Immeuble multifamilial dans des conditions géologiques difficiles

Comparaison du projet entre le DU-32 et le separatus

Lors de la planification d'un système géothermique, la puissance thermique n'est pas le seul facteur déterminant. La profondeur maximale de forage, les conditions géologiques, le diamètre du forage, l'hydraulique et les risques liés à la mise en œuvre doivent également être pris en compte.

Pour un immeuble collectif nécessitant chauffage, eau chaude sanitaire et climatisation, une analyse comparative de différentes options a été menée sur une période de 50 ans. La comparaison portait sur un système conventionnel de pompes à chaleur géothermiques avec deux sondes U 32 et un système avec des sondes géothermiques séparées.

Les résultats montrent qu'un forage plus important n'implique pas automatiquement un effort accru. Grâce à la séparation des éléments, la profondeur de forage maximale peut être réduite, la longueur totale de forage raccourcie et le diamètre du trou de forage considérablement diminué.

Forte demande énergétique et utilisation combinée

Le bâtiment a une demande annuelle de chauffage de 80 MWh et une demande annuelle d'eau chaude sanitaire de 85 MWh. Un besoin supplémentaire de 28 MWh en énergie de refroidissement est requis chaque année.

La puissance de chauffage maximale est de 60 kW. Une puissance frigorifique de pointe de 35 kW a été prise en compte. Le système doit donc assurer un chauffage fiable en hiver et un refroidissement efficace en été.

Cette utilisation combinée impose des exigences accrues en matière de conception thermique et hydraulique du champ de pompes à chaleur géothermiques.

Conditions géologiques difficiles

Les conditions géologiques du site augmentent le risque avec la profondeur de forage. Le forage directionnel horizontal est obligatoire à partir de 100 mètres de profondeur.

Parallèlement, la nature fine et non consolidée des roches présente un risque d'instabilité. Un forage plus profond peut nécessiter des évaluations techniques supplémentaires, accroître les exigences en matière de technologie de forage et engendrer de plus grandes incertitudes quant aux coûts et aux délais.

Dans une optique de minimisation des risques, il était logique d'examiner une variante avec une profondeur de forage maximale inférieure.

Les sondes voisines sont prises en compte dans la simulation.

Les champs de pompes à chaleur géothermiques ne fonctionnent pas de manière isolée. Les installations existantes et futures dans les environs peuvent influencer la température du sol à long terme.

La simulation a tenu compte des sondes voisines existantes et des installations futures potentielles. La température initiale du sous-sol a été réduite en conséquence.

De plus, un système de chauffage et de refroidissement combiné a été intégré. La chaleur apportée en été contribue à la régénération du sous-sol. La nappe phréatique présente sur le site favorise la régénération thermique naturelle.

La simulation ne se contente donc pas de dépeindre l'état actuel, mais prend également en compte l'évolution à long terme du système sur une période de 50 ans.

Scénario avec deux sondes U 32

La version conventionnelle se compose de 13 sondes doubles U 32, chacune d'une profondeur de 150 mètres.

Il en résulte une longueur de forage totale de 1 950 mètres. Le diamètre du forage est de 132 millimètres.

Avec un débit volumique total de 12,2 m³/h et un fluide caloporteur contenant 20 % de monoéthylène glycol, un flux laminaire est établi pendant l'opération de chauffage.

Le nombre de Reynolds lors de l'extraction de chaleur est de 1 851. La résistance thermique effective du forage est de 0,18 mK/W.

La température moyenne minimale du fluide après 50 ans est de -1,3 °C. En mode refroidissement, une température moyenne maximale du fluide de 15,1 °C est atteinte.

Cette variante répond donc aux exigences thermiques. Cependant, l'écoulement laminaire limite le transfert de chaleur entre la saumure et la paroi du tuyau.

Scénario avec des sondes géothermiques séparées

La deuxième variante consiste en 15 sondes géothermiques distinctes, chacune d'une profondeur de 120 mètres.

