Dans notre première partie, nous avons mentionné que différents profils de charge peuvent être utilisés pour une simulation de champ de forage : mensuel et horaire. Bien que les simulations mensuelles soient faciles à mettre en œuvre, elles n'offrent pas le même niveau de compréhension qu'une simulation horaire. Dans ce chapitre, nous examinerons les avantages de l'utilisation de profils de charge horaires plutôt que mensuels.
Profils de charge horaires
En Partie 1.4, Au cours de l'atelier, les deux différents types de profils de charge ont été examinés : les profils de charge mensuels, avec des valeurs mensuelles pour la charge de base et la puissance de pointe pour le chauffage et le refroidissement, et les profils de charge horaires, où une valeur pour le chauffage, le refroidissement (et la demande d'eau chaude sanitaire) est donnée pour chaque heure. Un exemple de profil de charge horaire est donné ci-dessous.
L'avantage de travailler avec une résolution horaire est que nous avons une bonne idée du profil de charge réel, du moment où le chauffage et la climatisation se produisent et de la durée du pic de puissance. Comme nous le verrons plus loin, ce dernier paramètre en particulier a un impact significatif sur les résultats de la simulation mensuelle.
Deux cas
Pour illustrer les informations supplémentaires qui peuvent être obtenues lors de la conception d'un champ de forage avec des charges horaires par rapport à des charges mensuelles, deux bâtiments différents seront examinés.
- Un immeuble d'habitation avec un champ de forage collectif. Ce bâtiment présente un déséquilibre important au niveau de l'extraction en raison d'une demande plus importante en matière de chauffage et d'eau chaude sanitaire.
-
Un bâtiment abritant un auditorium, dont la demande de refroidissement en période de pointe est élevée (puisque le système est entièrement alimenté par l'air), mais qui présente encore un déséquilibre global en matière d'extraction.
Les deux bâtiments ont fait l'objet d'une simulation dynamique, de sorte que les profils de demande horaire pour le chauffage et le refroidissement sont disponibles. Les valeurs annuelles pour le chauffage et le refroidissement, ainsi que leurs puissances de pointe respectives, sont indiquées dans le tableau ci-dessous.
| Bâtiment | Puissance | Énergie annuelle | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Chauffage | Refroidissement | Chauffage | Refroidissement | ECS | |
| Bâtiment résidentiel | 62 kW | 77 kW | 120 MWh | 19 MWh | 60 MWh |
| Bâtiment de l'auditorium | 32 kW | 90 kW | 38 MWh | 3,9 MWh | - |
En effectuant la simulation à l'aide de profils de charge horaires et de valeurs annuelles, nous éliminons toutes les autres incertitudes et pouvons nous concentrer uniquement sur les différences de conception découlant de l'utilisation de différentes résolutions de charge. Le bâtiment résidentiel et le bâtiment de l'auditorium sont examinés ci-dessous.
Bâtiment résidentiel
Comme le montre clairement la demande du bâtiment lui-même, il existe un déséquilibre important dans ce champ de forage d'environ 116 MWh par an dans l'extraction. Toutefois, ce champ de forage est légèrement plus limité par la demande de refroidissement au cours de la première année (température de pointe de 16,92 °C) que par la demande de chauffage de pointe au cours de la 25e année (2,63 °C).
Lorsque nous effectuons la même simulation avec le profil de charge horaire réel, nous constatons que le même champ de forage est effectivement suffisant (notre conception était donc correcte), mais pour une raison légèrement différente. Ici, la température minimale de pointe pour le chauffage est de 2,09 °C et de 16,36 °C pour le refroidissement. Alors que nous pensions auparavant que la demande de refroidissement était le facteur limitant réel pour la conception de notre champ de forage, il est maintenant clair que c'est le chauffage qui est le véritable facteur limitant.
D'où vient cette différence ? La durée du pic.
Les données horaires montrent que le pic de température de refroidissement n'est atteint que pendant une heure, la deuxième température la plus élevée étant déjà inférieure à 16 °C. Supposer que la puissance maximale a duré 8 heures était, dans ce cas, une surestimation. La figure ci-dessous en donne un aperçu.
