Partie 3 : Réponses

Dans ce chapitre, nous vous fournirons les réponses à la question posée à la fin de chaque chapitre de la troisième partie du cours.

Question 1.1

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Dans le cas du bâtiment résidentiel, essayez de trouver la meilleure combinaison de durées de pointe pour le chauffage et le refroidissement afin d'obtenir une bonne correspondance avec le profil de simulation horaire. Vous pouvez essayer de faire la même chose pour le bâtiment de l'auditorium.

Pour ce faire, il faut procéder par essais et erreurs pour mettre à jour la durée maximale de l'extraction du chauffage et de l'injection du refroidissement. Dans le cas du bâtiment résidentiel, la durée du pic de refroidissement devrait être de 4 heures, ce qui donne une température maximale du fluide de 16,48 °C, proche des 16,40 °C obtenus à partir de la simulation horaire. Pendant le chauffage, la durée maximale devrait être de 110 heures pour obtenir la même température moyenne du fluide de 2,09 °C.

Pour le bâtiment de l'auditorium, les durées de pointe devraient être de 3 h et 5 h pour le chauffage et le refroidissement respectivement, afin d'obtenir une bonne concordance entre les simulations mensuelles et horaires.

Étant donné qu'une simulation mensuelle est une simplification de la réalité, il n'est pas possible de déterminer a priori une durée de pointe unique qui corresponde à la simulation horaire équivalente. Cela souligne l'importance d'utiliser une simulation horaire.

Question 2.1

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Dans la dernière section, la situation inhabituelle d'une chute soudaine de la température du fluide a été montrée. Utilisez GHEtool Cloud pour explorer et trouver un ensemble spécifique de choix de conception qui recréent le même effet.

Nous cherchons à identifier un ensemble spécifique de conditions dans lesquelles le fluide passe d'un écoulement turbulent ou transitoire à un écoulement laminaire à un moment donné au cours de la période de simulation. Pour déterminer une telle combinaison de paramètres, activez l'option utiliser des propriétés variables des fluides et appliquer un profil dominé par l'extraction, tel que le bâtiment résidentiel étudié précédemment.

Dans ce cas, le champ de forage doit être conçu de manière à ce que le flux soit juste laminaire pendant l'extraction. En raison du déséquilibre, la température du fluide sera la plus basse au cours de la dernière année de la simulation et plus élevée au cours des premières années. En raison de la température plus élevée, le nombre de Reynolds sera également légèrement plus élevé, ce qui entraînera des conditions d'écoulement transitoires.

Pour le bâtiment résidentiel, ceci peut être réalisé en utilisant une seule sonde DN32 PN16 et un mélange avec 22 v/v% MPG.

Question 3.1

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En Partie 3.2, Dans le rapport de la Commission européenne, il est indiqué que les propriétés variables des fluides ont un effet considérable sur la résistance thermique effective du trou de forage. Cependant, dans la figure ci-dessous, où la résistance du trou de forage est indiquée pour la première année, la résistance dans le cas d'un débit constant semble être plus ou moins constante. Comment cela peut-il s'expliquer à la lumière des connaissances acquises dans le chapitre précédent ?

L'utilisation de propriétés variables des fluides peut entraîner une différence significative dans la résistance du trou de forage lorsqu'une transition entre un écoulement laminaire et un écoulement turbulent se produit. Dans ce cas, le débit est toujours suffisamment élevé pour maintenir un écoulement turbulent, ce qui explique la faible variation. En revanche, dans le cas d'un débit variable, la transition entre un écoulement laminaire et un écoulement turbulent est clairement visible.

Question 3.2

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Si nous examinons à nouveau le tracé de la résistance du trou de forage ci-dessus, il semble y avoir une limite autour de 0,35 mK/W. Pouvez-vous nous expliquer d'où vient cette limite ?

Cette limite apparente est due au paramètre pourcentage de débit minimum. Comme on suppose, dans le graphique ci-dessus, que le débit minimum est toujours égal à 10% du débit maximum, cela impose une limite inférieure au débit et, par conséquent, une limite supérieure au nombre de Reynolds et à la résistance thermique effective correspondante du trou de forage.

