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000000290895 - Bundesamt für Energie BFE

1. TEMPERATURE LIMITS Minimum allowed fluid temperature in the piles boreholes TfMin Maximum allowed fluid temperature in the piles boreholes Tfmax HEAT PUMP AND COOLING MACHINE PARAMETERS Design electric power of the heat pump Pel Design performance coefficient COP COPo Constant COP and efficiency during simulation Design inlet fluid temperature in evaporator Design outlet fluid temperature from condenser Temperature difference for COP reduction Temperature difference for COP stagnation Maximum possible COP PAC and cooling machine Penalty on the COP PAC and cooling machine Design electric power of the cooling machine PelCOM Design efficiency of the cooling machine EffCOM Design inlet fluid temperature in evaporator Design outlet fluid temperature from condenser Design inlet outlet temp difference in evaporator PAC and cooling machine Design inlet outlet temp difference in condenser PAC and cooling machine COUNTERFLOW HEAT EXCHANGERS Design temperature loss in cooling heat exchanger LossTCool Design temperature loss in geocooling heat exchanger LossTGeo INTERFACE GROUND BUILDING Room air temperature in building TairH Height of the cellar between rooms and ground Hfloor Air change rate in the cellar AchRat Global room cellar heat transfer coefficient UCelBu Insulation thickness between ground and cellar Hinsul Concrete thickness between ground and cellar Hmagco Length of
2. 35 CH Temp rature E 20 0 100 200 300 400 500 600 700 Profondeur par rapport au sol m Figure 5 temp rature du sous sol mesur e en forage source Universit du Michigan Laboratoire de g othermie En Suisse on admet g n ralement un gradient geothermique d environ 30K par kilometre de profondeur Le Jura montre une certaine dispersion dans l volution de ces temp ratures Si l on examine maintenant au cas par cas les diff rentes zones g ologiques d limit es en Suisse toutes pr sentent des particularit s ayant un impact Dans l Arc jurassien les roches calcaires composant le sous sol sont cassantes et solubles des r seaux karstiques peuvent se d velopper la faveur de la fissuration conduisant la cr ation de v ritables conduits naturels au sein desquels les coulements air et ou eau se trouvent concentr s et adoptent des vitesses parfois tr s lev es Une telle situation est g n ralement peu favorable pour atteindre un quilibre thermique avec l encaissant Pour les cas les plus fr quents l altitude lev e des zones d infiltration et une saison hiver nale froide et longue conduisent des temp ratures relativement basses pour les eaux infil trees La circulation d air froid dans les r seaux fossiles ou d noy s p
3. 3 6 ks h Ra1 Diameter of PILES or BHE of type 2 Number of PILES or BHE of type 2 Average active length of PILES or BHE of type 2 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 2 K W m 3 6 ks h Internal thermal resistance of pile borehole type 2 K W m 3 6 ks h Diameter of PILES or BHE of type 3 Number of PILES or BHE of type 3 Average active length of PILES or BHE of type 3 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 3 K W m 3 6 ks h Internal thermal resistance of pile borehole type 3 K W m 3 6 ks h Diameter of PILES or BHE of type 4 Number of PILES or BHE of type 4 Average active length of PILES or BHE of type 4 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 4 K W m 3 6 ks h Internal thermal resistance of pile borehole type 4 K W m 3 6 ks h Diameter of PILES or BHE of type 5 Number of PILES or BHE of type 5 Average active length of PILES or BHE of type 5 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 5 K W m 3 6 ks h Internal thermal resistance of pile borehole type 5 K W m 3 6 ks h Diameter of PILES or BHE of type 6 Number of PILES or BHE of type 6 Average active length of PILES or BHE of type 6 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 6 K W m 3 6 ks h Internal thermal resistance of pile borehole type 6 K W m 3 6 ks h Average spacing between the piles BPILE Number of piles boreholes coupled in series NSERIE Pipe configuration in pile borehole Pipe number in a c
4. Le d bit n est pas param trable directement mais il est possible d imposer le AT Le type de fluide simul est de l eau 4 3 4 Consommateur Le consommateur est symbolise dans cette tude par un a ro refroidisseur d une puissance consid r e constante Plusieurs puissances ont t test es 5 10 15 et 20kW Le mod le de simulation requiert galement une PAC Le consommateur a t mat rialis par une consommation constante d eau chaude sanitaire de puissance constante Figure 8 Cette puissance est calcul e d apr s la puissance souhait e en t te de sonde avec un COP de 4 Ce COP a t fix arbitrairement le choix premier eut t un COP de 1 Cette valeur n est pas accept e par le logiciel La simulation a t faite sur un laps de temps d un mois Les mesures avaient t effectu es quant elles sur quelques dizaines d heures chacune 22 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Confederaziun svizra Ofiice f d ral de l nergie OFEN Ci dessous la mod lisation du bilan nerg tique d une installation de g othermie avec Pile sim Chauffage auxiliaire Total demande Electricit PAC chauffage 4 500 kWh an Pompe a chaleur Chauffage PAC 17 900 KWh an PAC 17 900kWh an COP 4 0 Fraction chauffage 100 gt 13 500kWh
5. Pilesim2 get output Fr xls 09 05 2012 PILESIM parameters This EXCEL file requires to define a 20 years simulation duration and the selection of monthly results in the PILESIM parameter list DeckFile Parameter file some parameters Output file monthly values Plot file hourly values last simulation year SITE METEO emm input data file for loading conditions SYSTEM TYPE 114 type o system look at cell comment for definition GA ZE ANNUAL ENERGIES Annual energy demand for heating ignored if input data file not normalised Scaling factor for heating demand ScaleH Annual energy demand for cooling ignored if input data file not normalised Scaling factor for cooling demand ScaleC Outdoor air temperature for heating design Design forward fluid temperature for heating TfoHea Design forward fluid temperature for cooling TfoCol Design forward return temp difference in cooling distribution dT Geocool Relevant fluid temperature level for geocooling operation TEMPERATURE LIMITS Minimum allowed fluid temperature in the piles boreholes TfMin Maximum allowed fluid temperature in the piles boreholes Tfmax HEAT PUMP AND COOLING MACHINE PARAMETERS Design electric power of the heat pump Pel Design performance coefficient COP COPo Constant COP and efficiency during simulation Design inlet fluid temperature in evaporator Design outlet fluid temperature from condenser Temperature di
6. Si la temp rature en sortie de sonde devait correspondre au maximum du potentiel donn par le gradient g othermique il faudrait adapter les pompes chaleur des temp ratures d entr e de source froide de plus de 20 Pour abaisser les co ts des syst mes forages profonds une voie consiste se passer de pompe chaleur au moins pour du chauffage basse temp rature Pour que cela soit pos sible il faut soit se trouver dans une zone d anomalie g ologique par exemple le site d Oftringen avec un gradient g othermique de 60 K km soit forer a environ 1 000 metres et poser une sonde ad hoc 51 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra 12 Table des illustrations Figure 1 r partition par puissance des pompes chaleur install es en Suisse en 2011 Source GSP Figure 3 r capitulatif des techniques de forage et leurs caract ristiques selon la profondeur 14 Figure 4 coupe transversale simplifi e de la Suisse du Jura aux Pr alpes en passant par le Bassin molassique modifi e d apr s BERGER 1989 et SOMMARUGA 1997 source Impact Concept SA EE 15 Figure 5 temp rature du sous sol mesur e en forage source Universit du Michigan Laboratoire de GEODESIC inesseeeenneeseeeeeneneseeeeeennsee
