Champs de sondes géothermiques
La géothermie de surface offre une solution bas carbone prometteuse pour le chauffage et le refroidissement des bâtiments. Les systèmes géothermiques de surface les plus répandus sont les pompes à chaleur verticales sur sonde géothermique (PAC géothermiques, GSHP). Ces systèmes échangent de la chaleur avec le sol au moyen de sondes géothermiques (BHE), généralement installées à des profondeurs pouvant atteindre 400 m.
Le dimensionnement des champs de sondes est complexe car il fait intervenir une modélisation multi-physique, des performances à long terme et des contraintes propres au site. Les sondes étant thermiquement couplées, la chaleur extraite ou injectée dans une sonde affecte celles situées à proximité (phénomène connu sous le nom d'interférence thermique). Une conception efficace doit donc tenir compte des charges thermiques cumulées et des effets de charge de pointe sur des décennies d'exploitation (généralement 20 à 50 ans). Elle doit garantir que les températures du fluide restent dans des limites acceptables tout au long de la durée de vie du système afin d'éviter le gel ou la surchauffe du sol.
Comment cela fonctionne
TESSA emploie la méthode de superposition temporelle et la modélisation par g-fonctions pour prédire les températures du fluide des sondes sur des décennies d'exploitation. Cette approche repose sur des méthodes validées issues de la littérature académique et de nos propres recherches publiées.
Les températures extrêmes du fluide sont estimées en superposant trois composantes de charge :
- Composante à long terme — représente la charge annuelle moyenne.
- Composante saisonnière (périodique) — capture les variations saisonnières.
- Composante à court terme (impulsion) — tient compte des charges de pointe durant de quelques heures à quelques jours.
Chaque composante de charge est associée aux résistances thermiques du sol correspondantes, auxquelles s'ajoute la résistance thermique de la sonde.
Pour calculer ces résistances thermiques, TESSA utilise la méthode des g-fonctions développée par le Dr Per Eskilson. La g-fonction est une fonction de réponse en température sans dimension qui décrit comment la température du sol évolue en réponse à une charge thermique unitaire au fil du temps dans un champ de sondes. Cette méthode est également utilisée dans des outils standards de l'industrie tels qu'Earth Energy Designer (EED).
TESSA intègre Pygfunction, développé par le Prof. Massimo Cimmino, qui utilise la solution analytique de la source linéaire finie pour calculer les g-fonctions. Contrairement aux outils limités à des géométries simples (champs rectangulaires ou en U), Pygfunction permet de concevoir des configurations de champs de sondes arbitraires.
Entrées requises
Pour exécuter une analyse de dimensionnement, TESSA requiert les entrées suivantes :
- Profil d'échange de chaleur du champ de sondes.
- Spécifications des sondes (dimensions et propriétés thermiques).
- Disposition du champ de sondes (coordonnées de chaque BHE).
- Propriétés thermiques du sol.
- Contraintes sur les températures minimale et maximale du fluide.
Validation avec Energy Earth Designer (EED)
Pour valider le dimensionnement des champs de sondes mis en œuvre dans TESSA, les résultats ont été comparés à ceux obtenus avec Energy Earth Designer (EED), un logiciel largement utilisé pour la conception de systèmes géothermiques. Deux cas de calcul représentatifs ont été définis et simulés dans les deux outils dans des conditions aux limites identiques.
Définition des scénarios de validation
Configuration du champ de sondes
- Disposition rectangulaire 2 × 3 (6 sondes au total)
- Espacement des sondes : 10 m
Spécification des sondes
- Configuration à double U
- Diamètre de sonde : 110 mm
Propriétés du sol
- Température de surface : 8 °C
- Conductivité thermique du sol : 3.5 W/(m·K)
- Capacité thermique volumique : 2.16 MJ/(m³·K)
- Flux géothermique : 0.06 W/m²
Fluide caloporteur
- 25 % de glycol d'éthylène
Configuration du système
- Chauffage assuré par pompe à chaleur (COP = 3)
- Refroidissement assuré par refroidissement direct
Paramètres de dimensionnement
- Période de simulation : 50 ans
- Température moyenne maximale du fluide : 15 °C
- Température moyenne minimale du fluide : −1.5 °C
Cas de charge
- Cas 1 : exploitation en chauffage seul.
- Cas 2 : chauffage avec refroidissement saisonnier (assurant une régénération thermique partielle).
| Cas | Chaleur annuelle (MWh) | Chaleur mensuelle max (MWh) | Pointe chaleur (kW) | Refroidissement annuel (MWh) | Refroidissement mensuel max (MWh) | Pointe refroidissement (kW) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 182 | 26.8 | 91 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 182 | 26.8 | 91 | 50 | 20 | 42 |
Résultats
| Cas | Longueur de sonde (EED) (m) | Longueur de sonde (TESSA) (m) | Écart |
|---|---|---|---|
| 1 | 262 | 250 | −4.7 % |
| 2 | 229 | 220 | −4.1 % |
L'écart entre TESSA et EED reste inférieur à 5 % dans les deux cas. Dans le cas 1 (chauffage seul), TESSA sous-estime légèrement la longueur de sonde requise par rapport à EED. Dans le cas 2, l'introduction de charges de refroidissement réduit la longueur de sonde requise grâce à la régénération thermique du sol. Les deux outils captent de façon cohérente cet effet de régénération, et l'écart relatif reste tout aussi faible. Dans l'ensemble, la comparaison démontre la fiabilité de l'implémentation de TESSA pour les calculs de dimensionnement géothermique à long terme.