Températures moyennes, à l'entrée et à la sortie

Avant d'aborder la conception et le dimensionnement des champs de forage dans le modèle GHEtool, il est important de revenir sur notre analyse des profils de température et d'examiner la différence entre les températures du fluide à l'entrée, à la sortie et la température moyenne.

Profils de température dans GHEtool

Lorsque nous avons présenté le concept de profils de température, il y a Partie 2.1, toutes les températures du fluide (tant dans les profils de température mensuels qu’horaires) correspondaient à des moyennes de la température du fluide à l’entrée et à la sortie du champ de forages. Il s’agit de la définition historique la plus courante de la température du fluide ; elle est utilisée par d’autres outils de conception de champs de forage, tels que Earth Energy Designer. Un exemple d’un tel profil de température (mensuel) avec des températures moyennes du fluide est présenté ci-dessous.

Si la température moyenne du fluide est si couramment utilisée, c'est en raison de son lien direct avec la notion de résistance thermique effective du puits, qui a été introduite dans Partie 2.2. Pour résumer, la résistance thermique effective du forage est définie comme la résistance au transfert thermique en régime permanent entre la température moyenne de la paroi du forage (la moyenne sur l'ensemble de la paroi du forage) et la température moyenne du fluide (la moyenne de tout le fluide présent à l'intérieur du forage).

Au cours de la simulation, la température de la paroi du forage est d'abord calculée à partir des charges mensuelles (ou horaires) de prélèvement et d'injection, ainsi que des fonctions g (voir Partie 2.3). Une fois la température de la paroi du forage connue, la résistance thermique effective du forage est calculée à partir des propriétés variables du fluide et du débit. À partir de ces deux résultats (la température de la paroi du forage et la résistance du forage), la température moyenne du fluide peut être calculée directement en s'appuyant sur la définition de la résistance thermique du forage.

Cependant, comme le débit est également connu (qu'il soit constant ou variable), la différence de température entre l'entrée et la sortie du champ de forage est elle aussi connue, d'après la formule suivante :
$$\dot{Q}=\dot{m}C_p\Delta T$$
où $\dot{Q}$ représente la puissance d'extraction/d'injection (kW), $\dot{m}$ représente le débit massique (kg/s) traversant le champ de forage, $C_p$ est la capacité thermique spécifique du fluide (kJ/(kg·K)), et $\Delta T$ est la différence de température entre l'entrée et la sortie du champ de forage.

Lorsque l'on connaît la température moyenne du fluide, ainsi que le débit massique, la puissance et la capacité thermique spécifique (pour chaque mois/heure), il est également possible de calculer les températures d'entrée et de sortie. Cela nous permet d'utiliser n'importe laquelle de ces trois températures de fluide dans GHEtool ; chacune d'entre elles fournit des informations différentes et sera abordée ci-dessous.

Trois températures de fluide

Trois températures de fluide peuvent être simulées dans GHEtool : la température moyenne du fluide, la température du fluide à l'entrée et la température du fluide à la sortie. Ces trois températures sont brièvement présentées ci-dessous.

Température moyenne du fluide

La température moyenne du fluide est la température la plus simple à utiliser, en raison de son lien direct avec la température de la paroi du forage par l'intermédiaire de la résistance du forage. L'avantage de cette température est qu'elle permet de faire abstraction d'une partie de l'effet du débit. Par exemple, que le régime d'écoulement soit de 3 °C/0 °C ou de 5 °C/−2 °C, la température moyenne du fluide est toujours de 0 °C, ce qui facilite l'interprétation des résultats. Cela signifie toutefois que si l'on souhaite contrôler les températures minimales et maximales absolues du fluide, la température moyenne du fluide n'est pas directement adaptée.

Température du fluide à l'entrée

La température du fluide à l'entrée est la température entrée dans le champ de forage et pourrait être considérée comme la température extrême du fluide, puisqu’elle est toujours la plus basse lors de l’extraction et la plus élevée lors de l’injection. Cela s’explique par le fait que le fluide entrée dans le champ de forage c'est aussi le fluide en quittant la pompe à chaleur. Lorsque votre pompe à chaleur chauffe le bâtiment, elle extrait de l'énergie du fluide primaire, ce qui signifie que le fluide à la sortie de la pompe à chaleur est le plus froid de tout le circuit (et inversement pour le refroidissement/l'injection).