7. Diameter of PILES or BHE of type 5 Number of PILES or BHE of type 5 Average active length of PILES or BHE of type 5 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 5 K W m 3 6 ks h Internal thermal resistance of pile borehole type 5 K W m 3 6 ks h Diameter of PILES or BHE of type 6 Number of PILES or BHE of type 6 Average active length of PILES or BHE of type 6 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 6 K W m 3 6 ks h Internal thermal resistance of pile borehole type 6 K W m 3 6 ks h Average spacing between the piles BPILE Number of piles boreholes coupled in series NSERIE Pipe configuration in pile borehole Pipe number in a cross section of a pile Inner diameter of one pipe Fraction of pile concrete thermal capacity GROUND CHARACTERISTICS effective average thermal conductivity W mK average ground volumetric heat capacity kJ m3K Initial ground temperature TGRDIN Mean temperature gradient in the undisturbed ground dT GRND Thermal conductivity of ground layer 1 LG1 Volumetric thermal capacity of ground layer 1 CG1 Thickness of ground layer 1 Darcy velocity of ground water in layer 1 DA1 Thermal conductivity of ground layer 2 LG2 Volumetric thermal capacity of ground layer 2 CG2 Thickness of ground layer 2 Darcy velocity of ground water in layer 2 DA2 Thermal conductivity of ground layer 3 LG3 Volumetric thermal capacity of ground layer 3 CG3 Thickness of ground layer 3 Darcy
8. riel tiers De plus la production de froid par un groupe frigori fique am nera une consommation d lectricit suppl mentaire importante Le gain nerg tique et conomique li la g othermie profonde se voit dans ce cas forte ment penalise Dans notre cas 2 les int r ts et amortissement augmentent de 14 et les co ts annuels de l lectricit de 39 En conclusion les sondes de plus de 200 m tres de profondeur ne sont pas adapt es au geocooling 47 D partmenet f d ral de l environnement des transports Schweizerische Eidgenossenschaft de l nergie et de la communication DETEC Conf d ration suisse EE RE EEE Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra 8 Aquiferes profonds Aux profondeurs envisag es jusqu ici il est galement possible d utiliser l eau presente dans des aquiferes ces profondeurs L avantage reside dans l absence de court circuit ther mique puisque l eau est capt e son gisement et transport e vers la surface Les co ts en fonction de la profondeur se pr sentent de la mani re suivante Profondeur 500 550 600 650 700 750 800 Reconnaissance 160 000 160 000 160 000 160 000 160 000 160 000 160 000 Forage 1 800 000 1 980 000 2 160 000 2 340 000 2 520 000 2 700 000 2 880 000 Equipement 200 000 220 000 240 000 260 000 280 000 300 000 320 000 D veloppement 150 000 150 000 150 000 150 000 150 000 150 000 150 000 Essais 300 000 300 000 300 000 300 000 300 000 300 0
9. sistance la pression constitue un l ment crucial Les sondes utilis es couramment actuellement sont en PE de qualit PN16 Cette r sistance la pression permet donc une utilisation sans risque jusqu une profondeur de sonde de 250 metres environ Au del il faut s lectionner la cat gorie sup rieure PN25 ce qui entraine une augmentation des co ts ll est toutefois possible de mettre en uvre du PN16 condition de maitriser le maintien d une contre pression lors du remplissage de la sonde et de l injection Les retours d exp riences in situ montrent que ces contraintes de pression pr sentent des risques av r s Plusieurs foreurs nous ont confirm des cas de rupture de sondes profondes ces derni res ann es A tel point que certaines entreprises refusent d sormais de forer plus de 250 ou 300 metres selon les r gions Dans chaque cas la rupture aurait lieu a cause d une pression trop lev e dans la zone proche du pied de la sonde Apr s d forma tion lastique le PE a la propri t de se fendre ou de se rompre Au vu de ce qui pr c de dans l tat actuel de la technique et des mat riaux la profondeur maximale sans prise de risque est de 250 m tres Pour de plus grandes profondeurs les solutions sont pr sent es au chapitre 10 3 et 11 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confedera
10. tion de 0 7 5 4 Generalisation a toute la gamme de puissance L amelioration du COP annuel moyen a ensuite ete calculee pour toute la gamme de puis sance de 50kW a 500kW Avec un gradient geothermique moyen de 30K kilom tre et des sondes a 800 metres l l vation du COP annuel est de 0 8 0 1 6 Court circuit thermique Comme le montrent les resultats des 2 cas ci dessus le gain de temperature par une plus grande profondeur n est pas pleinement exploit l augmentation d efficacit reste en deca des valeurs potentielles C est l objet des chapitres suivants Ces valeurs mettent en vidence un ph nom ne connu voir 6 et 7 mais peu tudi de mani re quantitative aux grandes profondeurs le court circuit thermique Le fluide calopor teur qui remonte du pied de la sonde est plus chaud que le milieu environnant et une partie de l nergie calorifique est ainsi dissip e La temp rature en sortie de sonde n est pas aussi lev e que le gradient g othermique le promettait 34 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra 6 1 Cas 1 creche pour enfants Cas 1 COP annuel moyen simul et calcul selon gradient g othermique COPa simul f COPa calcul selon temp rature Figure 16 COPa simul e
11. PAC par puissance en 2011 gt 50 KW2 3 Figure 1 r partition par puissance des pompes chaleur install es en Suisse en 2011 Source GSP Le march des pompes chaleur est constitu 97 d installations de moins de 50kW ce qui correspond 5 sondes de 150 metres Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra Or le patrimoine b ti comporte un nombre important de b timents qui sont encore chauff s avec des nergies non renouvelables comme le montre la figure suivante March du chauffage 2011 Bois 3 E Mazout E Gaz M PAC MBois MCAD Figure 2 nombre de chauffages install s en Suisse en 2011 par syst me de chauffage Source GSP Environ 50 000 chauffages sont install s chaque ann e en Suisse dont 18 000 PAC de moins de 50kW ce qui signifie que la part de march des PAC au dessus de 50kW est de moins de 3 Donc le march du chauffage en dessus de 50kW est domin largement par les chauffages au mazout et au gaz Le segment de march en dessus de 50kW implique des longueurs de sondes g other miques verticales de l ordre de 800 m tres soit 4 6 sondes environ Pour les puissances plus lev es le nombre de sonde s accroit et pose les probl mes suivants place pour disposer les
