On demande souvent à nos experts : « Est-il important que les conduites d'alimentation et de retour d'une sonde géothermique soient proches ? Ces conduites ne s'influencent-elles pas mutuellement ? » Cela soulève souvent des questions telles que : « Le pont de la sonde géothermique à tube divisé séparé ne présente-t-il pas un inconvénient ? » Dans la première partie de ce double article, nous essayons de répondre aux questions le plus simplement et le plus clairement possible.
Que signifie exactement « court-circuit thermique » ?
Pour répondre à cette question, nous ne pouvons pas éviter un petit cours théorique – nous devons expliquer brièvement le fonctionnement général d'une pompe à chaleur : d'une part, elle extrait de l'énergie d'une source afin d'augmenter la température dans le système de distribution de chaleur de la maison, d'autre part. Pour y parvenir, un fluide caloporteur (saumure, eau, air) doit circuler en permanence du côté de la source (le côté gauche sur l'image ci-dessous) afin de fournir l'énergie thermique requise. Du côté de la source, une distinction est faite entre les systèmes ouverts et fermés. Les systèmes ouverts sont des pompes à chaleur qui aspirent ouvertement l’air ambiant ou les eaux souterraines et les y rejettent. Dans les sondes géothermiques, le fluide caloporteur circule dans un système de tuyaux fermés qui absorbe la chaleur ambiante par conduction thermique.
Le problème suivant se pose, en particulier dans les systèmes ouverts : si la distance entre l'admission et le retour est trop petite, cela conduit à un court-circuit. Par exemple, le phénomène se produit avec les pompes à chaleur à air lorsque l'air refroidi est aspiré immédiatement ou avec seulement un petit détour. Le milieu n’a pas la possibilité d’être suffisamment réchauffé par l’environnement. L’efficacité d’une telle pompe à chaleur s’effondre.
Un tel court-circuit se produit-il également dans des systèmes fermés ?
Dans le système de tuyauterie fermé du système de sonde géothermique, le fluide ne peut pas être réaspiré directement dans un court-circuit – il peut seulement circuler tout au long de la sonde géothermique jusqu'à ce qu'il arrive à nouveau réchauffé à la pompe à chaleur. Cependant, la question se pose toujours de savoir si le transfert de chaleur peut encore avoir lieu par conduction thermique entre les côtés froid et chaud du sol. Cela équivaudrait également à un court-circuit thermique. Cet effet existe-t-il ? Que dit la science ?
De nos jours, des simulations dites CFD sont réalisées pour l'analyse théorique. Une simulation CFD (Computational Fluid Dynamics) est une simulation numérique d'écoulement, réalisée à l'aide d'un modèle informatique, qui calcule le mouvement du fluide dans les sondes géothermiques et représente le transfert de chaleur, en prenant en compte de nombreux phénomènes complexes. Les simulations CFD montrent que de nombreux facteurs affectent la conduction thermique dans un forage de sonde géothermique.
Certains de ces facteurs ont un impact fort, d’autres un impact faible. En particulier, les conductivités thermiques de la roche et du matériau de remblai jouent un rôle. De plus, les conditions d'écoulement du fluide caloporteur (laminaire ou turbulent) et le transfert de chaleur aux interfaces sont importants. Et tout le monde est d’accord : la position des tubes de sonde dans le forage fait également une différence, car la chaleur circule toujours du chaud vers le froid – cette loi physique ne peut pas être complètement arrêtée. Mais dans quelle mesure cela peut-il affecter les performances globales ?
Court-circuit thermique : quelle est sa signification ?
L’une des plus grandes études* menées montre que parmi tous ces facteurs, le choix du matériau de remblai a l’un des impacts les plus importants. Le point suivant est la qualité du remblai : plus le travail est consciencieux, plus l’efficacité de la sonde géothermique est élevée. Il montre également que la « résistance thermique du forage » tend à augmenter avec des diamètres plus grands, ce qui signifie que les performances de transfert de chaleur de la sonde géothermique diminuent. Et plus le diamètre du trou de forage sélectionné est grand, plus l'impact du choix du matériau et d'une mauvaise exécution est important.
Il est intéressant de noter que l’étude a également examiné l’utilisation d’entretoises de tube de sonde. Les entretoises ont été développées à l'origine dans le but de séparer les tubes de sonde les uns des autres afin de réduire autant que possible l'influence thermique (« court-circuit ») entre eux. Mais à quelle conclusion aboutit l’étude pratique ? Paradoxalement, l’utilisation d’entretoises peut entraîner une résistance accrue du forage en raison d’un risque accru d’inclusions d’eau ou d’air. Les entretoises ont dû être inventées dans un bureau – les gens pensaient pouvoir extraire le moindre pour cent d’une sonde – mais en pratique, elles sont contre-productives. Conclusion : La qualité du forage pour la sonde géothermique et le choix de matériaux de haute qualité thermique sont bien plus importants que tout court-circuit thermique minimal éventuel.
Voici une comparaison : imaginez que vous souhaitez acheter une tasse thermos. Une bonne tasse thermos garde le café ou le thé chaud pendant longtemps. Il y a 2 modèles dans le magasin. La tasse coûteuse annonce une isolation très épaisse, mais n'a pas de couvercle. L'autre est moins cher, l'isolation est un peu plus fine, mais il a un couvercle de fermeture. Qu'en pensez-vous : quelle tasse garde votre café chaud plus longtemps ? Alors qu’est-ce qui est important ? Sur la valeur d'isolation individuelle de la paroi de la tasse ou sur la conception entière ?
C’est exactement comme cela avec une sonde géothermique : c’est le produit global qui compte. Une conduction thermique minimale entre les lignes d’alimentation et de retour n’est pas cruciale. Un court-circuit thermique est théoriquement possible dans une sonde géothermique, mais il est si petit qu'il est difficilement mesurable. Il est crucial que l'ensemble du système soit bien planifié : un forage étroit, un bon encastrement de la sonde, une hydraulique adaptée. Au total, cela représente bien plus qu’un petit court-circuit thermique dans le sol, mathématiquement à la troisième décimale.
Chez separatus, nous attachons une grande importance à la planification et à l’exécution holistiques. Les partenaires separatus sont synonymes de compétence et de qualité. Recommandation de planification pour le système séparé : diamètre de forage le plus petit possible, remblai thermiquement amélioré, écoulement turbulent.
Dans la partie suivante du double article, nous montrerons en détail quelles recherches ont été menées sur la technologie du splitpipe séparé. Nous présentons les résultats de simulations CFD réalisées par l'Université des Sciences Appliquées OST, ainsi que des analyses de sondes géothermiques réalisées en fonctionnement réel.
* https://www.geoenergie-konzept.de/thermischer-bohrlochwiderstand