Dans ce chapitre, nous vous fournirons les réponses à la question posée à la fin de chaque chapitre de la deuxième partie du cours.
Question 1.1
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Je veux faire une simulation mensuelle de la température où il y a 8000 kWh de refroidissement en été, mais il s'agit d'une charge de base pure, sans aucun pic. A quoi ressemblera le profil de température ?
Lorsqu'il n'y a pas de puissance de pointe, l'énergie pour chaque mois est fournie à la puissance de base, qui est la plus petite puissance pouvant fournir l'énergie demandée pendant 730 heures (c'est-à-dire le nombre d'heures de chaque mois). Dans ce cas, la température du fluide pendant le refroidissement sera égale à la température de base pendant les mois d'été. C'est ce que montre le profil de température ci-dessous.
Question 1.2
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Imaginez que vous ayez simulé votre champ de forage avec une charge horaire et une température initiale du sol non perturbée de 11°C et que vous trouviez que la température moyenne minimale de votre fluide est de 0,2°C. Vous effectuez maintenant un TRT et la température du sol s'avère être de 11,5°C. Quel serait l'impact sur les résultats de votre simulation ?
Toutes les simulations de champs de forage géothermiques commencent avec une certaine température du sol non perturbée. Dans le cas présent, la température réelle du sol non perturbé est supérieure de 0,5°C à celle prévue, ce qui signifie que la température de la paroi de notre trou de forage est également supérieure de 0,5°C. Comme la température du fluide est liée à la température de la paroi du trou de forage, ces températures augmenteront également de 0,5°C.
Question 2.1
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Afin d'économiser de l'argent, je souhaite travailler avec un tube en U simple au lieu d'un tube double. Cela aura-t-il un effet sur la résistance thermique effective du trou de forage et/ou sur la longueur totale du trou de forage ?
Il n'y a pas de réponse définitive à cette question, car elle dépend fortement du débit et du fait que le transfert de chaleur est laminaire ou turbulent. Si la sonde double U est laminaire et que le passage à une sonde simple U rend le fluide turbulent, il est probable que la résistance effective de votre trou de forage sera meilleure que dans la situation initiale et que vous pourrez vous en tirer avec moins de mètres de forage. Si, en passant à une sonde à un seul U, votre fluide reste laminaire, votre résistance thermique effective sera certainement plus grande, ce qui nécessitera plus de mètres de forage.
En revanche, si vous avez moins de trous de forage mais qu'ils sont plus profonds, votre débit est généralement plus élevé (environ 1 l/s par trou de forage). Dans ce cas, votre sonde double U est probablement turbulente. Le passage à une sonde en U simple rend le fluide encore plus turbulent, mais cela n'a plus d'impact significatif sur le transfert de chaleur. Étant donné que la surface totale de transfert de chaleur est désormais plus petite, la sonde simple U sera moins performante dans ce cas que la sonde double U.
Question 2.2
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Imaginez que vous fassiez un forage dans une roche solide. Abstraction faite des aspects juridiques, préférez-vous étancher votre trou de forage ou le laisser ouvert pour qu'il se remplisse d'eau souterraine ?
L'utilisation de forages remplis d'eau souterraine présente des avantages et des inconvénients. Si vous avez un profil de charge qui reste éloigné des températures de congélation, vous pouvez bénéficier de l'effet de flottabilité dans le trou de forage lui-même. Cela améliore le transfert de chaleur et vous donnera une résistance thermique effective du trou de forage assez proche, voire meilleure, que celle d'un trou de forage injecté, mais à un coût d'investissement plus faible.
En revanche, si les températures de votre fluide deviennent très froides au point que le trou de forage commence à geler, cet effet de flottabilité disparaît et vous vous retrouverez avec une conductivité de remplissage de 0,6 W/(mK), ce qui réduira la résistance thermique effective de votre trou de forage. Il est probable que vous devrez forer plus profondément pour compenser cet effet.
La question de savoir si un forage plus profond, rempli d'eau, est plus économique qu'un forage moins profond avec injection de coulis dépend fortement de votre contexte économique et du profil de charge particulier de votre projet.