Sans cette limite, la résistance du trou de forage pourrait facilement atteindre 1 mK/W, ce qui n'est manifestement pas réaliste.

Question 4.1

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Généralement, l'efficacité de la pompe à chaleur est donnée à B0/W35, en utilisant 0°C comme température d'entrée de référence. Quelle serait la température moyenne correspondante du fluide que nous connaissons bien lorsque nous travaillons avec GHEtool ?

Cela dépend du débit et de la différence de température entre l'entrée et la sortie du condenseur de la pompe à chaleur. Si l'on suppose une différence de température de 4 °C à travers la pompe à chaleur, la température de sortie de la pompe à chaleur, c'est-à-dire la température d'entrée du champ de forage, est inférieure de 4 °C à la température d'entrée de la pompe à chaleur, c'est-à-dire la température de sortie du champ de forage.

Cela signifie que lorsque 0 °C quitte le champ de forage, -4 °C y pénètre, ce qui donne une température moyenne du fluide de -2 °C.

Question 4.2

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Dans le graphique ci-dessus, tous les bâtiments nécessitent une plus grande profondeur de forage lorsque l'on utilise 3 °C comme limite minimale de la température moyenne du fluide, à l'exception de l'immeuble de bureaux, dont la conception est identique dans les deux cas. Pouvez-vous expliquer pourquoi ?

Si la conception ne change pas lorsque la limite minimale de température moyenne du fluide est modifiée, cela indique que le système n'est pas contraint par cette température. Dans le cas de l'immeuble de bureaux, c'est la température maximale qui détermine la taille du champ de forage nécessaire, quelle que soit la limite de température minimale.

Question 4.3

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Simulez maintenant le dernier scénario en utilisant un débit variable, avec une différence de température de 3°C pendant l'extraction et l'injection. Comment la conception change-t-elle ?

Auparavant, dans le cas d'un débit constant, l'écoulement restait au moins turbulent pendant toute la durée de la simulation. Lorsqu'on utilise un débit variable, ce n'est plus le cas et la résistance effective du trou de forage est souvent plus élevée, ce qui entraîne une baisse de la température du fluide et, par conséquent, une baisse de l'efficacité.

Lors du passage d'un débit constant à un débit variable, l'efficacité globale du système diminue, passant d'un SCOP de 5,14 à 5,04, en raison de l'augmentation de la résistance moyenne du trou de forage et de l'abaissement de la température du fluide. En outre, les températures moyennes minimale et maximale du fluide passent de 0,2 °C et 18,12 °C à -0,1 °C et 18,75 °C.

Pour l'injection, cela s'explique par le fait que le débit est plus faible, ce qui entraîne une résistance plus élevée du trou de forage de 0,1341 mK/W au lieu de 0,098 mK/W.

Pour l'extraction, le comportement est plus subtil. Les deux graphiques ci-dessous montrent la température du fluide au cours de la 20e année de la période de simulation, à 8 heures, pour des débits constants et variables.

Bien que la température de la paroi du trou de forage soit la même dans les deux graphiques, la température du fluide est différente. Dans le graphique à débit constant illustré ci-dessus, on peut voir que la tendance à la baisse de la température du fluide est passée à une tendance à la hausse quelques heures plus tôt. Une transition similaire est observée dans le cas d'un débit variable. Cependant, à 8 heures, il y a un saut soudain, qui n'est pas présent dans le cas d'un débit constant.

Cela se produit à une heure pendant laquelle la puissance n'est pas suffisamment élevée pour atteindre un régime d'écoulement turbulent ou transitoire, et l'écoulement reste laminaire dans le cas d'un débit variable. Par conséquent, la résistance du trou de forage est plus élevée et les températures du fluide sont plus basses.

Téléchargements

• Télécharger la simulation GHEtool pour les questions 1.1 et 2.1 ici.
• Télécharger la simulation GHEtool pour les questions 4.3 ici.