Les profils de température, sous toutes leurs formes, constituent la base de la conception géothermique, et il est vraiment important de se familiariser avec eux avant de poursuivre ce cours. C'est pourquoi, dans ce chapitre, nous les aborderons en détail, afin que vous sachiez de quoi il s'agit et que vous disposiez des informations de base nécessaires pour vous plonger dans la physique sous-jacente dans les chapitres suivants. C'est parti !
Deux types de profils
Comme nous l'avons expliqué dans Partie 1.4, Pour les simulations géothermiques, il est possible d'utiliser différents types de profils de charge. D'une part, nous pouvons effectuer des simulations avec un profil de charge horaire, où la charge du bâtiment (ou inversement la charge du sol) est définie pour chaque heure de la période de simulation, ou nous pouvons nous baser sur une résolution de données mensuelles. Ci-dessous, nous expliquerons d'abord le profil de température horaire, puis le profil mensuel.
Profil horaire de la température
Ci-dessous, un profil de température est donné pour une période de 20 ans avec une résolution horaire, ce qui signifie que nous obtenons une valeur de température à chaque heure de la simulation. Comme nous l'avons vu dans Partie 1.2 sur l'importance de la conception du champ de forage, les lignes horizontales en pointillés représentent nos limites de température minimale et maximale autorisées et sont constantes. Dans ce cas, étant donné que nous franchissons notre seuil maximal, on pourrait dire que ce champ n'est pas conçu correctement.
Les deux autres lignes, bleue et noire, nous renseignent sur notre système géothermique. En général, nous nous intéressons à deux choses : la température de la paroi du trou de forage (qui est la température du sol qui touche directement notre champ de forage) et la température de notre fluide (qui aura un impact sur l'efficacité de notre système, comme nous l'avons vu dans la section Partie 1.5). De ces deux éléments, la température du fluide est la plus importante.
Dans le profil ci-dessus, deux tendances principales sont visibles. D'une part, nous avons une variation saisonnière puisque le profil a un comportement sinusoïdal, ce qui est dû au fait que la chaleur est extraite du champ en hiver et injectée en été, ce qui refroidit et réchauffe respectivement le champ de forage. D'autre part, nous observons clairement une dérive de la température vers des températures plus basses, causée par la déséquilibre, La différence entre l'injection et l'extraction de chaleur. Cela signifie que, par convention, lorsqu'on a plus d'extraction que d'injection, l'indice d'émission de gaz à effet de serre est plus élevé que l'indice d'émission de GES. le déséquilibre sera négatif.
Vous constaterez peut-être que dans votre simulation (comme dans l'exemple ci-dessus), la différence entre la température du fluide et celle de la paroi du trou de forage n'est pas clairement visible. C'est pourquoi vous trouverez ci-dessous un gros plan d'un mois d'été.
Ici, vous pouvez clairement voir les pics de température, où la température du fluide s'écarte de la température de la paroi du trou de forage. Comme il s'agit d'un gros plan en été, nous constatons que les températures moyennes du fluide sont plus élevées que celles du sol. Cela s'explique par le fait que nous injectons maintenant de la chaleur dans le sol, car la chaleur circule toujours d'un endroit chaud vers un endroit froid (c'est également la raison pour laquelle votre tasse de café chaude se refroidit sur la table). En hiver, vous constaterez que les températures des fluides sont inférieures à celles du sol.
Vous avez peut-être déjà constaté qu'à certains moments, la température du fluide et celle de la paroi du trou de forage se chevauchent. Cela s'explique par le fait qu'à ces moments-là, il n'y a pas de demande d'injection ou d'extraction, et que la température du fluide n'est donc pas définie. Vous pouvez considérer cela de la manière suivante : lorsque vous n'échangez pas d'énergie avec votre champ de forage, vous ne regardez pas les températures et vous n'avez donc aucune idée de ce qu'elles sont (et vous ne vous en souciez pas non plus). Dans GHEtool, nous utilisons la convention selon laquelle, lorsque en l'absence de charge, la température du fluide est égale à la température de la paroi du trou de forage.
Cette méthode n'est toutefois pas exacte, puisqu'elle ne tient pas compte de l'effet de serre. inertie thermique du fluide. Cela signifie que, si nous avons un fluide à une certaine température et que nous cessons de le chauffer ou de le refroidir, la température ne chute pas soudainement, mais elle changera progressivement pour devenir en équilibre avec l'environnement (dans ce cas, la température de la paroi du trou de forage). Au moment de la rédaction de ce document, cette inertie thermique n'est pas incluse dans ces graphiques et nous y reviendrons dans les prochains chapitres.
