POMPES À CHALEUR
Install Magazine 1000 – octobre 2024

Les règles empiriques sont-elles trompeuses?

La complexité de la conception d’un champ de forage et l’importance des logiciels de conception

Bureaux d’étude, architectes, entreprises de forage : nous travaillons tous avec des règles empiriques. Nous utilisons des règles simples pour les pertes de charge dans les conduites, pour la consommation d’eau dans des bâtiments résidentiels et pour la conception des champs de forage géothermiques. Les règles empiriques ne constituent qu’une simplification de la réalité, et la conception des champs de forage est bien trop complexe pour être réduite à un seul principe. Cet article démontre que lorsque nous faisons confiance aux règles empiriques, cela peut entraîner un sur- ou sous-dimensionnement de 50% de notre champ de forage, ce qui à son tour peut engendrer des projets impossibles à réaliser, des systèmes non-fonctionnels ou même des dégâts environnementaux.

Introduction

Le secteur de la construction est responsable de 26% des émissions globales de CO₂ dues à la consommation d’énergie, et ce à travers la demande de chaleur et de refroidissement [1]. La volonté de décarboner le secteur a poussé celui-ci à s’orienter de plus en plus vers des pompes à chaleur géothermiques, en raison de leur efficacité élevée, de leur refroidissement passif gratuit et de leur coût d’entretien minimal. Par contre, il est bien évident que ces systèmes nécessitent un coût d’investissement élevé. Une conception correcte se révèle donc cruciale. Et quand on parle de conception de ces systèmes, il faut savoir qu’il existe plusieurs possibilités, allant des logiciels de conception précis -comme les GHEtool (https://ghetool.eu) et EED- aux règles empiriques. Bien que souvent utilisée, cette dernière option doit faire l’objet d’un examen approfondi.

L’importance d’une conception correcte des champs de forage

Les systèmes géothermiques ne sont pas durables par nature mais par conception. C’est pourquoi il importe que le champ de forage soit conçu de manière à ce que, dans le temps, la température du sol reste au sein de certaines limites de température déterminées. Ceci est capital pour le système même, parce que de trop basses températures peuvent entraîner des pannes de la PAC, mais aussi pour l’environnement, car la vie souterraine peut être perturbée par de fortes fluctuations de température. Les forages nécessitent de lourds investissements ; donc, pour que ceux-ci restent abordables, il ne faut certainement pas forer à l’excès. Dès lors, comment concevoir un tel système ?

Naviguer à l’aveugle avec des règles empiriques

Les règles empiriques sont omniprésentes en ingénierie : cela va des pertes de charge dans les conduites à la consommation d’eau dans les bâtiments résidentiels. Elles permettent de simplifier et d’accélérer le processus de conception, mais elles ne donnent aucune idée de la physique qui les sous-tend. De telles règles générales sont souvent créées à partir d’une certaine corrélation scientifique ou d’une extrapolation sur base d’expériences. Toutefois, avec le temps, nous risquons d’oublier les hypothèses qui sous-tendent une règle donnée, et ces règles empiriques finissent par devenir une vérité en soi.

Dans le domaine de la géothermie peu profonde, ces règles empiriques se présentent sous la forme de ‘l’extraction de chaleur spécifique x W/m de forage’. Elles font abstraction de tous les paramètres qui déterminent la conception : la demande de chaleur et de froid du bâtiment, l’écoulement du fluide, la construction interne du forage, les limites de température…

Les paragraphes suivants reprennent des exemples avec des ajustements apportés aux paramètres de conception, afin de démontrer leurs effets sur la taille du champ de forage (exprimée sous la forme d’une longueur de forage totale, soit la profondeur du forage multipliée par le nombre de forages) mais aussi la précision d’une règle empirique spécifique. Ce travail a été effectué pour trois bâtiments différents : un immeuble de bureaux, un auditorium et un complexe d’appartements. Ces trois bâtiments sont basés sur des bâtiments existants qui ont fait l’objet d’une simulation horaire. Le Tableau 1 reprend les caractéristiques de leur demande de chaleur et de froid respective. Tous les bâtiments sont équipés de systèmes d’émission lents (activation du noyau de béton et chauffage par le sol), mais ils utilisent un système de ventilation pour le refroidissement. Cela explique la grande différence de puissance crête entre le chauffage et le refroidissement.

