Dans les chapitres précédents, trois méthodologies différentes ont été présentées pour l'optimisation des systèmes géothermiques hybrides ; toutes ces méthodologies étaient axées sur le ‘ champ de forages ’. Dans ce chapitre, l'accent sera mis sur une méthode axée sur le système hybride et sur la manière de simuler un système hybride à l'aide de GHEtool.
Différence entre l'optimisation et la simulation
Les trois chapitres précédents étaient entièrement consacrés à l'optimisation de vos systèmes géothermiques hybrides ; plus précisément, pour une charge horaire donnée du bâtiment et une taille fixe du champ de forages, le profil de charge sur le champ de forages était optimisé soit pour la puissance, soit pour l'énergie, soit pour l'équilibre, afin de maximiser la part géothermique. Dans ces trois méthodes, l’objectif était de prioriser la charge sur le champ de forage et de transférer le surplus vers une autre technologie hybride.
Lors de la simulation de systèmes hybrides, l'approche est légèrement différente. Au lieu d'appliquer par défaut toute la charge au champ de forage, la question est désormais : ‘ À quel moment est-il avantageux d'appliquer une charge supplémentaire au système hybride ? ’ Cela ne donne pas nécessairement le même résultat.
Pour illustrer cela, prenons l'exemple suivant. Imaginons un système géothermique hybride composé d'une pompe à chaleur géothermique (PCG) et d'une pompe à chaleur aérothermique (PCA). Grâce aux stratégies d'optimisation, la charge sera transférée autant que possible vers le champ de forage, la PCA n'étant utilisée qu'en cas de nécessité. Cependant, il peut arriver qu’en mi-saison, lorsque la température extérieure est déjà assez élevée et que la demande de chauffage est déjà plus faible, le rendement de la pompe à chaleur aérothermique soit supérieur à celui de la pompe à chaleur géothermique. Dans ce cas, il pourrait être intéressant, pour des raisons financières, de confier en priorité la charge à la pompe à chaleur aérothermique et de ne faire appel à la pompe à chaleur géothermique que pour le reste, c'est-à-dire d'adopter une approche « hybride d'abord ».
Méthode de simulation des systèmes hybrides
D'un point de vue conceptuel, la simulation de systèmes hybrides dans GHEtool peut s'effectuer de deux manières différentes :
- Vous travaillez avec des seuils de température au-dessus ou en dessous desquels une certaine technologie hybride s'active.
- Vous limitez la puissance géothermique maximale
Ces deux points seront brièvement abordés ci-dessous.
Seuils de température et systèmes hybrides
La simulation des systèmes hybrides dans GHEtool Cloud s'appuie sur des seuils de température extérieure. Selon que la température extérieure est supérieure ou inférieure à un seuil donné, il peut être avantageux d'utiliser d'abord le système hybride plutôt que le système géothermique.
Dans l'exemple présenté ci-dessus, concernant la pompe à chaleur géothermique et la pompe à chaleur aérothermique, où cette dernière est généralement plus efficace au-delà d'un certain seuil de température, ce phénomène peut être modélisé dans GHEtool en définissant la pompe à chaleur aérothermique comme une technologie de chauffage hybride. qui fonctionne au-delà d'une température seuil.
Un autre exemple peut se présenter dans le cadre d’une rénovation. Imaginons un bâtiment scolaire (pas très bien isolé) équipé de systèmes de chauffage à haute température raccordés à une chaudière à gaz. Afin de rendre le système de chauffage plus durable, une pompe à chaleur géothermique et un champ de forages géothermiques sont installés en parallèle pour créer un système géothermique hybride. En automne et au printemps, la pompe à chaleur géothermique peut parfaitement chauffer ce bâtiment, mais lorsqu'il fait trop froid à l'extérieur, la chaudière à gaz se met en marche pour fournir les températures plus élevées requises. Ce fonctionnement peut être modélisé à l'aide d'un système de chauffage hybride fonctionnant en dessous d'un seuil de température.
Un dernier exemple pourrait être celui d'un immeuble de bureaux, où la centrale de traitement d'air (CTA) a du mal à refroidir l'air en utilisant les températures passives provenant du champ de forage lorsqu'il fait trop chaud à l'extérieur. Une solution pourrait consister à équiper la CTA d'un composant actif qui se met en marche pour fournir le refroidissement hybride à partir d'un certain seuil de température.
Alors que la méthodologie décrite ci-dessus utilise un seuil de température fixe, il est également possible d'appliquer ce raisonnement à une température de fluide variable, par exemple en basculant vers une pompe à chaleur air-eau lorsque la température du fluide (plutôt qu'un seuil fixe) est inférieure à la température extérieure.
Cette approche fait actuellement l'objet d'études et sera mise en œuvre à l'avenir. D'un point de vue conceptuel, elle se situe à mi-chemin entre les méthodes de simulation pure et les stratégies d'optimisation.
Limiter l'énergie géothermique
Au lieu de définir les différents systèmes hybrides et leurs seuils de température respectifs, on peut également se contenter de limiter la puissance géothermique. Par exemple, lorsque le bâtiment présente un besoin de chauffage de 100 kW, vous pouvez simplement limiter la puissance géothermique à 60 kW et observer le profil de température qui en résulte. La puissance qui ne peut pas être fournie par la pompe à chaleur géothermique apparaîtra dans les résultats sous la mention ‘ puissance externe ’.
