Problématique de dimensionnement d’un champ de sondes géothermiquesDaniel Pahud 23 novembre 2017
1. Introduction
2. Phénomènes physiques
3. Problématique de dimensionnement
4. Le cas d’étude Wollerau
5. Exemple de l’École des Métiers de Fribourg
Contenu
2
Introduction
Norme SIA 384/6
Critères de qualité nécessaires pour une durée de vie d’au moins 50 ans
Evolution de la pose des sondes géothermiques
3
Introduction
Augmenter la qualité –réduire les problèmes
Norme SIA 384/6:2010
Source: Dokumentation von Schadensfällen bei Erdwärmesonden (2006), Schlussbericht, OFEN 4
IntroductionCritère de dimensionnement SIA 384/6:2010
Différence de température potentielle à disposition
Eviter des dégâts causés par le gel dans le terrain
Température minimum du fluide:
-1.5 °C
sur un horizon temporel de50 ans
5
Phénomènes physiquesComment Tpotentiel est-elle «consommée»?
Trois phénomènes sont en concurrence:
• Transferts thermiques de la sonde géothermique
• Transferts thermiques à court terme, caractérisés par un transfert de chaleur de type «échangeur de chaleur»
• Transferts de chaleur à long terme, caractérisés par l’utilisation de la ressource géothermique. C’est une utilisation de type «stockage de chaleur»
6
Phénomènes physiques – sonde géothermiqueSonde géothermique q [W/m] · Rb* [K/(W/m)] = (Tf - Tb) [K]
=> peut consommer plus de 30% de Tpotentiel
Débit typique
7
Phénomènes physiques – transferts à court termeEffets à court terme – 1 saison
8
Phénomènes physiques – transferts à long termeEffets à long terme – 50 ans
9
Phénomènes physiques - sonde uniqueExemple: 1 sonde de 180 m; PAC 8.5 kW; Qh 18 MWh/a
10
Phénomènes physiques – 1 installation de 6 sondesExemple: 6 sondes de 180 m; PAC 40 kW; Qh 84 MWh/a
11
Phénomènes physiques – 12 installations dans un quartierExemple: 12 x 6x290 m; 12 x PAC 40 kW; 12 x Qh 84 MWh/a
12
Phénomènes physiques – synthèse Exemples analysés: T et clés de dimensionnement
1 sonde unique Installation avec 6 sondes
12 installations avec 6 sondes
T_potentiel 14.2 K 14.2 K 15.8 K
T_saison 12.8 K 10.3 K 6.6 K
T_long 1.4 K 3.9 K 9.2 K
qmax puissance maximum extraite 35 W/m 27 W/m 17 W/m
Q énergie annuelle extraite 73 kWh/m/an 57 kWh/m/an 36 kWh/m/an
taux de recharge du terrain 0 0 0
13
Phénomènes physiques – synthèseDensité ou nombre élevés de sondes géothermiques
• l’effet stockage de chaleur devient prépondérant;
• l’extraction de chaleur n’est pas pérenne dans le temps;
• les clés de dimensionnement qui en résultent montrent un surdimensionnement massif de la longueur des sondes;
• l’option d’une recharge thermique permet de réduire la longueur des sondes;
• le capital libéré par une longueur moindre de sonde devient disponible pour le financement du dispositif de recharge (p. ex. capteurs solaires ou échangeurs sur l’air extérieur).
14
Problématique de dimensionnement – sonde uniquePetites installations de chauffage (Pth < 30 kW)
Pdemande => Pextraction => H sondes H
B0W35
clé de dimensionnement => puissance spécifique d’extraction qext = Pextraction/H [W/m]- vieille pratique 50 W/m ?! Plus raisonnable 40 W/m, mais :
géologie: >1.5 W/mK, 1 sonde, plaine 10°C, moins de 2’400 h/an- VDI 4640 (2001) www.vdi.de et chercher VDI 4640- Norme SIA 384/6: Sondes géothermiques (2010) www.sia.ch- Documentations SIA D025, SIA D0136
géologieclimat
fonction-nementetc.