Influence de la demande de chaleur/froid du bâtiment

La Figure 1 montre la longueur de forage requise pour les trois bâtiments différents, calculée avec une règle empirique de 30 W/m appliquée au pic de demande aussi bien en chauffage qu’en refroidissement. Ce dimensionnement est comparable au dimensionnement horaire avec le GHEtool [2]. La différence relative entre les deux règles empiriques et la conception de référence avec le GHEtool est indiquée dans la Figure 2.

On remarque que la règle empirique de 30 W/m appliquée au pic de demande en chauffage induit un sous-dimensionnement du champ de forage dans tous les cas, y compris pour les bâtiments à dominante calorifique comme l’auditorium et les appartements. Ceci peut s’expliquer par le fait que l’activation du noyau de béton et le chauffage par le sol sont des systèmes d’émission très lents qui n’affichent qu’une petite puissance crête, et qui aboutissent donc à un plus petit dimensionnement via la règle empirique. L’influence du déséquilibre est donc de ce fait sous-estimée.

D’un autre côté, lorsque nous appliquons la règle empirique sur le pic de demande en refroidissement, cela induit un surdimensionnement significatif, qui peut carrément être de facteur 2 dans le cas de l’auditorium. Cela peut s’expliquer par le fait que l’auditorium a une forte demande de refroidissement en période de pointe mais une faible demande de refroidissement annuelle. L’influence de la demande de pointe sur le dimensionnement est donc largement surestimée par la règle empirique dans ce cas. De manière plutôt surprenante et fortuite, avec cette même règle, on obtient un dimensionnement assez précis pour le bâtiment résidentiel.

Influence de l’écoulement du fluide et d’une boucle en U simple/double

Il n’y a pas que la demande du bâtiment qui peut conduire à un sur- ou sous-dimensionnement significatif ; la structure interne du puits de forage revêt également une grande importance. Lors de la conception d’un puits de forage, deux paramètres constituent des variables types : le nombre d’échangeurs (boucle en U simple ou double, ou même coaxiale ou sonde turbo) ainsi que l’écoulement du fluide (laminaire ou turbulent). Ces paramètres ont une influence sur la résistance équivalente du trou de forage et donc aussi sur le nombre de mètres de forage requis. La Figure 3 montre l’influence de ces paramètres de conception sur le sur- et sous-dimensionnement du champ de forage en comparaison avec un dimensionnement réalisé avec GHEtool pour l’auditorium. Le surdimensionnement de la Figure 2, calculé avec le refroidissement de crête et une double boucle en U avec écoulement turbulent, disparaît lorsque le forage est réalisé avec une simple boucle en U et un écoulement laminaire. Cela est dû au fait que l’écoulement turbulent dans une double boucle en U confère au trou de forage la résistance la plus faible, ce qui réduit l’influence des puissances de crête. D’un autre côté, la combinaison d’une boucle en U simple avec un écoulement laminaire entraîne une mauvaise résistance du puits de forage et revêt donc une grande importance sur la puissance crête. C’est pourquoi le surdimensionnement avec la règle empirique appliquée au refroidissement est plus petite dans ce cas.

Influence des limites de température

En fonction du système de conception, des températures limites différentes sont appliquées au champ de forage. Lorsqu’on opte par exemple pour du refroidissement passif, cela nécessite une température moyenne maximale du fluide de 17°C, ce qui se traduit par des forages plus importants pour les bâtiments à demande de refroidissement élevée. D’un autre côté, quand on opte pour du refroidissement actif, cette température maximale peut être augmentée à 25°C, ce qui nécessite alors moins de mètres de forage. En ce qui concerne la température minimale, on prévoit souvent des marges de sécurité, par ex. 3°C, afin de s’assurer que le champ de forage ne soit jamais soumis à des températures négatives. Dans la pratique, cela peut induire un surdimensionnement. Par conséquent, certains optent pour une limite minimale de 1°C. Cette dernière option est moins sécurisante, mais elle peut se traduire par une plus grande viabilité économique du champ de forage. L’influence de ces températures sur le sur- et sous-dimensionnement relatif est indiqué dans la Figure 4.