12. batiment en kW Figure 24 r duction des co ts annuels par les gains sur les co ts annexes et la consommation d lectricit La somme des r ductions des co ts annuels possibles peut ainsi tre exprim e en un inves tissement suppl mentaire amortissable pour les forages profonds En admettant 4 d int r ts sur 20 ans nous obtenons les surcouts absolus et sp cifiques suivants Surco t amortissable absolu et par m tre de sondes E Surco t amortissable maximal en kFr E Surco t amortissable par m tre de sonde R duction des co ts annuels en CHF 150 200 250 300 350 400 450 500 Puissance thermique du b timent en kW Figure 25 surco t amortissable maximal et sp cifique par metre de sonde pour des sondes 750 m au lieu de 150 m Le surco t amortissable par metre de sonde s l ve CHF 14 environ Le prix de r f rence tant de CHF 85 par metre le cout sp cifique maximal s tablit environ CHF 100 Une variation de 10 du tarif electrique moyen influence le surcout de 5 46 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra 7 8 Utilisation de la sonde pour le rafraichissement en t R aliser des forages g othermiques profonds am ne galement un inconv nient par rapport aux forages classi
13. des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra 2 2 5 Machine de forage Pour les machines de forage utilis es actuellement et atteignant des profondeurs de l ordre de 400 500 metres le cout global est valu environ CHF 700 000 Le passage des profondeurs plus importantes soit jusqu environ 1000 m tres implique de doubler quasiment le prix des machines qui atteint alors environ CHF 1 300 000 En effet un forage plus profond induit une augmentation des longueurs de tiges et de tu bage ce qui aboutit des masses tr s lev es Celles ci requi rent une puissance de rele vage plus cons quente que celle admissible par la plupart des machines actuelles environ 20 t Une adaptation de toute la logistique autour du forage d coule de ces changements z foreuse sur camion a 4 essieux en lieu et place d un petit camion ou d un engin chenilles 7 compresseur plus puissant plus de 30 bars tubes de forage de 9 metres n transport des tubes par semi remorque plut t que camion ou camionnette n surface au sol n cessaire pour le forage d environ 27 m tres par 4 m tres pour poser la foreuse et stocker les tubes de forage n acc s la zone de forage par camion uniquement m mat riel plus grand torches camion 2 2 6 Fluide de forage Les compresseur standards utilis
14. en nergie thermique pour le chauffage seul l nergie soutir e du sol la longueur de sonde n cessaire et le nombre de sondes a la consommation d lectricit le coefficient de performance annuel moyen Ensuite en conservant les m mes besoins thermiques du b timent donc la m me nergie tirer du sous sol nous redimensionnons le syst me avec des sondes 750 metres de pro fondeur Cette longueur a t choisie car c est un multiple de la longueur de 150 metres pour les sondes courtes et correspond bien au cas d Oftringen Avec la sonde profonde les temp ratures dans la sonde sont plus lev es Ainsi la pompe a chaleur atteint de meilleurs coefficients de performance et pr l ve une part plus grande d nergie dans le sous sol que dans le cas de sondes peu profondes Le nombre total de sondes est r duit Les consommations obtenues sont ensuite utilis es pour les calculs conomiques au cha pitre 7 5 1 M thodologie Apres avoir bien identifi toutes les contraintes simul et mesur les performances d une installation en fonctionnement il est temps d appliquer ces r sultats en appliquant ces as pects techniques des projets que l on chiffrera plus tard en termes financiers Avant de simuler toutes les puissances entre 50 et 750kW par pas de 50kW pour des sondes peu profondes nous avons valid deux puissances sur la base d installations r ali s es et instrument es Les deux sites retenus s
15. energie inject e sur nergie extraite moyenne during 50 years Chauffage auxiliaire Total demande F600 chauffage Chauffage PAC 48 200 ETS Fraction chauffage Refroidissement auxiliaire Total demande pn E refroidissement Refroid sond pn Fraction refroidiss DNV O Electricit machine frigorifique kWhimia H B im o kWh Figure 10 bilan thermique de la ferme Gallet installation r alis e avec 4 sondes de 122 m tres cha cune Le COP mesur s l ve 3 7 La diff rence entre les simulations et les mesures sont tou jours inf rieures 1K pour les temp ratures et 5 pour le COP 27 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra Ensuite nous avons simul la m me installation avec une seule sonde de 490 m tres de profondeur 09 05 2012 Bilan thermique du systeme moyenne during 50 years kWh an Chauffage auxiliaire Total demande Electricit PAC 100 chauffage 11 200 gt Pompe chaleur Chauffage PAC 48 200 PAC 1 46 00 F COP 4 3 Fraction chauffage 100 Sondes g othermiques Refroidissement Refroidissement pour chauffage auxiliaire Total demande Ce kal 0 ke rcrroisissement Refroidissement direct N Refroid sondes 0 M
16. power of the heat pump Pel Design performance coefficient COP COPo Constant COP and efficiency during simulation Design inlet fluid temperature in evaporator Design outlet fluid temperature from condenser Temperature difference for COP reduction Temperature difference for COP stagnation Maximum possible COP PAC and cooling machine Penalty on the COP PAC and cooling machine Design electric power of the cooling machine PelCOM Design efficiency of the cooling machine EffCOM Design inlet fluid temperature in evaporator Design outlet fluid temperature from condenser Design inlet outlet temp difference in evaporator PAC and cooling machine Design inlet outlet temp difference in condenser PAC and cooling machine COUNTERFLOW HEAT EXCHANGERS Design temperature loss in cooling heat exchanger LossT Cool Design temperature loss in geocooling heat exchanger LossT Geo INTERFACE GROUND BUILDING Room air temperature in building TairH Height of the cellar between rooms and ground Hfloor Air change rate in the cellar AchRat Global room cellar heat transfer coefficient UCelBu Insulation thickness between ground and cellar Hinsul Concrete thickness between ground and cellar Hmagco Length of the horizontal pipes on ground LCOEPF BOREHOLES PILES total number of PILES or BHE average PILE or BHE length m average PILE or BHE diameter m 59 66 Pilesim2 get output Fr xls average P
17. velocity of ground water in layer 3 DA3 Simulate forced convection on global process Simulate forced convection on local process 58 66 15 3 Cas 1 d tail des param tres de simulation de l installation avec 1 sonde de 490m Pilesim2 get output Fr xls 22 05 2012 PILESIM parameters This EXCEL file requires to define a 20 years simulation duration and the selection of monthly results in the PILESIM parameter list DeckFile Parameter file some parameters Output file monthly values Plot file hourly values last simulation year SITE METEO emm input data file for loading conditions SYSTEM TYPE type o system look at cell comment for definition ANNUAL ENERGIES Annual energy demand for heating ignored if input data file not normalised Scaling factor for heating demand ScaleH Annual energy demand for cooling ignored if input data file not normalised Scaling factor for cooling demand ScaleC Outdoor air temperature for heating design Design forward fluid temperature for heating TfoHea Design forward fluid temperature for cooling TfoCol Design forward return temp difference in cooling distribution dT Geocool Relevant fluid temperature level for geocooling operation TEMPERATURE LIMITS Minimum allowed fluid temperature in the piles boreholes TfMin Maximum allowed fluid temperature in the piles boreholes Tfmax HEAT PUMP AND COOLING MACHINE PARAMETERS Design electric