15
Problématique de dimensionnement – champ de sondesEchangeur et stockage de chaleur avec le terrain
16
Problématique de dimensionnement – champ de sondesConcept de système de base – type geocooling
Sondes géothermiques / pieux énergétiques
Pompe à chaleur
Echangeur de chaleur
Refroidissement Chauffage HIVER ETE
17
Problématique de dimensionnement – champ de sondesConcept de système de base – type machine frigorifique
Refroidissement Chauffage
Sondes géothermiques / pieux énergétiques
Pompe à chaleur / machine frigorifique HIVER ETE
18
Problématique de dimensionnement – champ de sondesContraintes sur le système
Température minimum permise du fluide circulant dans les sondes (0°C si les sondes sont placées sous le bâtiment ou plus si de l’eau sans antigel est utilisée)
Température maximum permise ou possible dans les sondes (avec du geocooling, la température maximum possible est conditionnée par la température de départ dans la distribution de froid)
Horizon temporel de 50 ans (norme SIA 384/6)
=> avantage d’avoir un système bivalent19
Problématique de dimensionnement – champ de sondesInformations et paramètres à recueillir ou établir• Géologie et hydrogéologie locale - test de réponse thermique (TRT)
- T-profil vertical
• Besoins thermiques à couvrir (puissances et énergies en chaud et en froid) - simulation dynamique du bâtiment
• Niveaux de température des distributions de chauffage et de refroidissement
• Nombre, disposition et longueur des sondes géothermiques possibles;
• Transferts thermiques sous la base du bâtiment si les sondes sont placées sous le bâtiment (isolation nécessaire ou pas);
• Concept de système (schéma de principe) pour satisfaire les demandes d’énergie tout en intégrant au mieux les sondes géothermiques. 20
Problématique de dimensionnement – champ de sondesTest de réponse thermique (TRT)
Exemple de dispositif miniature, optimisé et accrédité (2005)
Dimension: 0.6 x 0.3 x 0.7 mPoids: 50 kg
Principe du test: - chauffer avec une puissance constante- mesurer évolution température fluide
21
Analyse des mesures du test de réponse
222324252627
2829303132
10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 14Tau (paramètre temporel sans dimension)
Tem
péra
ture
du
fluid
e °C
Puissance d'injection: 56 W/mConductivité thermique estimée: 1.9 W/mK
Problématique de dimensionnement – champ de sondesRésultats d’un test de réponse thermique (TRT)
• Température initiale du terrain• Conductivité thermique du terrain• Résistance thermique de la sonde géothermique
22
Problématique de dimensionnement – champ de sondesMesure du profil vertical de température (T-profil)
Par exemple avec datalogger NIMO-T (Geowatt AG)(Non-wired Immersible Measuring Object for Temperature)
• Température initiale du terrain• Gradient géothermique
En combinaison avec un test de réponse géothermique:
• Identifier et localiser d’éventuels mouvements de l’eau souterraine
Température
Prof
onde
ur
23
Problématique de dimensionnement – champ de sondesMesure du profil vertical de température (T-profil)
Profil annuel des besoins de chaud et de froid• puissances de pointes, énergies annuelles (chaud et froid)
-500
0
500
1000
1500
2000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Mois de l'année
Puis
sanc
e th
erm
ique
[kW
] Energie de chauffage: 2'720 MWh/a
Energie derefroidissement:1'240 MWh/a
24
Problématique de dimensionnement – champ de sondesSimulations dynamiques du système géothermique
Par exemple avec PILESIM2
Cantina PdC Macchina frigo.
Riscaldamento ausiliario
Raffred-damentoausiliario
Distribuzione del freddoDistribuzione del caldoStabile riscaldato / raffreddato
Frontière du système
Couche de terrain 1
Couche de terrain 2
Couche de terrain 3
sondes géothermiques
Cantina PdC Macchina frigo.
Riscaldamento ausiliario
Raffred ‐damento ausiliario
Distribuzione del caldoRiscaldamento / raffreddamento edificio
Cantina PdC Macchina frigo.