Pour le pic de demande de chauffage, la situation est inverse : comme le bâtiment utilise un chauffage par le sol, la température reste basse pendant une période beaucoup plus longue (comme le montre la figure ci-dessous). Dans ce cas, une durée de pointe de 8 heures pour le chauffage était en fait une sous-estimation.
Bâtiment de l'auditorium
Pour le bâtiment de l'auditorium, une simulation initiale a également été réalisée en utilisant une résolution mensuelle, avec une demande de pointe de 32 kW pour le chauffage et de 90 kW pour le refroidissement, et des demandes annuelles de 38 MWh et 3,9 MWh respectivement. Comme le montre la figure ci-dessous, ce champ de forage est clairement limité par la demande de refroidissement de pointe au cours de la première année, et 9×4 trous de forage, chacun d'une profondeur de 150 m, sont nécessaires pour répondre aux besoins du bâtiment. La température moyenne maximale du fluide atteint 16,85 °C.
Lorsque la même simulation est effectuée avec une résolution horaire, on obtient le profil ci-dessous. Dans ce cas, la température maximale tombe à 16,16 °C, ce qui indique que la taille du champ de forage nécessaire a été (considérablement) surestimée dans la simulation mensuelle. Comme le système de refroidissement de l'auditorium est entièrement pneumatique, la puissance de pointe est généralement très variable et a une durée de pointe relativement courte.
Comme le champ de forage est maintenant surdimensionné, nous pourrions essayer de réduire sa taille de manière significative. En utilisant un champ de forage de 7×4 trous de forage (réduisant le coût d'investissement de 22%), nous obtenons un système qui atteint une température moyenne maximale du fluide de 17,69 °C, légèrement supérieure au seuil autorisé. Cependant, grâce à la résolution horaire des données, nous pouvons constater (comme le montre la figure ci-dessous) que ce pic de température ne se produit qu'une seule fois pendant toute la simulation, tandis que les autres pics de température restent bien inférieurs à 17 °C.
Grâce à cette résolution horaire, nous pouvons donc réduire en toute confiance la taille du champ de forage nécessaire et éviter un surdimensionnement non rentable.
Conclusion
Dans ce chapitre, la conception avec des profils de charge mensuels et horaires a été comparée. Il a été démontré qu'il est possible d'obtenir des conceptions correctes avec les deux résolutions. Cependant, en raison de l'estimation de la durée du pic lors de l'utilisation d'une résolution mensuelle, un certain niveau de nuance lié aux températures minimales et maximales est perdu.
Avec un profil horaire, vous pouvez clairement voir pendant combien de temps une certaine température critique est atteinte et, sur la base de votre meilleur jugement, prendre des décisions de conception en conséquence. Par exemple, si un seuil n'est dépassé que pendant 1 ou 2 heures, compte tenu de l'incertitude inhérente au profil, il n'est peut-être pas judicieux de dimensionner le système en conséquence.
Lorsque l'on travaille avec des charges mensuelles, on ne voit qu'une seule température critique et non le nombre d'heures au cours du mois où elle se produit. En raison de ce manque de détails, il devient plus difficile d'évaluer si le champ de forage est sur ou sous-dimensionné.
En général, la conception à partir de données horaires est préférable en raison du niveau de détail plus élevé. Ce niveau de détail peut ensuite être amélioré en utilisant des modèles plus avancés et plus précis, comme expliqué dans les chapitres suivants, en commençant par propriétés variables des fluides.
Question
Téléchargements
- Télécharger la simulation GHEtool de ce chapitre ici.
- Télécharger le profil de charge horaire pour le auditorium et résidentiel bâtiment.
Références
- Peere, W., Hermans, L., Boydens, W. et Helsen, L. (2023). Évaluation du surdimensionnement et de la vitesse de calcul de différentes méthodes open-source de dimensionnement des champs de forage. In Actes de la 18e conférence de l'IBPSA, Shanghai, Chine, du 4 au 6 septembre 2023, https://doi.org/10.26868/25222708.2023.1287