18. 00 300 000 Total 2 610 000 2 810 000 3 010 000 3 210 000 3 410 000 3 610 000 3 810 000 Tableau 10 co ts pour 2 forages captage et restitution sur aquif re profond L utilisation d aquiferes comporte une caract ristique tr s diff rente des champs de sonde la puissance r cup r e ne d pend pas de la profondeur du forage mais du d bit d eau dis ponible La temp rature de l eau l influence aussi mais dans une moindre mesure elle peut varier d un facteur 1 3 alors que le d bit peut diff rer d un facteur 1 20 La pr vision du d bit effectivement disponible est actuellement impossible A titre de comparaison le co t complet pour utiliser un aquif re 800 m tres de profondeur correspond environ 40 000 metres de sondes Pour que l investissement soit comp titif il faut que la puissance extraite soit au moins identique En admettant une puissance sp ci fique de 25 W m pour les sondes et une diff rence de temp rature tol r e sur l aquif re de 3K le d bit minimal devrait atteindre 75 kg s ou 272 m h Si la temp rature est assez lev e il est possible de se passer de pompe chaleur ce qui compense partiellement les surcouts L utilisation d aquiferes profonds reste donc une technique tres risquee mettre en uvre uniquement dans des zones g ologiques particuli res et connues En l absence de couver ture du risque elle est conomiquement difficilement viable 48 Schweizerische Eidgenossen
19. AEE EERS SENEE RETES HEAREN PESEE EREET 35 6 2 Cas 2 manufacture bhorlogere sisi 36 6 3 SI EK UIE A E A E A E A AAA 36 7 Investissements co ts annuels rentabilit ii iiiiiiiieieeeercereeeecesece 39 7 1 Sondes g othermiques iii 39 7 2 Production de chaleur 39 13 M thodologie Calculs sur des cas r els 4 40 7 4 Cas 1 ferme transform e en cr che pour enfants UV 40 7 5 Case manufacture NON oo 41 7 6 Investissements pour des b timents de 50 500kW cc ceecccccececeeeeeeeeeeeeeeeeeeaeeeeeeeeeeeeaas 43 FAT Seuil de rentabilit pour des b timents de 50 500kW 0 ceecceeteeeeeeteeeeeeeeeeeeeeeees 44 7 8 Utilisation de la sonde pour le rafraichissement en t nnnnnnnnnannnnannnnnannnonnnnnnnnnnonnnnennne 47 6 Aguferes e ele a ana a ann a a een ee 48 9 Nappe phr atique proche de la surface sis 49 10 CONCIUSIOTS een ed a es eee 50 10i ee Te EE E 50 10 2 Profondeur optimale avec les techniques actuelles nnnn0nnnnnnnnnnennnnennnennnnnnnnnresrnnsennnene 50 10 3 D veloppements pour les grandes profondeurs snoeennseosennnennennnnennnnreonnnrnnnnnnnnnessennnne 50 11 Seet 51 12 Table Ges OS AIO ee E ee 52 13 AO AO EE E E E E E 53 14 R f rences bibliographiques sise 54 15 ANR E E E E E asennce Sunespae ater oases cence O E 55 15 1 Exemple de r sultats de simulation d Oftringen 55 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l e
20. Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra Table des mati res la a ur dee Tee ME 6 1 1 Ste akee S Se EE A ans den EE 6 1 2 OO SGN eege EE Dee eebe EE Beete 6 1 3 MaC POS DEE 7 2 Examen des techniques de forage grande profondeur 4 9 2 1 Les techniques disponiblos EE 9 2 2 Implications d une volution vers des profondeurs de 300 a 800 m etres 10 3 Etude de l hydrog ologie et de la thermique des roches ces poroiondeurs 15 3 1 Contexte g n ral Distinctions g ologiques 15 3 2 Consid rations hydrog ologiques ss 16 se Consid rations thermiques sisi 16 4 Etude des performances des sondes g othermiques grande profondeur 20 4 1 KE tele COLO Le EE 20 4 2 Test du logiciel et validation de la mod lisation 20 4 3 FAV NO GOO CIC RER RS EA A A E 21 5 Performances en fonction de la profondeur VU 25 5 1 NVC TOC 18 0 0 ane E AE ace asassareadsenqccasteseaseecea cequatausaceee 25 9 2 Cas 1 ferme transform e en cr che pour enfants 26 5 9 Cas 2 manufacture horlog re sisi 29 5 4 G n ralisation a toute la gamme de puissance 34 6 COUNECIFCUINE HOTAIQUES eee een oo en ne 34 6 1 Cas 15 creche pour enanto wins ccndeasiceneqsaiscesesndaeceunsineniieabi e
21. Energie 20 000 16 000 16 000 Tableau 8 investissements et co ts annuels regroup s par rubriques principales et co ts annuels 41 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra Dans les diff rences de co ts les l ments suivants sont en faveur des sondes profondes m l am lioration du COP annuel donc la r duction des co ts de l nergie x la r duction des liaisons entre sondes et des collecteurs la pompe chaleur eau eau de puissance lectrique moindre N anmoins voici les surcouts principaux s mise en place de la zone de forage plus longue torche plus grande Au prix des 19 sondes a 150 metres la variante avec 4 sondes de 700 metres presente une conomie annuelle de CHF 5 000 soit 9 des co ts annuels Le prix maximal du metre de sonde pour une parit des co ts annuels est de CHF 95 par metre Enfin parit de co ts annuels il reste l avantage de la reduction du champ de sondes de 19 unit s 3 ce qui peut tre d cisif dans bien des projets Dans ce projet il a t tr s diffi cile de placer les 19 sondes sur la parcelle avec les distances minimales suffisantes entre les sondes Cet l ment a bien failli compromettre la solution avec pompe chaleur Dans ce type d installati
22. ILE or BHE thermal resistance K W m total flow rate in PILE or BHE flow circuit when heat extraction kg h flow rate per PILE or BHE when heat extraction m3 h per bore Diameter of PILES or BHE of type 1 dp1 Number of PILES or BHE of type 1 N1 Average active length of PILES or BHE of type 1 H1 Diameter of PILES or BHE of type 2 Number of PILES or BHE of type 2 Average active length of PILES or BHE of type 2 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 2 K W m 3 6 ks h Internal thermal resistance of pile borehole type 2 K W m 3 6 ks h Diameter of PILES or BHE of type 3 Number of PILES or BHE of type 3 Average active length of PILES or BHE of type 3 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 3 K W m 3 6 ks h Internal thermal resistance of pile borehole type 3 K W m 3 6 ks h Diameter of PILES or BHE of type 4 Number of PILES or BHE of type 4 Average active length of PILES or BHE of type 4 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 4 K W m 3 6 ks h Internal thermal resistance of pile borehole type 4 K W m 3 6 ks h Diameter of PILES or BHE of type 5 Number of PILES or BHE of type 5 Average active length of PILES or BHE of type 5 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 5 K W m 3 6 ks h Internal thermal resistance of pile borehole type 5 K W m 3 6 ks h Diameter of PILES or BHE of type 6 Number of PILES or BHE of type 6 Average active length of PILES or BHE of type 6
23. Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 6 K W m 3 6 ks h Internal thermal resistance of pile borehole type 6 K W m 3 6 ks h Average spacing between the piles BPILE Number of piles boreholes coupled in series NSERIE Pipe configuration in pile borehole Pipe number in a cross section of a pile Inner diameter of one pipe Fraction of pile concrete thermal capacity GROUND CHARACTERISTICS effective average thermal conductivity W mK average ground volumetric heat capacity kJ m3K Initial ground temperature TGRDIN Mean temperature gradient in the undisturbed ground dTGRND Thermal conductivity of ground layer 1 LG1 Volumetric thermal capacity of ground layer 1 CG1 Thickness of ground layer 1 Darcy velocity of ground water in layer 1 DA1 Thermal conductivity of ground layer 2 LG2 Volumetric thermal capacity of ground layer 2 CG2 Thickness of ground layer 2 Darcy velocity of ground water in layer 2 DA2 Thermal conductivity of ground layer 3 LG3 Volumetric thermal capacity of ground layer 3 CG3 Thickness of ground layer 3 Darcy velocity of ground water in layer 3 DA3 Simulate forced convection on global process Simulate forced convection on local process Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 1 K W m 3 6 ks h Rb1 Internal thermal resist Ra of pile borehole type 1 K W m 3 6 ks h Ra1 60 66 15 4 Cas 2 d tail des param tres de simulation de l installation in situ