Riscaldamento ausiliario
Raffred-damentoausiliario
Distribuzione del freddoDistribuzione del caldoStabile riscaldato / raffreddato
Pieux énergétiques /
Cave PAC Machine frigo.
Chauffage auxiliaire
Refroidis‐sement auxilia ire
Distribution de froidChauffage / refroidissement bâtimentDistribution de chaleur
25
Température du fluide qui circule dans les sondes
-5
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Année de fonctionnement
Tem
péra
ture
du
fluid
e [°
C]
maximum mensuelminimum mensuel
Problématique de dimensionnement – champ de sondesDimensionner pour satisfaire les contraintes de T
26
Problématique de dimensionnement – champ de sondesDeux catégories de paramètres
• paramètres de dimensionnementsont déterminants sur la faisabilité technique du système à court terme et à long terme pour garantir les contraintes de température sur le fluide caloporteur
• paramètres d’intégrationsont déterminants sur efficacité globale du système=> chauffage T↓ refroidissement T↑ => Minergie
27
-5-4-3-2-101234
-50% -40% -30% -20% -10% 0% 10% 20% 30% 40% 50%Variation relative de la longueur des sondes [%]
Tem
péra
ture
min
[°C
]
-5-4-3-2-101234
fluide sortie sondesfluide entrée sondes
ment
Longueur unitaire des sondes géothermiques [m]
0
1
2
3
4
5
-50% -40% -30% -20% -10% 0% 10% 20% 30% 40% 50%C
OPA
[-]
0
1
2
3
4
530 40 50 60 70 80 90
coefficient de performance annuel(COPA) simulé de la PAC
COPA simulé de la PAC avec pompesde circulation
Dimensionne-lo
ngue
ur d
es s
onde
s gé
othe
rmiq
ues
effic
acité
in
stal
latio
nci
rcui
t so
ndes
28
-5-4-3-2-101234
35 42 49Température de départ maximum [°C]
Tem
péra
ture
min
[°C
]
-5-4-3-2-101234
fluide sortie sondesfluide entrée sondes
Intégrationni
veau
de
tem
péra
ture
dan
s la
di
strib
utio
n de
cha
uffa
ge
effic
acité
in
stal
latio
nci
rcui
t so
ndes
Température maximum dans la distribution de chaleur [°C]
0
1
2
3
4
5
35 42 49C
OPA
[-]
0
1
2
3
4
535 42 49
coefficient de performance annuel(COPA) simulé de la PAC
COPA de la PAC avec pompes decirculation
29
Problématique de dimensionnement – champ de sondesIntégration : valoriser le potentiel de geocooling
Pertes de température entre air intérieur et terrain
10
15
20
25
30
Niv
eau
de te
mpé
ratu
re [°
C]
Concept du bâtimentDistribution de froidEchangeur de chaleur geocoolingEchangeur de chaleur souterrainTemperature initiale terrain
Bâtiment
Terrain
température initiale du terrain
température de fluide maximale dans les sondes
température de l'eau dans la distribution de froid
température de consigne pour la régulationtempérature de l'air intérieur
30
Problématique de dimensionnement – champ de sondesRègles simples pour un pré-dimensionnement
Installation géothermique (systèmes de taille importante)
• clés de dimensionnement => puissance spécifique d’extraction qext (W/m)=> puissance spécifique d’injection qinj (W/m)=> énergie thermique annuelle extraite Qext (kWh/m.an)=> énergie thermique annuelle injectée Qinj (kWh/m.an)=> taux de recharge du terrain terrain = Qinj/Qext
Réalisations documentées et analysées => ordres de grandeurs
31
Le cas d’étude WollerauMeister + Co (Wollerau) – variante « dalles actives »
- 32 sondes de 135 m sous le bâtiment
- espacement moyen de 8 m
SRE: 3’000 m2
Chauffage: 190 kW350 MWh/an
système monovalent
32
Le cas d’étude WollerauPotentiel de geocooling pour le cas « Wollerau »