Profil de température mensuel
Pour des calculs plus rapides, il est possible de travailler avec des profils de charge mensuels. Ici, le profil de température comporte 4 lignes différentes, la température de la paroi du trou de forage, comme précédemment, ainsi que trois températures de fluide différentes. En général, les deux mêmes tendances sont visibles dans cet exemple : une variation saisonnière ainsi qu'un (léger) déséquilibre vers des températures plus fraîches.
Le gros plan des cinq premières années ci-dessous permet de distinguer plus facilement les différentes températures des fluides. Lorsque vous simulez avec une charge horaire, à chaque heure, il y a soit extraction de chaleur, soit injection de chaleur, mais à une échelle de temps mensuelle, les deux peuvent se produire au cours du même mois.
Si vous prenez par exemple le mois de mai : il peut arriver qu'au début du mois il y ait encore une demande de chauffage mais que vers la fin du mois il y ait plus de demande de refroidissement. Par conséquent, chaque mois peut avoir à la fois une température de pointe pour le chauffage et une température de pointe pour la climatisation, où les températures pendant le chauffage sont inférieures à la température de la paroi du trou de forage et celles pendant la climatisation sont plus chaudes que la paroi du trou de forage.
La dernière température est la ligne verte qui représente la température moyenne du fluide pendant la charge de base. Contrairement aux charges de pointe (où il peut y avoir à la fois du chauffage et du refroidissement au cours du même mois), chaque mois n'a qu'une seule charge au sol nette, c'est-à-dire que chaque mois, il n'y a qu'une extraction ou une injection nette de chaleur. Si l'on supprimait toutes les puissances de pointe et que l'on se contentait de travailler avec le bilan énergétique, le profil de température ressemblerait à la ligne verte.
Une autre façon de considérer cette température de base est de dire qu'il s'agit de la situation la plus favorable.
Imaginons le cas d'un bâtiment dont la demande de chauffage s'élève à 730 kWh au cours d'un mois donné. Sur une échelle mensuelle, vous pouvez fournir cette énergie au bâtiment soit avec une puissance de base constante de 1 kW - un mois compte 730 heures - soit avec 2 heures à 365 kW. Dans les deux cas, l'énergie fournie au bâtiment sera la même, mais la température de pointe pendant le chauffage sera nettement plus basse dans le second cas.
Si l'on maximise l'écrêtement des pointes et le décalage et que l'on installe un grand nombre de réservoirs tampons, on peut réduire la puissance de pointe jusqu'à ce que l'on se retrouve, théoriquement, dans la situation la plus favorable de la température de la charge de base.
À première vue, cela peut sembler un peu étrange, mais cette température de base peut être interprétée comme une température moyenne du fluide pendant votre période de simulation et elle est également plus chaude que la température de la paroi du trou de forage pendant l'été (parce qu'il y a plus d'énergie injectée dans le sol que d'énergie extraite) et vice-versa pendant l'hiver.
Quadrants du champ de mines
Avant de plonger dans la physique et de discuter de la manière dont les données d'entrée que nous avons examinées dans la première partie de ce cours donnent lieu aux profils de température ci-dessus, examinons-les de plus près.
Imaginons le profil de température ci-dessous, qui présente un déséquilibre négatif et est clairement limité par la limite de température maximale. Il peut s'agir par exemple d'un auditorium ou d'un immeuble résidentiel haut de gamme, où la demande annuelle de chauffage est généralement plus importante (ce qui entraîne un déséquilibre négatif), mais où la puissance de pointe en matière de refroidissement est en fait le facteur limitant.
Le profil ci-dessous montre un autre déséquilibre. Il peut s'agir par exemple d'un immeuble de bureaux (ou même d'un bâtiment commercial comme des magasins) où la demande de refroidissement est supérieure à la demande de chauffage sur une base annuelle, ce qui entraîne un déséquilibre positif, limitant à nouveau la conception par la température maximale.
Un autre profil avec un déséquilibre négatif est donné ci-dessous. Ici, le point critique est la température minimale pendant le pic d'extraction au cours de la dernière année de la période de simulation. Il peut s'agir par exemple d'un bâtiment résidentiel où le chauffage (et la demande d'eau chaude sanitaire) fait que l'extraction du champ de forage est dominée.
La dernière situation qui peut se produire est décrite ci-dessous. Il y a ici un déséquilibre positif, mais le champ de forage est toujours limité par une charge d'extraction élevée. Dans les pays plutôt froids, cette situation peut également se produire dans le cas des bureaux (surtout si vous avez un système de refroidissement actif et une limite maximale supérieure à 17°C), où les températures du sol sont plutôt basses au début.
Ces quatre options différentes peuvent maintenant être visualisées comme suit.
