Conception de champs de forage géothermiques à l’aide des facteurs de simultanéité
Wouter Peere s’est spécialisé dans le dimensionnement des champs de forage pour la géothermie, ce qui a notamment abouti au développement de GHEtool Cloud, le logiciel de référence en Belgique pour la conception de champs de forage. Fort de son expérience, il a formulé quelques directives sur l’application des facteurs de simultanéité dans les champs de forage collectifs. Voici un résumé de ses principales conclusions.
De un à plusieurs
Lors de la conception d’une installation individuelle, le dimensionnement est relativement simple : on calcule la demande de pointe et on adapte le champ de forage en conséquence. Pour les installations collectives, la logique change. Prenons l’exemple d’un immeuble de 25 appartements, chacun étant équipé d’une pompe à chaleur individuelle de 5 kW et affichant une demande annuelle de chaleur de 7,5 MWh. En additionnant ces valeurs, on obtient 125 kW et 187,5 MWh. Dimensionner le champ de forage sur cette base serait cependant excessif (et coûteux). Quelle base prendre alors ? La solution consiste à appliquer un facteur de simultanéité.
Chaque foyer a son propre mode de vie et ses besoins (familles avec enfants, personnes âgées, personnes isolées, etc.), et les pics de consommation ne se produisent pas en même temps. Il est donc possible de réduire significativement la taille du champ de forage sans rencontrer de problèmes. Pour déterminer la puissance réellement nécessaire, on peut s’appuyer sur des méthodes de calcul existantes, initialement développées pour déterminer le diamètre des canalisations collectives dans les réseaux de chaleur. Ces principes s’appliquent également aux champs de forage. L’effet est illustré à la figure 1. La tendance générale est la suivante : plus le nombre de consommateurs raccordés est élevé, plus la puissance de pointe requise est faible par rapport à la somme de toutes les pointes. Dans notre exemple de 25 appartements, nous obtenons un facteur de simultanéité de 89%, ce qui signifie un pic de 111 kW seulement.
Durée du pic
L’amplitude d’un pic est importante, mais sa durée doit également être prise en compte dans le dimensionnement. En effet, la durée de la pleine demande influence notamment la température du fluide. Si une pompe à chaleur fonctionne pendant 20 heures, la température finale du fluide dans le forage sera plus basse que si elle ne fonctionne que pendant 8 heures. Là encore, dans le cas d’installations collectives, la durée maximale de fonctionnement sera inférieure à la somme des durées des pics de consommation individuels. Comment peut-on estimer cette simultanéité?
La manière la plus précise de déterminer la durée consiste à effectuer une simulation dynamique détaillée de l’installation et d’analyser son profil d’utilisation. Cela permet de prévoir avec exactitude les moments et la durée des pics de consommation. Il s’agit toutefois d’une approche fastidieuse, d’autant plus que dans les bâtiments existants, les données nécessaires ne sont pas toujours disponibles.
Une autre manière d’estimer la durée probable consiste à utiliser des données statistiques ou des règles empiriques fondées sur l’expérience. À ce jour, aucune méthode de ce type n’est toutefois couramment utilisée. C’est pourquoi nous proposons une première approche, basée sur le théorème central limite, en statistique. Celui-ci stipule que l’écart-type de la moyenne d’un groupe d’échantillons diminue en fonction de la racine carrée du nombre d’échantillons individuels. En supposant que les bâtiments sont globalement similaires, on peut utiliser le facteur √n comme approximation de premier ordre pour estimer le pic total pour n bâtiments. Le graphique illustre cette tendance.
Appliqué à notre exemple de 25 appartements, cela donne
- Puissance installée: 125 kW
- Demande annuelle totale de chaleur: 187,5 MWh
- Durée du pic: 8 h par appartement
En utilisant le facteur d’échelle et le facteur de simultanéité, nous pouvons concevoir le champ de forage pour les paramètres suivants:
- Charge de pointe effective: 111 kW (facteur de simultanéité de 89%)
- Demande annuelle totale de chaleur: 187,5 MWh
- Durée du pic: 40 heures (facteur 5)
Cette méthode n’a toutefois pas encore été validée et doit être utilisée avec la prudence nécessaire.
Cet article est basé sur la contribution de Wouter Peere ‘Simultaneity Factor’, disponible sur le site web de GHEtool.
ghetool.eu/knowledgebase/simultaneity-factor
Parr: Alex Baumans - Graphiques: Wouter Peere