Système avec distribution de "froid" à 22 °C (temp. départ)
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Rapport des demandes d'énergie annuelles de refroidissement et de chauffage -
CO
P [-]
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
demande de froid
trop faible
élévation de la température moyenne du
terrain
Terrain:- 2.3 W/(mK)- 13 °C 33
Le cas d’étude WollerauWollerau – variante du type « dalles actives »
32 sondes de 135 m = 4'320 m – terrain: 2.3 W/(mK), 13 °CSystème monovalent en chauffage et en refroidissementTempérature distribution de froid aller : 22 °C retour : 24 °C
Chauffage (qext et Qext) 40 W/m 60 kWh/(m an)
Refroidissement(qinj et Qinj)
10 – 13 W/m 20 – 35 kWh/(m an)
Taux de rechargedu terrain (terrain)
0.3 – 0.6
34
Le cas d’étude WollerauOrdres de grandeurs pour geocooling
• puissance spécifique moyenne de refroidissement:10 – 30 W/m
• énergie thermique annuelle de refroidissement:20 – 40 kWh/m.an
• taux de recharge du terrain: environ 0.5
Taux de 0.5 => Qchaleur ≈ 2.5 à 3 x Qrefroidissement
=> Qrefroidissement ≈ 0.3 à 0.4 x Qchaleur
35
Le cas d’étude WollerauSimulation thermique
• vérifier faisabilité d’un concept, établi avec règles du pouce• évaluer des variantes de système• dimensionner les principaux composants du système• optimiser le schéma de principe et la stratégie de contrôle• aider à la mise en service et contrôler le bon fonctionnement
Procédure SIA 384/6 www.sia.ch (jusqu’à 4 sondes)EED www.buildingphysics.com/earth1.htmEWS www.igjzh.com/huber/download/PILESIM2 [email protected] www.transsolar.com + TRNVDSTP ou TRNSBM
36
Le cas d’étude WollerauImplication des outils de simulation
Avant-projet
Projet définitif
Règles du pouces Établissement d’un concept
Modèle de calcul simplifié (EED, EWS, PILESIM2)
Évaluation de variantes, faisabilité technique, pré -dimensionnement
Simulation détaillée(TRNSYS avec TRNVDSTP ou TRNSBM)
Dimensionnement définitif, optimisation, régulation du système
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Le cas d’étude WollerauConcept de système avec sondes géothermiques
• importance de la pertinence de- recommandations- règles du pouces
• dépendance très forte avec le bâtiment
• nécessite une approche globale et multidisciplinaire
38
Exemple de l’École des Métiers de Fribourg
39
Exemple de l’École des Métiers de FribourgBâtiment et installations planifiés en 2004 - 2005
Bâtiment sur 4 niveaux
Bâtiment 180 x 22 m
SRE: 19’700 m2
Volume chauffé: 47’000 m3
SIA: 73’400 m3
40
Exemple de l’École des Métiers de Fribourg
Structure porteuse en béton arméStandard Minergie® (isolation extérieure, aération mécanique, etc.)Dalles actives – panneaux rayonnantsChauffage à distance disponible
=> installation avec sondes géothermiques sous le bâtiment – rafraîchissement par geocooling désiré
41
Exemple de l’École des Métiers de FribourgTest de réponse thermique (avril 2005)
Résultats du test:
température initiale du terrain:12 °C
conductivité thermique du terrain: 2.6 W/mK
résistance thermique de la sonde géothermique:
0.12 K/(W/m)
42
Exemple de l’École des Métiers de FribourgPremiers calculs – problématique à résoudre
Avant projet – état juillet 2005
• établir la faisabilité technique du système de chauffage et de refroidissement avec 24 sondes de 150 m
• quelle est la part du geocooling ?
