Echangeur géothermique

Les échangeurs géothermiques verticaux sont généralement pourvus de forages comportant des tubes en U, comme représenté ci-dessous.

L’échangeur géothermique d’EnergyPlus est un composant de condenseur desservant le côté production du condenseur, ainsi que les tours de refroidissement et d’autres composants du condenseur.

La réponse de l’échangeur de chaleur est définie par un élément G-Function. Il s’agit d’une fonction non dimensionnelle qui est utilisée pour le calcul de la réponse à des signaux carrés d’impulsion de chaleur de durée variables. (Cette fonction n’est pas identique aux « facteurs G » mentionnés dans le manuel des applications ASHRAE).

Cette fonction continue est définie par une série de paires de données (LNTTSi, GFNCi), où:

•	LNTTSi correspond à une valeur temporelle non dimensionnelle: ln(T/Ts)

•	GFNCi est la valeur G-Function

L’élément G-Function est différent pour chacune des configurations de champ de forage (un champ de 4x4 présente une réponse différente à un champ 80x80) et varie en fonction de la résistance thermique des forages. La fonction est également du ratio de l’espacement des forages sur la profondeur. Les valeurs de l’élément G-Function, ce pour garantir la précision des simulations, doivent être calculées pour chacune des conceptions d’échangeurs de chaleur. Cette opération s’effectue à l’aide d’outils commerciaux de conception d’échangeurs de chaleur géothermiques à boucle. Un ensemble de données de référence, comportant des exemples de données pour les configurations 1x2, 4x4 et 8x8 et les enduits standard et thermiquement améliorés, a également été fourni. Ces données sont fournies à titre d’exemples uniquement.

Des détails supplémentaires sur la mise en œuvre de ce modèle sont accessibles à partir de la source suivante:

Murugappan, A. Implementing Ground Source Heat Pump and Ground Loop Heat Exchanger Models in the EnergyPlus Simulation Environment (Mise en œuvre de modèles de pompe à chaleur géothermique et d’échangeur de chaleur géothermique à boucle dans l’environnement de simulation d’EnergyPlus). Mémoire de maîtrise, Oklahoma State University, décembre 2002.

Ce contrôle peut être utilisé pour charger des données dans la boîte de dialogue à partir d’une prédéfinition d’échangeur de chaleur géothermique, comme point de départ pour votre composant spécifique.

Remarque : Après avoir chargé une prédéfinition d’échangeur de chaleur géothermique, il est primordial de définir les débits de conception et maximum en tant que somme des débits nominaux de la pompe à chaleur raccordée.

La liste déroulante Type vous permet de sélectionner le modèle d'échangeur géothermique à utiliser pour ce composant.

Ce champ numérique contient le débit volumique en conception de l’échangeur de chaleur géothermique (en m3/s ou en gal/min). Cette valeur doit être identique à celle du champ Débit maximal (voir ci-dessous).

Ce champ numérique contient le débit maximal de l’échangeur de chaleur géothermique (en m3/s ou gal/min).

Remarque : le débit maximal des échangeurs de chaleur géothermiques verticaux doit normalement être défini en tant que somme des débits nominaux de l’ensemble des pompes à chaleur eau-eau raccordées. Ajoutez les débits nominaux de l’ensemble des composants de pompe à chaleur de chauffage et de pompe à chaleur de refroidissement qui sont raccordés à cet échangeur de chaleur.

Ce champs numérique contient le nombre de forages de l'installation géothermique.

Ce champ numérique contient la conductivité thermique du matériaux de remplissage du forage en W/m.K

Ce champ numérique contient le diamètre extérieur du tuyau constituant le U en m.

Ce champ numérique contient le nombre maximum d'années de simulation à réaliser.

La formulation des éléments G-Function peut différer en fonction du programme qui les a générés. Les éléments G-Function « bruts » sont basés sur un ratio de rayon de forage sur la longueur active de 0.0005. Si le ratio physique est différent de cette valeur, une correction doit être appliquée. EnergyPlus applique la correction, en fonction du ratio de référence saisi dans ce champ. Il existe en conséquence deux configurations possibles de saisie:

Le logiciel GLHEPRO a effectué cette « précorrection » sur les ensembles de données depuis la version 3.1. Aussi, les valeurs contenues dans ce champ de saisie doivent correspondre au ratio réel (physique) du rayon sur la longueur.

La réponse du forage est définie par une fonction G sans dimension. Le deuxième onglet inclus une grande fenêtre de texte avec une liste de données de la fonction G. La liste spécifie une série de données de points définissant les valeurs sans dimension et la valeur de la fonction G (LNTTS1, GFUNC1), (LNTTS2, GFUNC2), (LNTTS3, GFUNC3) …….. (LNTTSn, GFUNCn)..

Ce champ numérique contient le logarithme du temps sur le temps à l'état d'équilibre

DesignBuilder permet de dimensionner rapidement et de manière approximative les échangeurs de chaleurs géothermiques verticaux à boucle, pourvus par défaut de dispositions de forage et de propriétés géothermiques standard. Cette procédure est dédiée aux calculs en Conception Chauffage et Conception Refroidissement de DesignBuilder, destinés à l’obtention des charges maximales de chauffage et de climatisation en kW. Ensuite, utilisez le tableau ci-dessous afin d’identifier le nombre minimal de forages du modèle.

Chargez ensuite la prédéfinition d’échangeur de chaleur géothermique vertical à « xx-forages en tube en U de 76 mm » pourvu du nombre correspondant de forages de la bibliothèque de prédéfinitions. Ces prédéfinitions présentent des paramètres précalculés sur la base d’une géométrie rectangulaire et de paramètres de propriétés standard (voir la zone en rouge située sur la gauche de la figure ci-dessous). Chacune d’entre elles comprend un ensemble correspondant de données G-Function. Lorsque les dispositions de forages sont très différentes ou si les paramètres géothermiques ou tout autre réglage s’écartent de ce paramétrage standard, vous devez utiliser la méthode de dimensionnement de conception détaillée décrite ci-dessous.

La puissance nette de chauffage et de refroidissement géothermique varie selon les saisons, en fonction du taux d’extraction/de rejet de la chaleur accumulée, et donc des charges du bâtiment tout au long de l’année (pas uniquement des charges maximales mentionnées ci-dessus). Ces éléments sont rendus disponibles au moyen d’une simulation basée par exemple sur un paramétrage CVC simple dans DesignBuilder.

Les outils d’échangeur de chaleur géothermique tels que GLHEPRO et GLD (qui ne sont pas fournis par DesignBuilder ou EnergyPlus) disposent de fonctionnalités nécessaires à l’établissement de calculs plus détaillés et précis, tenant compte des dispositions de forage et des propriétés géothermiques spécifiques. Ces outils peuvent exporter des données G-Function calculées sous format IDF, qui peuvent être chargées dans la boîte de dialogue Echangeur géothermique de DesignBuilder, comme décrit ci-dessous.

Importation des données d’un échangeur de chaleur géothermique vertical d’un fichier

Les données d’un échangeur de chaleur géothermique vertical à boucle déjà configuré et dimensionné peuvent être chargées en cliquant sur le bouton Importer situé dans la partie inférieure de la boîte de dialogue ou sur le lien d’importation des données d’échangeur de chaleur géothermique du panneau d’informations (voir la figure ci-dessous).

Les données correspondantes G-Function, chargées avec le reste des données requises dans la boîte de dialogue, peuvent être consultées dans l’onglet Données G-Fonction.