Question 3.1
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Mon champ de forage est parfaitement équilibré, mais le débit de la nappe phréatique est assez élevé. Cela aurait-il un effet (positif/négatif) sur ma conception ?
L'écoulement des eaux souterraines est particulièrement utile en cas de déséquilibre, car il peut éliminer une partie de ce déséquilibre. Cependant, dans le cas présent, il n'y a pas de déséquilibre, donc il n'y a pas de dérive de température à long terme qui pourrait être atténuée par l'écoulement des eaux souterraines. Mais cela ne signifie pas que les eaux souterraines n'ont aucune influence sur le champ de forage.
Comme mentionné précédemment, les champs de forage sont un moyen de stocker de l'énergie au fil des saisons, les températures des fluides lors du chauffage et du refroidissement étant influencées par l'énergie injectée ou extraite au cours de la saison précédente. Si l'écoulement des eaux souterraines déplace une partie du froid stocké en hiver, cela signifie que la température de la paroi du trou de forage, et donc les températures des fluides, seront plus élevées en été.
Il en va de même pour la chaleur stockée en été. Si une partie de cette chaleur est absorbée par les eaux souterraines, la température de la paroi du trou de forage sera plus basse, ce qui abaissera la température des fluides.
Cela pourrait non seulement entraîner une augmentation de la taille du champ de forage nécessaire, puisque nos températures sont désormais plus proches des deux limites, mais aussi diminuer l'efficacité globale du système.
En résumé, l'écoulement des eaux souterraines dans un système totalement équilibré est plutôt désavantageux. S'il y a un déséquilibre et que le champ de forage est limité au cours de la dernière année en raison d'une dérive de la température à long terme, l'écoulement des eaux souterraines serait, au contraire, bénéfique.
Question 4.1
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Pouvez-vous imaginer d'autres moyens d'améliorer la conception de la dernière question, tout en continuant à travailler avec une seule sonde DN40 ?
Pour l'instant, tous les paramètres liés à l'écoulement ont été modifiés, mais nous avons maintenu la conductivité thermique du coulis constante à 1,5 W/(mK) dans toutes nos simulations. Si nous augmentons cette conductivité à 2 W/(mK), la résistance de notre trou de forage passe de 0,1257 mK/W à 0,1116 mK/W, ce qui abaisse la température moyenne maximale du fluide à 16,86°C.
D'autres solutions, peut-être plus lointaines, pourraient consister à diminuer le diamètre du forage (ce qui réduirait la résistance du coulis) ou à augmenter encore le diamètre du tuyau jusqu'à un DN45 (ou plus, tant que vous restez turbulent) afin d'accroître la surface de transfert de la chaleur.
Question 4.2
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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 ?
A une profondeur de 100 m, la température moyenne du sol non perturbé est de 11,87°C. Si nous voulons intégrer une certaine sécurité dans notre conception, nous pouvons fixer la température moyenne du sol non perturbé à, par exemple, 12,5°C dans l'onglet des données du sol. Cela augmente notre température moyenne maximale du fluide de 0,63°C, ce qui doit être compensé en augmentant à nouveau le nombre de trous de forage. Dans notre situation, nous avons eu besoin de 30 forages supplémentaires de 100 m, pour un total de 225 forages, par rapport aux 195 forages de la Question 7.
Question 4.3
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Nous supposons maintenant que la simulation a commencé en janvier. Le résultat serait-il différent pour une simulation commençant en juin ? Pourquoi ?
Les champs de forage emmagasinent de l'énergie au fil des saisons. En commençant en janvier, le champ de forage est d'abord refroidi avant de passer à l'été. Si nous commencions la simulation en juin, la température du champ de forage serait plus élevée car il n'aurait pas encore été refroidi par la charge d'extraction en hiver. Comme notre champ de forage est limité par la demande de refroidissement, la température moyenne du fluide pour le scénario 7 passerait de 17,11°C pour un démarrage en janvier à 17,42°C pour une simulation démarrée en juin. Le profil de température est donné ci-dessous.
Téléchargements
- Télécharger la simulation GHEtool de ce chapitre ici.