• proposition de variantes possibles
=> quel est le potentiel thermique offert par les sondes
43
Demande d'énergie de chauffage et de refroidissement
-250-200-150-100
-500
50100150200
19.00 19.25 19.50 19.75 20.0020ième année de fonctionnement
Puis
sanc
e th
erm
ique
kW
Demande d'énergie thermiqueCouvert par le système sur sondes
Exemple de l’École des Métiers de FribourgPremiers calculs – simulation des besoins thermiques
44
Exemple de l’École des Métiers de FribourgPremiers calculs – concept de système
Ventilation Panneauxrayonnants
Dallesactives
Total
Chauffage 61 MWh/anmax. 142 kW
18 MWh/anmax. 62 kW
71 MWh/anmax. 127 kW
150 MWh/anmax. 197 kW
Refroidis--sement
97 MWh/anmax. 115 kW
91 MWh/anmax. 120 kW
155 MWh/anmax. 199 kW
344 MWh/anmax. 222 kW
Chaud (150 MWh/an) ~ 0.4 Froid (340 MWh/an)
=> installation géothermique basée sur geocooling pas possible
=> machine frigorifique nécessaire45
Exemple de l’École des Métiers de Fribourg
PAC + mach. frigoChauffage
puissance max. 200 kWénergie annuelle 150 MWh/a
Refroidissementpuissance max. 220 kWénergie annuelle 340 MWh/a
Sondes géoth.extraction (hiver) 42 W/m (valeur max)
26 kWh/(m a)injection (été) 75 W/m (valeur max)
115 kWh/(m a)
Premiers calculs – résultats
46
Exemple de l’École des Métiers de FribourgPremiers calculs – résultats
Bilan thermique du système moyenne sur 20 anskWh/an Chauffage
auxiliaire Total demandeElectricité (PAC) 0 chauffage
33'000 Pompe à chaleur Chauffage PAC 149'900(PAC) 149'900
COP 4.5
94'800
Sondesgéothermiques
414'900
RefroidissementRefroidissement pour chauffage auxiliaire Total demande
22'200 1'000 refroidissementRefroidissement direct Refroid. sondes 343'800
9'800 342'800Machine frigorifique
Machine frigorifique 310'800Electricité (machine frigorifique)
EffCoolM 3.3 94'200
Taux de recharge du terrain = 4.38
47
Température du fluide dans circuit hydraulique des sondes
05
101520253035404550
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20Année de fonctionnement
Tem
péra
ture
du
fluid
e °C
maximum mensuelminimum mensuel
Exemple de l’École des Métiers de FribourgPremiers calculs – résultats
Elévation de la température du fluide dans les sondes avec les années
48
Demande annuelle de refroidissement
0
50
100
150
200
250
300
350
400
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20Année de fonctionnement an
Ener
gie
de "
froid
" M
Wh/
an
Machine frigorifique
Refroidissement pour chauffer
Geocooling (refroidissement direct)
Exemple de l’École des Métiers de FribourgPremiers calculs – résultats
Le potentiel de geocooling devient nul avec les années
49
Exemple de l’École des Métiers de FribourgDerniers calculs – réduire les besoins de froid
Avant projet – état septembre 2005
• réduire autant que possible la demande de refroidissement=> analyse et évaluation soignée des gains internes=> refroidissement nocturne avec système de ventilation=> prise en compte du puits canadien pour ventilation
• réduction des puissances de pointes en faisant fonctionner les dalles actives en alternance avec panneaux radiants et ventil.
