Dans le chapitre précédent, nous avons abordé les avantages d'un système géothermique hybride, ainsi que les difficultés liées à sa conception. Dans ce chapitre, nous aborderons la première stratégie d'optimisation permettant de dimensionner les systèmes géothermiques hybrides, à savoir la méthodologie visant à optimiser la puissance géothermique maximale.
Système hybride optimisé pour la puissance
Lorsque le champ de forages est optimisé pour une production géothermique maximale, 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.
La philosophie de conception de cette méthodologie consiste donc à créer un champ de forages ne présentant plus de potentiel de puissance, mais uniquement d'énergie. Elle garantit que si x kW de chauffage, de refroidissement ou d'eau chaude sanitaire géothermiques sont installés, cette puissance installée puisse être utilisée pendant toute la durée de la simulation. Vous trouverez ci-dessous un exemple de profil de température obtenu après optimisation en termes de puissance.
Comme le montre le profil de température ci-dessus, la température du fluide atteint les deux limites de température, ce qui indique qu'il n'y a plus de potentiel géothermique disponible pour la production d'électricité.
L'avantage de cet algorithme est qu'il simplifie considérablement la conception globale du système hybride. Si le bâtiment présente, par exemple, un besoin en chauffage de 100 kW et que l'optimisation indique que l'on peut obtenir 60 kW d'énergie géothermique pendant toute la période de simulation, la technologie hybride peut simplement être conçue pour fournir les 40 kW restants, ce qui évite tout surdimensionnement du système.
Il est important de noter que l'affirmation selon laquelle la puissance optimisée est toujours disponible pendant la période de simulation repose sur l'hypothèse que le le profil de charge reste inchangé. Si vous concevez votre système hybride en fonction d'un profil de charge donné, l'algorithme garantit en effet que la puissance calculée est toujours disponible pendant la période de simulation. Lorsque ce profil change, cette garantie ne peut plus être assurée.
En réalité, ce raisonnement est exactement le même que celui utilisé lors de la conception de tout système géothermique à charge horaire : pour une répartition horaire donnée, les limites de température peuvent être respectées, tandis qu'un autre profil de charge pourrait entraîner un sous-dimensionnement du champ de forages.
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.
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.
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.
- Si les deux températures de l'étape (3) se situent dans les limites, 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.
Pour le dire de manière schématique, l’algorithme recherche la puissance maximale de chauffage, de climatisation et d’eau chaude sanitaire sur la courbe de charge-durée, puis plafonne la charge à cette puissance. Tout ce qui se situe en dessous de cette puissance maximale peut être fourni par le champ de forages, tandis que la zone non hachurée doit être couverte par une autre source.
Dans le profil ci-dessus, on constate que la puissance maximale pour le chauffage est plafonnée à environ 20 kW et celle pour le refroidissement à environ 45 kW, tandis que l'eau chaude sanitaire peut être entièrement fournie par la pompe à chaleur géothermique, dont la puissance maximale est de 30 kW.
Exemple en GHEtool
Afin d'illustrer l'efficacité de cette méthode, nous prendrons l'exemple d'un immeuble résidentiel dont la puissance de chauffage est légèrement inférieure à 50 kW et celle de climatisation à 100 kW, avec des besoins annuels respectifs de 92,5 MWh et 24 MWh. Par ailleurs, nous prendrons également en compte une demande horaire en eau chaude sanitaire, avec une puissance de pointe de 30 kW et une demande annuelle en eau chaude sanitaire de 60 MWh.
L'échangeur de chaleur enterré est constitué d'un double tube en U de DN32, contenant 25 v/v% de MPG et présentant un débit variable en fonction d'un écart de température de 3 °C au niveau de la pompe à chaleur. Les températures moyennes minimales et maximales du fluide sont respectivement de 0 °C et 17 °C sur une période de 40 ans.
Lorsque la charge 100% doit être fournie par le champ de forages, il faut un champ de forages comprenant 40 forages de 100 m de profondeur. Malheureusement, cet espace (ou ce budget) n'est pas disponible pour ce projet, et la question est de savoir quelle part d'énergie géothermique il est possible d'obtenir avec 30 forages au maximum.
Pour commencer, on considère un réseau de 5 × 5 forages de 100 m de profondeur. Comme on pouvait s'y attendre, la taille de ce réseau est trop petite, comme le montre le profil de température ci-dessus, où les seuils minimal et maximal de température du fluide sont tous deux dépassés. Il apparaît clairement que, dans ce cas, un système hybride est nécessaire.