La longueur totale de forage est de 1 800 mètres. Malgré deux forages supplémentaires, la longueur totale de forage est ainsi réduite de 150 mètres.

Parallèlement, la profondeur de forage maximale par sonde diminue de 30 mètres. Le diamètre du forage peut être réduit de 132 à 100 millimètres.

Lors de la phase de chauffage, le nombre de Reynolds est de 2 384, et lors de la phase de refroidissement, il est de 4 076. Dans les deux cas, un écoulement turbulent est obtenu.

La résistance thermique effective du forage est de 0,12 mK/W lors de l'extraction de chaleur et de 0,11 mK/W lors de l'injection de chaleur.

La température moyenne minimale du fluide après 50 ans est de -1,47 °C. La température maximale du fluide pendant le fonctionnement du système de refroidissement est de 14,6 °C.

Les deux variantes répondent donc aux exigences en matière de températures de fluide à long terme.

Longueur de forage totale réduite malgré un forage supplémentaire.

À première vue, un plus grand nombre de forages pourrait sembler un inconvénient. Cependant, ce qui compte, ce n'est pas seulement le nombre, mais le rendement total du forage et l'effort requis par forage.

Les différences suivantes ressortent de la comparaison :

• Double U 32 avec 13 forages de 150 mètres chacun
• séparé avec 15 forages de 120 mètres chacun
• 1 950 mètres de longueur totale de forage au niveau du puits jumeau U 32
• Longueur totale de forage de 1 800 mètres à des endroits séparés
• Diamètre de forage de 132 mm pour un double U 32
• Diamètre de forage de 100 millimètres au niveau du séparateur

La variante separatus nécessite donc 150 mètres de longueur de forage totale en moins et réduit le diamètre du forage de 42 millimètres.

Un diamètre plus petit réduit la quantité de matériaux excavés, les besoins en remblayage et la consommation d'énergie lors du forage, tout en augmentant la vitesse de forage. De plus, des foreuses plus petites peuvent être utilisées.

Une profondeur de forage moindre réduit le risque d'exécution.

Dans des conditions géologiques difficiles, la profondeur maximale de forage constitue un facteur de risque important. Plus un forage est profond, plus il reste ouvert longtemps et plus le risque d'instabilité, d'intrusion de matériaux ou de problèmes lors de l'installation de la sonde est élevé.

La réduction de la profondeur de sondage de 150 à 120 mètres limite les travaux dans la zone de profondeur particulièrement difficile. Cela diminue l'incertitude technique et peut réduire les coûts et les risques liés au calendrier.

Cet avantage ne peut être évalué uniquement en fonction de la profondeur de forage. En particulier dans des sols difficiles, un forage plus court et plus facile à contrôler peut s'avérer crucial pour la réussite du projet.

L'hydraulique comme facteur clé de planification

Les performances thermiques d'une pompe à chaleur géothermique dépendent non seulement du sous-sol et de la longueur de la sonde, mais aussi des caractéristiques d'écoulement du fluide caloporteur.

En régime laminaire, le fluide se déplace principalement en couches ordonnées. Le transfert de chaleur entre le fluide et la paroi du tuyau est alors plus faible.

En régime turbulent, le fluide est mieux mélangé. Cela améliore le transfert de chaleur et réduit la résistance thermique du forage.

L'exemple de projet illustre clairement cette différence. La variante à double U 32 conserve un écoulement laminaire lors de l'extraction de chaleur. La variante à tubes séparés atteint des conditions d'écoulement plus favorables et un écoulement pleinement turbulent lors du refroidissement.

Par conséquent, une conception hydraulique est un élément essentiel de tout dimensionnement fiable.

Les sondes plus courtes peuvent être plus efficaces pour le refroidissement.

Les sondes géothermiques plus courtes offrent un avantage supplémentaire lors de la planification de systèmes avec fonction de refroidissement.

La température du sol augmente avec la profondeur en raison du gradient géothermique. Les sondes les plus courtes se trouvent, en moyenne, dans des couches de sol plus froides que les sondes plus profondes.

