale du fluide est inférieure au seuil défini ou bien il existe un déséquilibre supérieur à $\alpha$% pour l'extraction.
- Si les deux températures obtenues à l'étape (3) se situent dans les limites et le déséquilibre est inférieur à $\alpha$%, les charges géothermiques et hybrides sont déterminées, et l'algorithme passe à l'étape (7). Si au moins l'un des seuils de température est dépassé, l'algorithme passe à l'étape (5).
- Recalculez la charge horaire du champ de forages en utilisant les nouvelles puissances de pointe maximales pour le chauffage, le refroidissement (et l'eau chaude sanitaire) telles que déterminées à l'étape (3). Réacheminez la puissance ou l'énergie que le champ de forages ne peut pas prendre en charge vers la technologie hybride.
- Recalculer le profil horaire de la température et revenir à l'étape (3).
- C'est fait.
L'algorithme d'optimisation ci-dessus est très similaire à celui présenté dans Partie 9.2, avec l'ajout important d'un pourcentage de déséquilibre acceptable. D'un point de vue graphique, cela se traduit, là encore, par une courbe charge-durée, mais cette fois-ci, la surface hachurée correspondant au refroidissement est égale à celle correspondant au chauffage et à l'eau chaude sanitaire, comme illustré ci-dessous.
Exemple en GHEtool
Afin d'illustrer les avantages et les inconvénients de cette méthode par rapport à l'approche d'optimisation de la puissance, nous reprenons l'exemple présenté dans le chapitre précédent. Pour commencer, nous considérons le même réseau de forages 5×5 avec une profondeur de forage de 100 m. La part géothermique du système géothermique hybride est présentée ci-dessous.
Ce qui ressort immédiatement à la vue du graphique ci-dessus, c'est que l'optimisation en fonction de l'équilibre réduit à zéro la part de l'énergie géothermique pour le chauffage. En effet, comme le prélèvement est bien supérieur à l'injection, l'optimisation en fonction de l'équilibre limite en réalité le système à la charge d'injection. Le profil de température est présenté dans le graphique ci-dessous, où cela est clairement visible.
Dans la simulation ci-dessus, un déséquilibre géothermique acceptable de 5% a été autorisé ; comme le montre le diagramme de Sankey ci-dessous, ce déséquilibre est en effet extrêmement faible et la majeure partie des besoins en chauffage et en eau chaude sanitaire est couverte par le système hybride.
Lorsque la taille du réseau de forages est réduite à un réseau 4×4, on obtient la part géothermique suivante. Il ne reste alors plus que la moitié de la demande en eau chaude sanitaire et 781 TP21T de la demande en refroidissement. Ces valeurs sont inférieures aux 621 TP21T et 941 TP21T du cas 5×5. Cela s’explique par le fait que, le champ de forages étant désormais plus petit, la puissance d’injection de pointe qu’il peut supporter est également plus faible, ce qui réduit la part totale dans le refroidissement et, du fait d’un déséquilibre requis de seulement 51 TP21T, la demande en eau chaude sanitaire également.
Une autre variante consiste à augmenter le déséquilibre admissible de 5% à, par exemple, 25%. Cela permet d'augmenter la part de l'énergie géothermique dans l'eau chaude sanitaire, car un déséquilibre plus important est désormais autorisé. Cela modifie immédiatement la part de l'énergie géothermique dans l'eau chaude sanitaire, qui passe de 51% à 66%, avec un profil de température similaire à celui ci-dessous.
Bien que le déséquilibre soit nettement plus important dans le profil ci-dessus (6,7 MWh/an contre 1,0 MWh/an), il reste à peine perceptible. Cela illustre une fois de plus qu’il n’existe pas de solution miracle dans la conception des systèmes géothermiques hybrides, et que les méthodologies sont d’ailleurs conçues pour être très flexibles, afin que vous, en tant que concepteur géothermique, puissiez les adapter et trouver la solution la mieux adaptée à votre projet particulier.
Conclusion
Ce chapitre a présenté la troisième méthode de conception d'un système géothermique hybride, à savoir celle qui vise à optimiser le bilan géothermique. Fondamentalement, cette méthode constitue une adaptation plus poussée de la méthodologie d'optimisation de la puissance, avec l'exigence supplémentaire d'un déséquilibre géothermique maximal acceptable.
Dans l'exemple étudié, l'optimisation visant à atteindre l'équilibre n'a laissé aucune marge pour une demande de chauffage sur le champ de forages, en raison de la charge de refroidissement limitée. La part de la géothermie a donc considérablement diminué. Lorsque le déséquilibre géothermique autorisé a été porté à 25%, la part de la géothermie dans la production d’eau chaude sanitaire est passée de 51% à 66%. Cela montre que la méthode d’optimisation visant un équilibre maximal constitue un outil supplémentaire à votre disposition pour aborder la conception de systèmes géothermiques hybrides complexes.
Dans le cadre de la chapitre suivant, une approche différente sera mise en place, dans laquelle le système hybride ne sera pas optimisé mais simulé.
Références
- Peere, W. (2025). Trois méthodes de conception d'un système hybride de chauffage et de climatisation géothermique pour un immeuble de bureaux. Dans Actes de la conférence Geo-Rin. Benasque (Espagne), du 2 au 6 juin 2025. [en ligne]