Lorsque ce système hybride est conçu et optimisé pour fournir une puissance maximale, on obtient le résultat suivant.
Dans le cas de forages 5×5, l'ensemble de l'eau chaude sanitaire peut en effet toujours être fourni par le système géothermique, ainsi que 89,51 TP21T de la demande totale de chauffage, avec une puissance maximale de 25 kW. Une technologie de chauffage hybride d’une puissance de 22,5 kW est nécessaire pour couvrir les 10,51 TP21T restants de la demande de chauffage. La quasi-totalité du refroidissement (971 TP21T) peut également être assurée par le champ de forages géothermiques, mais un système hybride d’une puissance de 43 kW est nécessaire pour couvrir les pics de refroidissement les plus élevés en été.
Le profil de température obtenu est présenté ci-dessous ; on constate en effet qu'il ne reste plus aucun potentiel énergétique.
Afin de réduire encore davantage le coût d'investissement, la taille du champ de forage est ramenée à 20 forages, disposés selon une grille de 4 sur 5. La répartition énergétique qui en résulte pour le système hybride est présentée ci-dessous.
Lorsque la taille du champ de forage est réduite, la part de la géothermie diminue à 73% pour le chauffage et à 92% pour le refroidissement, tandis que la part consacrée à la production d’eau chaude sanitaire reste inchangée à 100%. En réduisant encore davantage le champ de forage à 16 forages, soit une diminution de 601 TP21T par rapport aux 40 forages d’origine, le champ de forage est toujours en mesure de couvrir 571 TP21T de la charge de chauffage, 851 TP21T de la charge de refroidissement et 1 001 TP21T de la demande en eau chaude sanitaire. La courbe de durée de charge pour ce cas 4×4 est présentée ci-dessous.
Cela illustre parfaitement l'intérêt d'opter pour un système géothermique hybride : même avec un réseau de forages nettement plus restreint, ce dernier permet tout de même de couvrir une part importante des besoins de votre bâtiment.
Lorsque l'on conserve le même champ de forages 4×4, mais que l'optimisation est désormais configurée de manière à réduire d'abord la demande en eau chaude sanitaire, puis la charge de chauffage, on obtient la part d'énergie géothermique suivante.
Avec cette configuration, la totalité des besoins en eau chaude sanitaire est couverte par un système hybride, ainsi que 3,14% des besoins en chauffage. En effet, il ne suffit pas de réduire simplement la demande en eau chaude sanitaire à 0 kW pour maintenir les températures du fluide dans les limites requises pendant l’extraction. Une réduction supplémentaire de la puissance de chauffage est donc nécessaire. La part du refroidissement géothermique est de 78,41 TP21T. Le profil de température obtenu, qui ressemble fortement au résultat de l’optimisation avec 5 × 5 forages, est présenté ci-dessous.
Si l'on examine le profil de température ci-dessus, on constate qu'il n'y a plus de potentiel géothermique disponible pour la production d'électricité, puisque la température du fluide atteint à la fois les limites maximale et minimale. Cependant, il reste un potentiel énergétique non négligeable, plus précisément pour le chauffage au cours des premières années et pour le refroidissement au cours des années suivantes. Ce point sera abordé dans le chapitre suivant, consacré à l’optimisation des systèmes hybrides pour un rendement énergétique maximal.
Conclusion
Ce chapitre a présenté la première méthodologie permettant de concevoir un système géothermique hybride optimisé pour une puissance maximale. En réduisant la puissance de pointe maximale pour le chauffage, l'eau chaude sanitaire et/ou le refroidissement sur la courbe de durée de charge, il est possible d'obtenir un profil de charge tel que le profil de température qui en résulte reste toujours dans les limites de température fixées.
L'avantage de l'optimisation visant la puissance maximale réside dans le fait qu'elle évite de surdimensionner l'ensemble du système hybride. En effet, la puissance géothermique calculée est disponible pendant toute la durée de la simulation ; le système hybride peut donc être dimensionné de manière à fournir uniquement la puissance que le système géothermique ne peut pas assurer.
L'inconvénient de cette méthode est qu'elle ne permet pas d'exploiter tout le potentiel géothermique. Ce point sera abordé dans la chapitre suivant.
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]