Si vous souhaitez imposer des limites strictes aux températures des fluides dans votre champ de forage, les contraintes relatives à la température d'entrée du fluide vous permettront de couvrir pratiquement toutes les températures possibles, garantissant ainsi qu'aucun dépassement de cette limite ne se produira, ni à aucun moment, ni en aucun endroit.

Température du fluide en sortie

La température du fluide à la sortie correspond à la température à la sortie du champ de forage et représente la température optimale du fluide. Lors de l'extraction, un fluide froid est injecté dans le champ de forage et est réchauffé par le sol, ce qui se traduit par une température plus élevée à la sortie du champ de forage. De même, lors de l'injection, un fluide chaud est injecté dans le champ de forage, où il se refroidit, ce qui entraîne une température plus basse du fluide à la sortie.

Cette température du fluide en sortie peut s'avérer utile lors du choix d'une pompe à chaleur adaptée, car la puissance que celle-ci peut fournir dépend de la température à l'entrée de son évaporateur (ou de son condenseur, dans le cas d'un refroidissement actif). Si, par exemple, vous simulez votre champ de forages en utilisant la température de sortie et que la température minimale (à la sortie) du fluide est de 2 °C, vous devez vous assurer que votre pompe à chaleur est capable de fournir la puissance requise avec une température de 2 °C à l'entrée de son évaporateur.

Exemple dans GHEtool Cloud

Afin de comprendre l'influence de la température du fluide sur la conception de votre champ de forages, examinons l'exemple suivant dans GHEtool Cloud.

Dans l'onglet ‘ Général ’ des paramètres de simulation, vous pouvez choisir laquelle des trois températures de fluide vous souhaitez utiliser pour votre conception. Si vous sélectionnez ‘ entrée ’, toutes les températures de fluide correspondantes seront redéfinies comme des températures de fluide à l'entrée ; il en va de même pour les températures ‘ moyennes ’ et ‘ à la sortie ’.

Dans le profil de température ci-dessous, une simulation est réalisée avec 4 forages de 100 m et un débit variable, avec une différence de température constante de 3 °C entre l'entrée et la sortie du forage. On constate qu’avec une température moyenne minimale du fluide de 0,46 °C, le fluide reste largement dans les limites. Cependant, comme mentionné précédemment, cela ne signifie pas que la température minimale absolue du fluide ne franchit pas le seuil de 0 °C. Par conséquent, une simulation utilisant la température du fluide à l’entrée est réalisée.

Lorsque la même simulation est effectuée en utilisant les températures du fluide à l'entrée, la température du fluide chute alors à −1,04 °C. Comme mentionné précédemment, les températures d'entrée sont toujours les plus basses du système ; ainsi, même si la température moyenne du fluide est positive, la température d'entrée peut tout de même être négative. Si vous souhaitez que votre température minimale absolue (et inversement, votre température maximale) reste dans certaines limites, veuillez vous baser sur les températures du fluide à l'entrée.

Enfin, les températures du fluide en sortie sont indiquées ci-dessous. Elles ne descendent qu'à 1,96 °C et constituent donc les valeurs les plus optimistes.

Il va sans doute de soi que le type de fluide utilisé dans la simulation aura bien sûr une incidence sur la longueur totale requise du forage. Ce point sera abordé dans les parties suivantes.

Conclusion

Cet article aborde les trois températures différentes du fluide (moyenne, à l'entrée et à la sortie). La température moyenne du fluide est généralement utilisée dans la conception d'un champ de forages, car elle est directement liée à la température de la paroi du forage par le biais de la résistance thermique effective du forage. Cependant, elle ne garantit pas que les températures absolues minimale et maximale du fluide se situent dans les limites autorisées. Pour garantir cela, il convient d’utiliser les températures du fluide à l’entrée. Les températures du fluide à la sortie peuvent être utilisées pour garantir que la pompe à chaleur est capable de fournir sa puissance nominale.

Sur la base de ces éléments, les chapitres suivants aborderont le calcul de la taille requise du champ de forages.

Références

• Législation à Bruxelles : Liste de contrôle (NL)
• Législation aux Pays-Bas : 11 000 BRL Protocole 11 001 (pages 61-62)
• Législation suisse : SIA 384/6, § 3.1.1.2

Questions