• vérifier la faisabilité technique du système chauffage et refroidissement par geocooling
Dimensionnement des sondes: 30 sondes de 150 m50
Exemple de l’École des Métiers de FribourgDerniers calculs – réduire la puissance de froid
Alternance du fonctionnement des dalles actives avec celui des panneaux rayonnants et de la ventilation
Puissances de pointes
Sans alternance des dalles actives avec
panneaux rayonnants et ventilation
Alternance des dalles actives avec panneaux
rayonnants et ventilation
Chauffage max. 290 kW (15 W/m2) max. 220 kW (11 W/m2)
Refroidisse--ment max. 190 kW (10 W/m2) max. 140 kW (7 W/m2)
51
Demande d'énergie de chauffage et de refroidissement
-250-200-150-100
-500
50100150200
19.00 19.25 19.50 19.75 20.0020ème année de fonctionnement
Puis
sanc
e th
erm
ique
kW
Demande d'énergie thermiqueCouvert par le système sur sondes
Exemple de l’École des Métiers de FribourgDerniers calculs – simulation des besoins thermiques
52
Système avec distribution de "froid" à 22 °C (temp. départ)
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Rapport des demandes d'énergie annuelles de refroidissement et de chauffage -
CO
P [-]
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
demande de froid
trop faible
élévation de la température moyenne du
terrain
Ventilation Panneauxrayonnants
Dallesactives
Total
Chauffage 56 MWh/anmax. 152 kW
51 MWh/anmax. 75 kW
146 MWh/anmax. 133 kW
253 MWh/anmax. 220 kW
Refroidis--sement
3 MWh/anmax. 89 kW
13 MWh/anmax. 78 kW
56 MWh/anmax. 106 kW
72 MWh/anmax. 142 kW
Exemple de l’École des Métiers de FribourgDerniers calculs – concept de système
ratio demande froid / chaud = 253 / 72 = 0.28
geocooling possible
Sondes géothermiques / pieux énergétiques
Pompe à chaleur
Echangeur de chaleur
Refroidissement Chauffage HIVER ETE
53
Exemple de l’École des Métiers de FribourgDerniers calculs – concept de système
Puissance thermique de la PAC limitée à 170 kW
=> système bivalent en chauffage
30 sondes de 150 m, soit 4’500 m
54
Exemple de l’École des Métiers de Fribourg
PAC + geocoolingChauffage
puissance max./PAC 220 / 170 kWénergie annuelle 250 MWh/a
Refroidissementpuissance max. 142 kWénergie annuelle 70 MWh/a
Sondes géoth.extraction (hiver) 30 W/m (valeur max)
42 kWh/(m a)injection (été) 32 W/m (valeur max)
14 kWh/(m a)
Derniers calculs – résultats
55
Bilan thermique du système moyenne sur 20 anskWh/an Chauffage
auxiliaire Total demandeElectricité (PAC) 900 chauffage
55'300 Pompe à chaleur Chauffage PAC 253'100(PAC) 252'300
COP 4.6
188'700
Sondesgéothermiques
64'200
RefroidissementRefroidissement pour chauffage auxiliaire Total demande
8'300 0 refroidissementRefroidissement direct Refroid. sondes 72'400
64'200 72'400Machine frigorifique
Machine frigorifique 0Electricité (machine frigorifique)
EffCoolM 0.0 0
Exemple de l’École des Métiers de FribourgDerniers calculs – résultats
Taux de recharge du terrain = 0.34
56
Température du fluide dans circuit hydraulique des sondes
0
5
10
15
20
25
30
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20Année de fonctionnement
Tem
péra
ture
du
fluid
e °C
maximum mensuelminimum mensuel
Exemple de l’École des Métiers de FribourgDerniers calculs – résultats
Léger abaissement de la température du fluide dans les
sondes avec les années
57
Puissance moyenne de geocooling par mètre de sondeExemple de l’École des Métiers de Fribourg
hypothèses sur la durée de fonctionnement en refroidissement: env. 1’500 [h/an]
énergie annuelle de refroidissement: 72 [MWh/an]
puissance moyenne de refroidissement:
72’000 [kWh/an] / 1’500 [h/an] = 48 [kW]
puissance spécifique moyenne de geocooling
48’000 [W] / 4’500 [m] = 11 [W/m]
58
Clés de dimensionnementExemple de l’École des Métiers de Fribourg
30 sondes de 150 m = 4‘500 m – terrain: 2.7 W/(mK), 12 °CRafraîchissement à « haute température » (env. 20°C) pardalles actives et plafonds refroidissants fonctionnant enalternance sur une journée
Chauffage (qext et Qext) 30 W/m 42 kWh/(m an)
Refroidissement(qinj et Qinj)
moy: 11 W/mmax: 32 W/m 14 kWh/(m an)
Taux de rechargedu terrain (terrain)
0.3459
Simulation du systèmeExemple de l’École des Métiers de Fribourg
Est-ce qu’un calcul est nécessaire ?
oui !
confirmer la faisabilité technique d’un concept de système géothermique, obtenue par expérience et clés de dimensionnement de systèmes similaires
vérifier que l’évolution des températures du fluide reste dans les limites fixées aussi bien à court terme qu’à long terme
60