Problématique de dimensionnement d’un champ de sondes

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


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



Raffred ‐damento ausiliario

Distribuzione del caldoRiscaldamento / raffreddamento edificio



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

37

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


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


Refroidis--sement





Chaud (150 MWh/an) ~ 0.4 Froid (340 MWh/an)

=> installation géothermique basée sur geocooling pas possible

=> machine frigorifique nécessaire45


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



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)


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



Refroidis--sement

3 MWh/anmax. 89 kW

13 MWh/anmax. 78 kW



Exemple de l’École des Métiers de FribourgDerniers calculs – concept de système

ratio demande froid / chaud = 253 / 72 = 0.28

geocooling possible


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


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


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

Documents

Problématique de dimensionnement d’un champ de sondes