On nous demande souvent : « L’influence de la barre centrale sur les performances de la sonde séparée n’est-elle pas trop importante ? Cela pourrait-il provoquer un court-circuit thermique ? » Dans la deuxième partie de ce double article, nous discuterons en détail des résultats de recherche et des évaluations du fonctionnement réel de la sonde géothermique séparée. Voici comment nous montrons comment y faire face.
Court-circuit thermique – explication brève
Dans la première partie de cette série d’articles, nous avons expliqué ce qu’est un « court-circuit thermique » et quelle importance il a dans l’ensemble de l’environnement d’une sonde géothermique entièrement installée. Si vous ne connaissez pas encore l'article, nous pouvons vous le recommander chaleureusement !
En bref : il existe une différence de température souhaitée entre les lignes de départ et de retour dans la sonde géothermique. Un certain effet de court-circuit thermique se produit toujours lorsqu'il y a des différences de température. Il est évident que l’on voudrait réduire cet effet autant que possible. Mais ce n’est de loin pas le facteur le plus important lorsqu’il s’agit de la performance d’une sonde géothermique. C’est ici qu’entre en jeu le rapport coût-bénéfice : quels ajustements peuvent être effectués pour maximiser les coûts d’une sonde géothermique sans compromettre significativement l’efficacité ?
En général, on peut dire qu’un diamètre de forage étroit est avantageux à la fois pour les coûts et l’efficacité des sondes géothermiques. Il s'agit donc de la vis de réglage numéro 1, ce qui fait du système séparé le système privilégié.
Tout d’abord, que peut-on dire du court-circuit thermique dans le système séparé du point de vue de la recherche ?
Étape 1 : Simulations CFD
Les courants chauds et froids sont séparés l'un de l'autre par un pont d'un peu moins de 3 mm d'épaisseur et échangent de la chaleur dans les deux sens. Il ne fait aucun doute que le pont aura un impact. Mais plutôt quelle est l'influence de la bande centrale du tuyau sur les performances globales d'une sonde géothermique. Cette question a été d’une importance centrale pour le développement de la technologie des tubes divisés depuis les premières phases de conception.
Nous voulions savoir quelle était l’ampleur des différences entre un court-circuit thermique et une conception de sonde conventionnelle. Il est apparu très tôt que l’isolation supplémentaire du pont n’avait que peu d’impact sur l’effet et rendait la production plus exigeante. La barre centrale en matériau PE forme ainsi la surface d'échange thermique.
Les simulations CFD ont été réalisées par l'Université des sciences appliquées de Suisse orientale (OST). La question était la suivante : supposons qu'il y ait une sonde composée de deux tuyaux séparés ayant la même section transversale globale que le tuyau séparé – de combien de pour cent cela améliorerait-il son transfert de chaleur ? La réponse : la différence entre un tuyau divisé et un tuyau séparé n’est que de quelques dixièmes de degré. Des scénarios ont été calculés avec différentes vitesses d’écoulement et viscosités. En moyenne, dans ces considérations théoriques, la différence de performance de transfert de chaleur était d’environ 7 %.
Cela soulève naturellement la question : quelle longueur de sonde supplémentaire, le cas échéant, nécessiterait un forage ? Cela dépend de nombreuses autres conditions limites, mais dans ce cas, cela peut être réduit à quelques pour cent. Des programmes de simulation tels que EED et GHEtool peuvent être utilisés pour démontrer clairement l’impact d’un changement dans la résistance du forage. Dans les cas classiques, une différence de 7 % dans les performances de transfert de chaleur entraîne une différence de seulement 2 à 3 % dans les compteurs de forage.
Conclusion : Le court-circuit thermique est un facteur discuté en théorie, mais qui joue en réalité un rôle pratiquement négligeable dans cette application. D’autres facteurs ont une influence beaucoup plus grande : la géologie, la construction du forage, le régime de surface et d’écoulement. L’absorption de chaleur doit donc être considérée dans son ensemble lors de la comparaison de différents types de sondes géothermiques.