Lorsqu’on opte pour du refroidissement actif (et que la température moyenne maximale du fluide est relevée à 25°C), un dimensionnement avec la règle empirique appliquée au refroidissement conduit à un surdimensionnement extrême d’un facteur 3 ou 4. Le champ de forage est en effet désormais limité par la demande de chaleur et, le cas échéant, le pic de refroidissement n’est plus très pertinent [3]. Notez comment le passage au refroidissement actif fait glisser le dimensionnement avec la règle empirique appliquée au chauffage d’un sous-dimensionnement à un surdimensionnement. Cela est dû au fait que le champ est désormais limité par la demande de chaleur, et que cette règle empirique fournit désormais un dimensionnement précis.

Sensibilité générale

Les trois paragraphes précédents ont chacun mis en lumière un paramètre spécifique ayant une influence sur la conception du champ de forage. Le rapport longueur-largeur du champ de forage, la période de simulation (20 ou 40 ans), la conductivité du sol, la gradient de température dans le sol, la conductivité du matériau de remplissage, etc. : tous ces aspects ont une influence sur le dimensionnement final. La Figure 5 montre la répartition totale en nombre de mètres de forage requis, lorsqu’on fait varier ces multiples paramètres. Il est évident qu’une seule règle empirique ne peut en aucun cas rendre compte de la diversité totale dans la conception des forages, lorsque tous ces paramètres sont modifiés. Une conclusion similaire peut être tirée de la Figure 6, où, par rétro-ingénierie, la règle empirique a été calculée sur base de la longueur totale du forage et de la puissance crête de chauffage et de refroidissement. Il est évident qu’il n’existe pas de règle empirique valable et sans équivoque qui puisse englober tous ces bâtiments et toutes ces variantes de conception.

Sens et non-sens des règles empiriques pour la conception des champs de forage

À ce stade, il est clair qu’il peut y avoir une très grande variation dans le nombre de mètres de forage requis, qui ne peut tout simplement pas être prise en compte par une règle empirique. Cela ne signifie pas pour autant qu’il faille s’en débarrasser complètement. Pour des bâtiments très spécifiques de conception équivalentes, dans une région équivalente et pour des champs de forage qui ont été exécutés de la même manière, la répartition dans les Figures 5 et 6 peut probablement être réduite, ce qui permettrait à une règle empirique de fournir un résultat fiable dans cette situation. Il n’est toutefois pas simple, pour ne pas dire impossible, de prévoir dans quelle mesure un projet va s’écarter d’un dimensionnement sur base de cette règle empirique. Dès lors, et de manière générale, il est préférable d’utiliser un software spécifique comme GHEtool ou EED. Le concepteur aura en effet plus de certitude que le forage soit bien conçu et qu’il soit dès lors plus robuste, plus durable, plus économique et plus abordable financièrement.

Conclusion

Cet article montre le risque potentiel des règles empiriques en matière de conception des champs de forage. Pour trois types de bâtiments différents, il a été démontré qu’une simple règle empirique pouvait engendrer un sur- ou sous-dimensionnement du champ de forage allant jusqu’à 400%. Les résultats de ces règles empiriques ne sont, par définition, pas erronés, mais ils sont entourés d’incertitude. Il est impossible pour le concepteur de savoir quand ces dimensionnements sont corrects. C’est pourquoi il est conseillé d’utiliser un logiciel de conception spécialisé pour concevoir un forage qui soit à la fois robuste et financièrement viable.

Par: Wouter Peere

https://ghetool.eu

https://enead.be

[1] IEA (2023), Tracking Clean Energy Progress 2023, IEA, Paris https://www.iea.org/reports/tracking-clean-energy-progress-2023, License: CC BY 4.0

[2] Peere, W., Blanke, T.(2022). GHEtool: An open-source tool for borefield sizing in Python. Journal of Open Source Software, 7(76), 4406, https://doi.org/10.21105/joss.04406

[3] Peere, W., Picard, D., Cupeiro Figueroa, I., Boydens, W., and Helsen, L. (2021) Validated combined first and last year borefield sizing methodology. In Proceedings of International Building Simulation Conference 2021. Brugge (Belgium), 1-3 September 2021.

https://doi.org/10.26868/25222708.2021.30180