Dans l'image ci-dessus, les quatre cas différents sont structurés dans une grille 2×2 selon qu'ils sont conçus (ou limités) par la température minimale et maximale et qu'ils subissent cette limite la première ou la dernière année de la période de simulation. Ces cas sont appelés quadrants du champ de forage.
Dans la figure ci-dessus, les quadrants 1 et 4 sont colorés en vert, tandis que les quadrants 2 et 3 sont colorés en bleu. Cette catégorisation est basée sur le déséquilibre, puisque les quadrants 1 et 4 ont un déséquilibre négatif et les quadrants 2 et 3 un déséquilibre positif. Lors du dimensionnement d'un champ de forage, on ne sait pas a priori dans lequel des quatre quadrants on se retrouvera, de sorte qu'en théorie, on (ou au moins l'algorithme) devrait les vérifier tous. Maintenant, sur la base du déséquilibre, cet espace de recherche pourrait être réduit à seulement 2 options.
Imaginons que vous ayez un champ de forage avec un déséquilibre négatif, alors nous sommes sûrs que le champ de forage ne sera jamais dans les quadrants 2 et 3. Pour le prouver, utilisons la preuve par la contradiction et posons l'hypothèse suivante : imaginons que le champ de forage soit limité par la température minimale de la première année. En raison du déséquilibre, nous savons que le champ de forage sera plus froid l'année suivante, de sorte que la première année ne peut jamais être le point critique. Ceci est en contradiction avec notre hypothèse, il ne peut donc pas s'agir d'un champ de forage dans le quadrant 3.
Voyons maintenant ce que ces quadrants de champ de forage peuvent nous apprendre sur notre champ de forage.
Perspectives a priori
Le principal avantage de la classification des champs de forage en différents quadrants est qu'elle vous permet de raisonner sur certaines questions géothermiques sans avoir besoin de faire d'autres calculs. Ci-dessous, nous répondons à trois questions courantes en nous basant uniquement sur les quadrants de champ de forage.
Quand le déséquilibre/la régénération sont-ils pris en compte dans les coûts d'investissement ?
On dit souvent que la régénération, dans le but de réduire le déséquilibre, réduit les coûts d'investissement du champ de forage, mais ce n'est pas toujours le cas. Si un champ de forage se situe dans le quadrant 1 ou 3, où la limite de conception se produit au cours de la première année d'exploitation, le déséquilibre ne pose pas de problème. En revanche, dans les quadrants 2 et 4, la réduction du déséquilibre par la régénération conduit à un champ de forage plus petit, car le système est conçu sur la base de la dernière année de la simulation, lorsque le déséquilibre accumulé a l'impact le plus important.
Quand est-il avantageux de forer plus profondément ?
Pour les bâtiments à forte demande de chauffage, il peut être avantageux de forer plus profondément car les températures du sol augmentent avec la profondeur (comme nous l'avons expliqué dans le chapitre Partie 1.3). Cela signifie que les champs de forage des quadrants 3 et 4 peuvent bénéficier de forages plus profonds, ce qui n'est pas le cas des quadrants 1 et 2, car ils sont conçus principalement pour l'injection de chaleur plutôt que pour l'extraction de chaleur.
Quand le refroidissement actif est-il avantageux ?
Le refroidissement actif peut être un moyen très efficace d'optimiser les coûts d'investissement, mais uniquement pour les champs de forage conçus pour répondre à des demandes élevées d'injection de chaleur. Avec le refroidissement actif, la limite de température passe de 16-17°C (pour le refroidissement passif) à 25°C ou plus, ce qui permet de réduire la taille du champ de forage et donc les coûts d'investissement. Ceci est bénéfique dans les quadrants 1 et 2, mais pas dans les quadrants 3 et 4.
Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons discuté des deux types de profils de température dans le cadre de la conception des champs de captage : les profils de température horaires et les profils mensuels. Sur la base de certaines caractéristiques générales intrinsèques à chaque profil (à savoir le déséquilibre et les températures de pointe), les champs de captage ont été classés en quadrants. Ces quadrants de champs de forage nous donnent un aperçu supplémentaire du comportement du système sans qu'il soit nécessaire de procéder à des calculs approfondis.
Dans le prochain chapitre, nous examinerons ce qui se cache derrière ces profils de température et nous introduirons le concept important de la résistance thermique effective du trou de forage.
Questions
Références
- Peere, W., Picard, D., Cupeiro Figueroa, I., Boydens, W. et Helsen, L. (2021). Validated combined first and last year borefield sizing methodology. In Actes de la conférence internationale sur la simulation des bâtiments 2021. Bruges (Belgique), 1-3 septembre 2021. https://doi.org/10.26868/25222708.2021.30180