24. O ee CNT ap a161auz 41 46 36 Ann e de fonctionnement an 2eme ann e de fonctionnement 26 31 21 16 11 Remarque la puissance visible ci dessus correspond la puissance apr s la PAC La puissance telle que test e Oftringen est celle en sortie de sonde il faut donc tenir compte du COP pour retomber sur la puissance de 20kW annonc e 56 66 15 2 Cas 1 d tail des param tres de simulation de l installation in situ Pilesim2 get output Fr xls 09 05 2012 PILESIM parameters This EXCEL file requires to define a 20 years simulation duration and the selection of monthly results in the PILESIM parameter list DeckFile Parameter file some parameters Output file monthly values Plot file hourly values last simulation year SITE METEO mmm data file for loading conditions SYSTEM TYPE __ 114 type o system look at cell comment for definition AE SE ANNUAL ENERGIES Annual energy demand for heating ignored if input data file not normalised Scaling factor for heating demand ScaleH Annual energy demand for cooling ignored if input data file not normalised Scaling factor for cooling demand ScaleC Outdoor air temperature for heating design Design forward fluid temperature for heating TfoHeal Design forward fluid temperature for cooling TfoCol Design forward return temp difference in cooling distribution dT Geocool Relevant fluid temperature level for geocooling operation
25. Oftringen avec le logiciel Pilesim2 donnent des r sultats tr s proches des mesures in situ Elles sont pr sent es dans le Tableau 4 Psonde kW Tentr e Tsortie z z Tableau 4 Comparaison des temp ratures obtenues par simulation et par mesure avec un d bit de 2 5m Les differences sont de 3 5 ce qui valide la m thode de simulation sur un cas concret r alis et mesur avec pr cision L erreur de mesure des sondes de temp rature se situant dans le m me ordre de grandeur nous estimons cette valeur valide On trouvera un exemple de r sultat d une simulation dans l annexe 15 1 24 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra Performances en fonction de la profondeur Selon le potentiel de march pr sent au chapitre 1 3 la pr sente tude couvre la gamme de puissance de chauffage des b timents de 20kW 500kW Avec les technologies ac tuelles de sondes peu profondes soit 150 m tres en moyenne la gamme de puissance cor respond des champs de sondes de 2 50 sondes g othermiques verticales Nous divisons la gamme de puissance par paliers de 50kW Cette puissance correspond aux besoins thermiques du b timent Pour chaque cat gorie nous d terminons z les besoins annuels
26. a machine Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra 3 Etude de l hydrog ologie et de la thermique des roches ces profondeurs 3 1 Contexte g n ral Distinctions g ologiques Si l on consid re l ensemble du territoire suisse la r alisation de forages des profondeurs de l ordre de 300 800 m tres va conduire recouper des contextes g ologiques et hydro g ologiques qui vont pr senter de fortes diff rences selon les r gions consid r es et dont l identification a le plus souvent fait l objet d une synth se cartographique Atlas g ologique de la Suisse On peut globalement consid rer que les principales formations qui pourraient tre recoup es par des sondes g othermiques sont les suivantes n alluvions fluviatiles r centes d p ts fluvioglaciaires roches molassiques roches fissur es x roches karstiques x roches cristallines Ces compositions am nent des contextes hydrog ologiques et thermiques sp cifiques qui diff rent suivant l emplacement g ographique Pour la Suisse les diff rentes distinctions peuvent tre visualis es dans la Figure 4 CONTEXTES GEOLOGIQUES ENVISAGES POUR DES SONDES DE 300 A 800 M DE PROFONDEUR Molasse du Jura M sozo que 8 Molasse du platea
27. a simulation de variantes nous avons valid les param tres et les calculs de simulation sur l installation r alis e et mesur e en d tail Oftringen Les diff rents r gimes de fonctionnement mesur s sur ce site ont t simul s 2 TRNSED version 3 070 SUPSI 2003 20 d Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC CORDS SCANS a Meese Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra De cette mani re nous avons pu tester la pr cision de l outil pilesim et comparer les valeurs calcul es selon notre mod le aux r sultats mesur s sur le terrain afin de valider ledit mod le Les param tres utilis s et l origine de leur choix sont d crits ci apr s 4 3 Hydrog ologie La composition g ologique du terrain des forages est issue soit des donn es provenant de l Atlas g ologique de la Suisse soit des analyses de g ologues plus pr cises Pour la simulation du forage d Oftringen nous nous sommes bas s sur la description d tail lee du g ologue dans le cadre du projet 5 Nous l avons simplifi e en deux couches une premiere couche calcaire de 363 m tres suivie dune seconde couche de gr s de 500 m tres Ci dessous la comparaison entre la composition relev e et la composition simplifi e pour le calcul a A w d i kl Ka v G n G x Ca
28. a solution la plus avantageuse condition que n elle soit pr sente proximit du b timent chauffer m son utilisation n est pas restreinte par la protection des eaux le d bit est suffisant les propri t s physico chimiques de leau notamment pH pr sence de m taux particules solides en suspension conviennent une utilisation par pompe chaleur 10 2 Profondeur optimale avec les techniques actuelles L objectif de cout maximal de CHF 80 100 par metre selon la Figure 25 surco t amortis sable maximal et sp cifique par metre de sonde pour des sondes 750 m au lieu de 150 m est certes ambitieux mais envisageable au stade actuel de la technique Si la g ologie est favorable il est tout fait r aliste Par contre si des probl mes g ologiques surviennent les co ts de forage peuvent atteindre CHF 300 500 par m tre compromettant le projet Une connaissance d taill e de la g ologie est donc indispensable Avec les techniques actuelles sonde en U de 32 40 ou 50mm en l tat le syst me optimal comporte les caract ristiques suivantes n profondeur maximale de 200 250 m tres court circuit thermique r duit par l isolation du tube remontant sur environ 100 metres m utilisation limit e en geocooling 10 3 D veloppements pour les grandes profondeurs Au del de 250 m tres de profondeur les techniques de forages et de sondes actuelles comportent des risques de rupture ne
29. achine figonfique s Fraction refroidiss Machine frigorifique pn Electricit machine frigorifique EffCoolM 0 0 Chauffage Puissance d extraction maximum par m tre de sonde Wim Energie annuelle extraite par m tre de sonde kK Whine Refroidissement Puissance d injection maximum par m tre de sonde nu Wim Energie annuelle inject e par m tre de sonde pn kWhimia Bilan terrain Ratio energie inject e sur nergie extraite Figure 11 bilan thermique de la ferme Gallet installation simul e avec 1 sonde de 490 metres L nergie thermique produite pour le b timent est la m me que pr c demment 28 d Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra Pour la g ologie nous avons admis que la conductivit thermique du terrain restait la m me Cette hypoth se peut ne pas correspondre des conditions r elles in situ mais pr sente l avantage de rendre les variantes comparables entre elles Seule l influence de la temp ra ture par la plus grande profondeur les distinguera Le coefficient de performance annuel moyen augmente 4 3 Puis nous avons simul une variante interm diaire avec 2 sondes de 245 metres le maxi mum que permettent les techniques les plus utilis es actuellement sur le march Les r su