Ceci est avantageux pour le refroidissement. Plus la température du sol est basse, plus l'écart de température entre le bâtiment et la source de chaleur est important. Cela permet un transfert de chaleur plus efficace vers le sol.

Dans une comparaison de projets, cela se manifeste clairement dans les températures maximales du fluide pendant l'opération de refroidissement :

• Double U 32 avec une température maximale de 15,1 °C
• séparer à une température maximale de 14,6 °C

La variante à séparation plus courte présente donc une température maximale du fluide plus basse. Ceci améliore les conditions de refroidissement et peut accroître l'efficacité du système.

Cet avantage est particulièrement pertinent pour les bâtiments ayant des besoins élevés en refroidissement ou pour les systèmes utilisant un refroidissement passif.

Le refroidissement favorise la régénération du sous-sol.

Le refroidissement améliore non seulement le confort en été, mais a également un impact positif sur le bilan énergétique à long terme du champ de sondes géothermiques. Pendant la saison de chauffage, la chaleur est extraite du sol. En mode refroidissement, une partie de cette énergie est restituée au sol.

Cette régénération stabilise la température du sol et peut améliorer les performances à long terme du système. Les systèmes de pompe à chaleur géothermique régénératifs à court terme sont donc particulièrement intéressants pour les bâtiments dont les besoins en chauffage et en climatisation sont équilibrés.

Comparaison technique et économique

Les deux variantes répondent aux exigences thermiques pendant plus de 50 ans.

Cependant, le système separatus offre plusieurs avantages en comparaison directe :

• 150 mètres de longueur de forage totale en moins
• 30 mètres de profondeur de forage maximale inférieure
• diamètre de forage inférieur de 42 millimètres
• conditions d'écoulement turbulent
• résistance thermique inférieure du forage
• risque d'exécution plus faible
• meilleures conditions pour le fonctionnement du refroidissement
• besoin réduit de forage et de remblayage

Ces facteurs n'affectent pas seulement la qualité technique. Ils influencent principalement les coûts d'investissement, le processus de construction et l'efficacité opérationnelle à long terme.

La meilleure solution résulte de la comparaison des différentes options.

Ce projet démontre que la meilleure conception n'est pas nécessairement celle qui comporte le moins de forages. Le facteur crucial réside dans l'interaction entre la longueur totale des forages, la profondeur de sondage, le diamètre des forages, l'hydraulique, la géologie, le refroidissement et les risques liés à l'exécution.

Une simulation fiable rend ces relations visibles et fournit une base objective pour la prise de décision.

Dans cette comparaison, la technique du forage séparé s'avère la plus adaptée. Cette variante réduit la longueur totale de forage et la profondeur maximale, améliore les conditions hydrauliques et diminue les risques lors de son exécution.

Assistance au dimensionnement et à la simulation

Nous accompagnons les services d'urbanisme, les entreprises de forage, les installateurs et les propriétaires d'immeubles dans le développement de systèmes géothermiques économiques.

Nos services comprennent :

• Simulation thermique à long terme selon les normes SIA 384/6 et VDI 4640/2
• conception hydraulique
• calcul de perte de pression
• Comparaison de différents systèmes de sondes
• Prise en compte des sondes voisines existantes et futures
• Optimisation de la profondeur de forage et du diamètre du trou de forage
• Évaluation du fonctionnement du chauffage et du refroidissement
• Support dans des conditions aux limites géologiques complexes

Qu’il s’agisse d’une sonde séparée ou standard, le facteur décisif est la solution la mieux adaptée au projet concerné.

Vous envisagez d'installer un champ de pompes à chaleur géothermiques dans un contexte géologique difficile, avec une profondeur de forage limitée ou des besoins combinés de chauffage et de refroidissement ?

Veuillez nous transmettre le profil de charge, les conditions du site et les conditions géologiques aux limites. Nous examinerons les options possibles.