Exemple en GHEtool
Afin d'illustrer le fonctionnement de la simulation des systèmes hybrides dans GHEtool Cloud, revenons une dernière fois sur le bâtiment résidentiel évoqué dans les trois chapitres précédents. On trouve ci-dessous le profil de température du réseau de sondes 5×5 en l'absence de tout système hybride.
Comme on peut le constater, les limites maximales et minimales de température du fluide sont dépassées ; une solution hybride, à la fois pour le chauffage et le refroidissement, est donc nécessaire. Dans le cadre d'une première simulation, considérons une technologie de refroidissement hybride (par exemple, une pompe à chaleur air-eau) de 25 kW qui se met en marche lorsque la température extérieure est supérieure à 20 °C, c'est-à-dire lorsqu'il fait vraiment chaud dehors. Le profil de température qui en résulte est présenté ci-dessous.
Dans le profil de température ci-dessus, on constate clairement que cette puissance de refroidissement de 25 kW, avec un seuil de 20 °C, suffit à maintenir la température maximale du fluide en dessous de 17 °C. Dans le bilan énergétique mensuel ci-dessous, on constate clairement qu’une part importante du refroidissement est désormais assurée par le système hybride.
Le prochain défi consiste à résoudre la question de la limite minimale de température du fluide. Une option pourrait consister à utiliser ces mêmes 25 kW dans le cadre d’une technologie hybride pour le chauffage également, où ils pourraient, par exemple, prendre en charge une partie de la charge de chauffage lorsque la température extérieure est supérieure à 8 °C. La température minimale du fluide qui en résulte n'est désormais plus que de -1,79 °C au lieu de -2,72 °C, et la solution hybride pour le chauffage couvre 16,51 TP21T de la demande totale de chauffage. La répartition mensuelle est à nouveau présentée ci-dessous.
Afin de rester au-dessus du seuil minimal, il pourrait être judicieux d’intégrer une technologie hybride au système global en dessous de ce seuil. Il peut s’agir, par exemple, d’un système de chauffage électrique permettant de couvrir les pics de puissance. Lorsque l'on ajoute un tel système hybride de 20 kW, qui s'active en dessous de 1 °C, on obtient le profil de température suivant, dans lequel le fluide reste désormais bien dans les limites.
Le graphique circulaire ci-dessous présente les différentes contributions au système hybride dans son ensemble. Comme on peut le constater, un tiers des besoins totaux en chauffage est couvert par le système hybride, et plus de 50% des besoins en refroidissement du bâtiment sont pris en charge par le système hybride.
Dans les simulations ci-dessus, les systèmes hybrides ont été sélectionnés avec leurs seuils de température respectifs. Une autre approche consiste à définir simplement la puissance maximale autorisée pour le chauffage et le refroidissement géothermiques. Lorsque la puissance maximale autorisée pour le chauffage géothermique est de 25 kW et celle pour le refroidissement géothermique de 50 kW, on obtient le profil de température suivant.
Dans le graphique ci-dessous illustrant la répartition énergétique, il apparaît clairement que, pour obtenir un système respectant les limites fixées, la charge de refroidissement ne doit être fournie par le système hybride qu’à hauteur de 4%, et la charge de chauffage qu’à hauteur de 11%. Ce résultat diffère considérablement des précédents et montre à quel point la conception des systèmes géothermiques hybrides est flexible (et intrinsèquement complexe).
Comme le montrent clairement les différentes simulations ci-dessus, la simulation d’un système géothermique hybride relève en réalité d’un processus d’essais et d’erreurs, sans aucune garantie (par définition) que la solution optimale soit effectivement trouvée. C'est pourquoi ce module de simulation ne constitue pas une solution autonome, mais doit être considéré comme un outil supplémentaire à ajouter à votre boîte à outils pour concevoir le système géothermique hybride idéal pour votre projet spécifique.
Conclusion
Dans ce chapitre, la méthodologie de simulation des systèmes géothermiques hybrides a été abordée et comparée aux méthodes d'optimisation. En fonction de la température de l'air extérieur, quatre systèmes hybrides différents (chauffage et refroidissement, tant en dessous qu'au-dessus du seuil de température) peuvent être définis afin de reproduire le comportement du système. Outre le contrôle de la puissance à l'aide de seuils de température, il est également possible de limiter la puissance de la pompe à chaleur géothermique et de l'échangeur de chaleur passif.
Un exemple a montré qu'il existe de nombreuses façons différentes de choisir et de concevoir un système géothermique hybride de manière à ce que les températures des fluides respectent les limites fixées. Cela montre que, contrairement aux méthodes d'optimisation, la simulation de systèmes hybrides nécessite de nombreux essais et erreurs.
Outre les méthodes d'optimisation de la puissance, de l'énergie et de l'équilibre, la possibilité de simuler des systèmes géothermiques hybrides vient compléter la gamme d'outils permettant de mieux comprendre vos systèmes hybrides et de les concevoir de manière optimale.