30. al de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra 13 Abr viations COP Coefficient de performance n COPa Coefficient de performance annuel moyen CHF Francs suisses DN diam tre nominal x K Kelvin x kFr milliers de Francs kW Kilowatt m metre mm millim tre PAC pompe chaleur PE poly thyl ne mati re plastique des sondes g ithermiques PN pression nominale T temp rature W Watt 93 d Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra 14 1 2 3 4 9 6 7 8 9 10 11 12 References bibliographiques Utilisation de la geothermie profonde pour le chauffage de grands batiments avec des pompes chaleur tr s haute performance Impact Concept SA Le Mont sur Lausanne 2010 L utilisation de la chaleur terrestre Aper u technologies visions OFEN Berne 2006 r f 805016f Evaluation du potentiel g othermique du canton de Neuchatel PGN CREGE 2008 borehole temperatures and climate reconstruction inititated by the International Heat Flow Commission of IASPEI and implemented by the Geothermal Labora
31. an Sondes g othermiques Chauffage Puissance d extraction maximum par m tre de sonde LS Wim Energie annuelle extraite par m tre de sonde kWhimia Figure 8 exemple de sch ma de simulation d Oftringen 20kW et d bit 2 5m h avec le logiciel PILE SIM Les param tres principaux sont regroup s dans le tableau ci dessous o Jop Ju o Diff rence temp rature al vaporateurdelaPAC dTevap 6 K aaa EE EE Longueur moyenne de s sondes 1 me fm Diam tre moyen de s sonde s m moyen de s sonde s m a e Resistance thermique locale de s sonde s Rb1 R sistance thermique interne Ra de s sonde s no one Configuration de s sonde s TypPip en U CEE 08 CS CS DIAMI Temp rature niiae sirarno TeRDW z e Gradient de temp rature moyen en sol non perturb dTGRND 60 K km Capacit thermique vol de la couche de terrain 1 MJ m3K Epaisseur de la couche de terrain 1 HG11 m Conductivit thermique de la couche de terrain 2 Capacit thermique vol de la couche de terrain 2 MJ m3K Epaisseur de la couche de terrain 2 Tableau 3 Param tres de simulation int gr s dans Pilesim pour l installation d Oftringen 23 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra Les simulations de l installation d
32. aux en surface pos s fouille 12 000 12 000 14 000 14 000 16 000 16 000 18 000 18 000 20 000 20 000 chambres haut de puit 2 5 000 5 000 5 000 5 000 5 000 5 000 5 000 5 000 5 000 5 000 changeur eau eau 5 000 5 000 5 000 5 000 5 000 5 000 5 000 5 000 5 000 5 000 filtre selon qualit de l eau nappe 17 000 28 000 28000 32000 32000 32000 32000 32000 32000 32000 Circuit interm diaire 19500 30000 45000 60000 75000 90000 105000 120000 135000 150000 Total 92 000 113 500 134 500 153 500 174 500 189 500 210 500 225 500 246 500 261 500 Tableau 11 co ts pour captage dans nappe phr atique Ces co ts sont nettement sup rieurs aux co ts des sondes profondes m me dans l hypoth se des co ts actuels 800 000 700 000 600 000 500 000 400 000 Sondes si CHF 50 m 300 000 f Nappe phr atique 200 000 100 000 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Figure 26 co ts d investissement compar s de sondes profondes avec forage et sondes au prix tr s bas de CHF 50 par m tre et captage dans nappe phr atique peu profonde Hypoth ses d taill es en annexe 49 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra 10 Conclusions 10 1 Choix du syst me Dans tous les cas la nappe phr atique proche de la surface constitue l
33. cimentation des sondes cor respondent des moyennes pour le plateau suisse molasse Elles peuvent varier en fonc tion de la g ologie locale du nombre de sondes et de la situation du march Selon les difficult s g ologiques rencontr es par exemple la pr sence de couches de marnes qui bouchent le trou de forage le tubage devient indispensable Selon la profondeur de la zone tuber les co ts peuvent atteindre CHF 500 600 m pour des forages de 500 m tres de profondeur PROFONDEUR MACHINE DIAMETRE TUBAGE ET TIGE DE FORAGE SONDE PRIX VITESSE DES SONDES FORAGE FORAGE DIAMETRE COUT MASSE DIAMETRE COUT FORAGE EQUIPE D AVANCEMENT m Mio CHF mm mm Mio CHF t mm KCHF CHF m m h Om 100 m 200 m 400 m p00 m 600 m ben m V DEER 1 Marteau fond de trou 2 Rotary H 13 120 20 Figure 3 r capitulatif des techniques de forage et leurs caract ristiques selon la profondeur B00 m 2 2 8 Les pompes chaleur Le coefficient de performance s am liore avec l augmentation de la temp rature de la source dite froide de la pompe chaleur Cependant il convient de noter qu une temp rature trop lev e en sortie de sonde peut perturber le bon fonctionnement de la pompe chaleur En effet la plupart des produits commercialis s actuellement tol rent une temp rature maxi male de 20 l entr e l vaporateur Une temper ature plus lev e provoque l arr t de l
34. cords Antigel glycol Benne vacuation des boues Pr l vement d chantillons ts les 2 m Avis g ologiques Assurance pour risque art sien TOTAL Annuit PAC Acc Hydrauliques Montage Traitement d eau Accumulateur TOTAL Annuit Catalogue PAC COP Heures de fonctionnment Energie lectrique consomm e Prix lectricit Co t l ctricit an Cout total 3 475 CHF m 65 Pce 7 500 CHF 14 630 CHF 23 111 CHF 11 163 CHF 1 000 CHF 11 556 CHF 433 CHF 850 CHF 750 CHF 262 245 21 043 CHF CHF 35 357 CHF 39 600 CHF 7 800 CHF 10 000 CHF 191 757 15 387 5 00 R gime Fctnmt BO W35 Puissance 159 h an kWh an 97778 CHF kWh CHF an 19 556 CHF an 55 986 65 66 15 7 Hypoth ses de calculs pour aquif re profond Reconnaissance entre CHF 50 000 et 150 000 Forage 1800 CHF m co ts actuels en hausse par rapport 2008 Equipement 200 CHF m mise en place cr pine uniquement D veloppement entre CHF 50 000 et 100 000 selon nbre d acidifications du terrain n cessaires Essais entre CHF 100 000 et 200 000 15 8 Hypotheses de calculs pour captage de nappe phreatique Puit de 60 metres Distance la PAC de 40 m tres Forage et tube du puits a CHF 225 m Conduites de liaison et fouilles CHF 300 m et CHF 50 m tous les 100kW pour tenir compte de l augmentation du diam tre Circuit interm diaire proportionnel la puissance de la source 15 9 Hypoth ses pour les calcul
35. d Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione vizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra Rapport final 30 novembre 2012 Utilisation de la g othermie profonde pour le chauffage de grands b timents avec des pompes chaleur tres hautes performances Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra Mandant Office federal de l nergie OFEN Programme de recherche g othermie CH 3003 Berne www bfe admin ch Planair SA Cr t 108a CH 2314 La Sagne www planair ch Impact Concept SA Route du Grand Mont 33 CH 1052 Le Mont sur Lausanne www impact concept ch Auteurs Fabrice Rognon Planair SA fabrice rognon planair ch Contributions de Florian Bertrand Yves Chevillat Baptiste Krieger Stephanie Perret Planair SA Carole Schelker et Laurent Denervaud Impact Concept SA carole schelker impact concept ch Responsable de domaine de l OFEN G Siddiqi Chef de programme de OFEN H Minder Numero du contrat et du projet de POFEN BFE 1081 00231 SI 500260 02 L auteur de ce rapport porte seul la responsabilit de son contenu et de ses conclusions Schweizerische