Aperçu des influences et de leurs effets
| Facteurs influençant positivement le transfert de chaleur d'une sonde séparée | Facteurs influençant positivement le transfert de chaleur d'une sonde en U |
|---|---|
| Petit diamètre de perçage, bonne connexion au sol | Court-circuit thermique réduit |
| Matériau de remblai moins isolant | Surface de tuyau plus grande |
| Une conductivité thermique plus élevée du matériau de remblai est possible | Volume de saumure plus important |
| Connexion en série, donc écoulement turbulent | |
| Même après une longue période de fonctionnement, aucun « espace mort » froid à l'intérieur entre les tuyaux |
Les experts s’accordent à dire que chacun de ces facteurs a une influence sur les performances globales d’une sonde géothermique. Il devient difficile d’évaluer l’ampleur réelle des influences individuelles. Comme le montrent les simulations CFD mentionnées ci-dessus, les différences sont parfois si marginales qu’elles peuvent difficilement être mesurées ou confirmées dans la pratique. Les méthodes de mesure à court terme disponibles aujourd'hui n'ont pas été développées pour comparer les conceptions de sondes et ne sont donc pas adaptées car elles ne reflètent pas le fonctionnement réel d'une pompe à chaleur.
La question cruciale est donc : à quoi cela ressemble-t-il dans la pratique ?
Étape 2 : Test pratique
Nous avons soumis les participants à des tests pratiques en utilisant plusieurs systèmes de test. L’usine qui est en activité depuis le plus longtemps est l’usine de référence « Pernter ».
Avec ce système de test fonctionnant en fonctionnement réel, nous pouvons tester différentes conceptions de sondes sous différents débits volumiques et taux d'extraction. Si l'affirmation selon laquelle un court-circuit thermique important se produirait dans le tuyau séparé était vraie, cela devrait également être visible dans les mesures à différentes plages de température.
Le fait est que les fluctuations à court terme de la répartition de la température au niveau des sondes n’ont pas vraiment d’impact notable sur le rapport de performance. Il existe même des périodes de mesure documentées au cours desquelles le rapport s'est développé en faveur de la sonde à tube divisé séparée malgré une différence de température plus élevée. Il doit donc y avoir d’autres facteurs qui déterminent une différence de performance.
Cliquez ici pour le rapport de référence.
Ça veut dire ?
Alors, comment gérer ces résultats ? Un court-circuit thermique doit-il être pris en compte dans la planification ? Si oui, comment ?
Comme déjà expliqué, d'autres facteurs ont une influence beaucoup plus importante sur la conception d'une sonde géothermique : structure du forage, surface, turbulence... La soi-disant « résistance thermique du forage » doit être considérée dans son ensemble.
Tous ces facteurs sont pris en compte lors de la planification et de la conception professionnelles d’un système de sonde géothermique. Bien entendu, un effet de court-circuit thermique est également pris en compte. Dans notre recommandation de planification pour « EED », nous fournissons des instructions pratiques et gérables. Dans le programme de calcul d'énergie géothermique « GHEtool », le système géothermique séparé peut être sélectionné directement, ce qui signifie que tous les paramètres sont déjà pris en compte.
Nos recommandations sont les suivantes : Tout d’abord, il convient de choisir le diamètre de foret le plus petit possible. Les forages étroits réduisent les coûts de construction et ont en même temps un effet positif sur l'efficacité thermique. Dans le même temps, moins de matériaux de remblai sont nécessaires, ce qui rend le remblai thermiquement amélioré abordable et judicieux. De plus, la séparation doit toujours être planifiée dans des conditions d'écoulement turbulentes, car grâce à la connexion en série simple, une vitesse d'écoulement suffisante peut être atteinte même avec des forages de sonde géothermique très courts et des débits volumiques très faibles.
Si ces principes de base sont respectés, les tableaux habituels des directives de conception telles que VDI4640 ou SIA384-6 peuvent également être utilisés pour des systèmes simples et plus petits. Cela est dû au fait qu’il n’y a pratiquement aucune différence d’efficacité entre les sondes séparées et les sondes double-U. Les différences dans un sens ou dans l’autre se situent dans la plage normale de fluctuation de tout système. Il existe cependant des différences significatives dans les coûts de construction…