36. devrait donc atteindre 5 25 Or il se situe a 4 3 6 3 Site d Oftringen Le ph nom ne est clairement mis en vidence sur le site d Oftringen En effet la temp ra ture non perturb e en pied de sonde s l ve 49 Cette valeur exceptionnellement lev e s explique par un gradient g othermique particuli rement lev cet endroit 60K par kilo metre au lieu de 30K en moyenne suisse Cette valeur lev e permet de mettre en vidence le ph nom ne La Figure 18 repr sente la temp rature mesur e le long de la sonde au repos et les temp ratures mesur es en exploitation 36 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra eT sol Oftringen 4 T sortie sonde 60 50 40 30 Temp rature 20 10 100 200 300 400 500 600 700 800 Profondeur de la sonde Figure 18 temp rature la sortie de la sonde la surface et temp rature du terrain en fonction de la profondeur bas e sur les mesures effectu es a Oftringen 5 La temp rature maximale en sortie de sonde atteint au maximum 19 lors d une charge de 20kW soit 28W m La diff rence de temperature sur la sonde s l ve a 8 seulement Vu le profil de temperature du terrain on s attend des niveaux nettement p
37. duire les pertes de charges hydrau ligues lorsque le fluide caloporteur circule et d autre part afin d augmenter la r sistance m canique de la sonde face l augmentation de pression en pied de sonde On admet g n ra lement un diam tre de 32 mm jusqu 160 metres de profond de 40 mm jusqu 400 metres et de 50 mm au del Pour un 178 mm la masse des tiges se situe environ 35 kg m soit un total de 17 500 kg a 500 m tres et 28 000 kg 800 metres A ces valeurs s ajoute la masse des tubages soit 11 500 kg 500 metres et 18 400 kg 800 metres 2 2 4 Injection Cimentation Les sondes sont rendues solidaires de la roche encaissante par l injection du trou de forage d un m lange le plus souvent compos de ciment et de bentonite argile Cette injection est r alis e de bas en haut Plus la profondeur du forage augmente plus la pression d injection du produit destin ci menter la sonde dans le trou de forage sera lev e Au del d une certaine valeur la pres sion d injection risque de d t riorer les sondes par crasement Il est donc n cessaire de contr ler la pression dans les sondes durant la phase de cimentation du trou de forage voire de proc der une cimentation par palier L installation des tubes d injection suppl mentaires et les manipulations induites impliqueront galement un surco t pour le forage profond Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement
38. e some parameters Output file monthly values Plot file hourly values last simulation year SITE METEO emm input data file for loading conditions SYSTEM TYPE 114 type o system look at cell comment for definition Pe ees ANNUAL ENERGIES Annual energy demand for heating ignored if input data file not normalised Scaling factor for heating demand ScaleH Annual energy demand for cooling ignored if input data file not normalised Scaling factor for cooling demand ScaleC Outdoor air temperature for heating design Design forward fluid temperature for heating TfoHea Design forward fluid temperature for cooling TfoCol Design forward return temp difference in cooling distribution dT Geocool Relevant fluid temperature level for geocooling operation TEMPERATURE LIMITS Minimum allowed fluid temperature in the piles boreholes TfMin Maximum allowed fluid temperature in the piles boreholes Tfmax HEAT PUMP AND COOLING MACHINE PARAMETERS Design electric power of the heat pump Pel Design performance coefficient COP COPol Constant COP and efficiency during simulation Design inlet fluid temperature in evaporator Design outlet fluid temperature from condenser Temperature difference for COP reduction Temperature difference for COP stagnation Maximum possible COP PAC and cooling machine Penalty on the COP PAC and cooling machine Design electric power of the cooling machine PelCOM D
39. e Svizzera Confederaziun svizra 15 ANNEXES 15 1 Exemple de r sultats de simulation d Oftringen D partmenet f d ral de l environnement des transports de l nergie et de la communication DETEC Ofiice f d ral de l nergie OFEN Param tres 20kW et d bit 2 5m h avec le logiciel PILESIM Pilesim2 get output Fr xls 25 04 2012 Bilan thermique du syst me moyenne during 50 years kWh an Chauffage auxiliaire Total demande Electricit PAC o chauffage 4 500 Pompe chaleur Chauffage PAC 17 900 PAC COP 4 0 Refroidissement pour chauffage Refroidissement direct Machine fngorifique Machine frigorifique p EffCoolM 0 0 Chauffage Puissance d extraction maximum par metre de sonde Energie annuelle extraite par m tre de sonde Refroidissement Puissance d injection maximum par m tre de sonde Energie annuelle inject e par m tre de sonde Bilan terrain Ratio energie inject e sur nergie extraite ok Electricit machine frigorifique 17900 Fraction chauffage 100 Refroidissement auxiliaire Total demande refroidissement A Fraction refroidiss Refroid sondes wim 19 kWhinva Wim kWhinva a 25 04 2012 Pilesim2 ge t output Frx ls Temperature du fluide dans circuit hydraulique des sondes D D A E E E z 5 apiny np aunjevadway S0 45 35 30 20 25 Ann e de fonctionnement 15 10 0 UEIUAAW D
40. eennnneseeeenenneeeeeeneneseeeennenses 18 Figure 6 temp rature des eaux souterraines mesur e sur quelques forages en Suisse donn es MFR et en France donn es BRGM et gradient g othermique moyen 19 Figure 7 coupe g ologique Oftringen EBERHARD amp Partner AG 2010 et coupe g ologique simMpliliee p ur PILESIM een 21 Figure 8 exemple de sch ma de simulation d Oftringen 20kW et d bit 2 5m h avec le logiciel E S EE EE 23 Figure 9 ancienne ferme r nov e et transform e en cr che pour enfants La Chaux de Fonds 26 Figure 10 bilan thermique de la ferme Gallet installation r alis e avec 4 sondes de 122 m tres Eege 27 Figure 11 bilan thermique de la ferme Gallet installation simul e avec 1 sonde de 490 meires 28 Figure 12 manufacture horlog re b timent neuf La Chaux de Fonds 0000nnn000nn000nnnnaannnnaannn 30 Figure 13 bilan thermique du cas 2 installation r alis e avec 19 sondes de 150 m tres chacune 31 Figure 14 bilan thermique du cas 2 installation avec 12 sondes de 240 metres chacune 32 Figure 15 bilan thermique du cas 2 installation simul e avec 4 sondes de 700 metres chacune 33 Figure 16 COPa simul et calcul selon le gradient g othermique moyen de 30K par kilometre 35 Figure 17 COPa simul et calcul selon le gradient g othermique moyen de 30K par kilometre 36 Figure 18 temperature a la sortie de la sonde a la surface et tem
41. emp rature en sortie de sonde en fonction de la profondeur T sol moyenne CH T sonde maxi lt sonde mini Figure 20 temp rature moyenne du sol en Suisse temp rature maximale et minimale mesur e en sortie de sonde sur diverses installations en fonction de la profondeur de la des sonde s Les valeurs nous ont t communiqu es oralement car nombre d installations sont mesur es pendant leur exploitation sans que des rapports publi s soient disponibles En extrapolant ces valeurs mesur es la temp rature en sortie de sonde pour une profon deur de 800 metres vaut entre 11 et 18 Par contre l l vation de temperature par rapport a une profondeur de r f rence de 150 m tres vaut dans les deux cas 8K L am lioration cor respondante du COP annuel moyen vaut selon les machines de 0 6 1 0 en tenant compte du remplacement de l eau glycol e par de l eau pure ce qui r duit la puissance et l nergie de pompage Dans le chapitre suivant nous avons admis une am lioration du COP annuel de 0 8 38 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra 7 Investissements co ts annuels rentabilit Le pr sent chapitre a pour objet de d terminer les l ments conomiques suivants effets sur les co ts dans l invest
42. ent co ts d exploitation Pour la partie technique nous avons proc d comme suit m simulation de trois installations r elles mesur es in situ v rification des param tres de calcul besoins nerg tiques du b timent temp ratures de fonctionnement g ologie pompes et auxiliaires appoint par chaudi re n simulation des m mes installations avec sondes grande profondeur Ensuite pour la partie conomique v rification des co ts d investissement et d exploitation des installations de r f rence n estimation des investissements pour les m mes installations quip es de sondes profondes n calcul des co ts d exploitation en int grant le r sultat des simulations pour les co ts nerg tiques m calcul des co ts annuels de la r f rence et de sa variante grande profondeur determiner le cout maximal ou le cout cible pour atteindre la rentabilite Puis nous avons simul pour des puissances de b timent de 50 a 500kW le syst me de r f rence sondes de 150m et le syst me profond sondes 750m 4 2 Test du logiciel et validation de la mod lisation L outil le mieux adapt nos simulations est sans conteste Pilesim Mais peu d installations de grande profondeur ont t r alis es et instrument es pour des mesures de temp rature ce jour en Suisse avec des forages entre 500 et 800 m tres L exp rience avec ce logiciel dans ce domaine est donc maigre Avant de travailler sur l
43. ent des calculs de performances et consommations du chapitre 4 en l tat c est dire sans isolation suppl mentaire de la partie haute des sondes Pour les annuit s nous avons admis un taux d int r t de 5 sur 20 ans Les co ts annuels totaux sont la somme des annuit s et des co ts d exploitation Les simulations et extrapolations nerg tiques des syst mes existants analys s ont t re transcrites en termes financiers Les diff rents p les de co ts annuels de tels projets ont t estim s avec les hypoth ses cit es C est ici que se fait alors le lien entre les performances et les co ts ce qui permet ensuite de conclure sur le surco t de la g othermie profonde Un exemple d taill avec tous les param tres figure l annexe 15 6 ZA Cas 1 ferme transform e en cr che pour enfants Pour les co ts les chiffres des d comptes finaux de l installation r alis e ont t adapt s au cas d une seule sonde de 490 metres Pour comparer avec la variante de reference deux co ts extr mes ont t admis pour les sondes savoir le m me que pour la variante de 40 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra base et le maximum possible pour arriver aux m mes co ts annuels que la variante de r f rence Ces d
44. es forages est accessible aux techniques de forage utilis es actuellement Elle demande toutefois une adaptation du mat riel disponible et g nere des surcouts assez cons quents 2 2 1 Sondes Compte tenu de l augmentation de la longueur des sondes et de leur diam tre les prix vont notablement augmenter de m me que les frais de transport en raison de l encombrement des bobines de leur masse etc Les sondes standards disponibles sur le march sont de diam tres 25 32 ou 40mm Pour des profondeurs sup rieures 200 m tres il convient d utiliser des sondes de diam tre 50mm voire plus Il s agit ce jour d ex cution sur demande Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra Des valeurs indicatives pour des sondes comprenant deux circuits en U sont r capitul es dans le Tableau 1 Longueur du forage Diam tre de la sonde Prix unitaire mm CHF m Tableau 1 r capitulatif des co ts de sondes en fonction de la profondeur L augmentation du diam tre de sonde n cessite naturellement un diam tre de forage plus important Un forage de 9127 mm est indiqu pour les sondes de 32 mm et de 40 mm alors que pour les sondes de 50 mm on pr conise un forage de 3153 178 mm 2 2 2 La pression et les mat riaux La r
45. esign efficiency of the cooling machine EffCOM Design inlet fluid temperature in evaporator Design outlet fluid temperature from condenser Design inlet outlet temp difference in evaporator PAC and cooling machine Design inlet outlet temp difference in condenser PAC and cooling machine COUNTERFLOW HEAT EXCHANGERS Design temperature loss in cooling heat exchanger LossT Cool Design temperature loss in geocooling heat exchanger Loss T Geo INTERFACE GROUND BUILDING Room air temperature in building TairH Height of the cellar between rooms and ground Hfloor Air change rate in the cellar AchRat Global room cellar heat transfer coefficient UCelBu Insulation thickness between ground and cellar Hinsul Concrete thickness between ground and cellar Hmagco Length of the horizontal pipes on ground LCOEPF BOREHOLES PILES total number of PILES or BHE average PILE or BHE length m average PILE or BHE diameter m average PILE or BHE thermal resistance K W m 63 66 Pilesim2 get output Fr_xls 21 11 2012 total flow rate in PILE or BHE flow circuit when heat extraction kg h flow rate per PILE or BHE when heat extraction m3 h per bore Diameter of PILES or BHE of type 1 dp1 Number of PILES or BHE of type 1 N1 Average active length of PILES or BHE of type 1 H1 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 1 K W m 3 6 ks h Rb1 Internal thermal resist Ra of pile borehole type 1 K W m
46. f PILES or BHE of type 1 N1 Average active length of PILES or BHE of type 1 H1 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 1 K W m 3 6 ks h Rb1 Internal thermal resist Ra of pile borehole type 1 K W m 3 6 ks h Ra1 Diameter of PILES or BHE of type 2 Number of PILES or BHE of type 2 Average active length of PILES or BHE of type 2 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 2 K W m 3 6 ks h Internal thermal resistance of pile borehole type 2 K W m 3 6 ks h Diameter of PILES or BHE of type 3 Number of PILES or BHE of type 3 Average active length of PILES or BHE of type 3 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 3 K W m 3 6 ks h Internal thermal resistance of pile borehole type 3 K W m 3 6 ks h Diameter of PILES or BHE of type 4 Number of PILES or BHE of type 4 Average active length of PILES or BHE of type 4 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 4 K W m 3 6 ks h Internal thermal resistance of pile borehole type 4 K W m 3 6 ks h Diameter of PILES or BHE of type 5 Number of PILES or BHE of type 5 Average active length of PILES or BHE of type 5 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 5 K W m 3 6 ks h Internal thermal resistance of pile borehole type 5 K W m 3 6 ks h Diameter of PILES or BHE of type 6 Number of PILES or BHE of type 6 Average active length of PILES or BHE of type 6 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 6 K W m 3 6 ks h Interna
47. fage du b timent Figure 22 d tail des co ts annexes des estimatifs d investissement 7 7 Seuil de rentabilit pour des b timents de 50 500kW Afin de cerner l objectif des co ts atteindre il convient de consid rer l ensemble des as pects conomiques d une installation a savoir investissements m int r t et amortissement m nergie et entretien En effet la mise en uvre de sondes g othermiques de grandes profondeurs implique des surco ts et des gains Les surco ts sont cout du forage profond plus lev par metre fore n engins de forage plus puissants sonde en mat riau plus r sistant Les conomies r alis es proviennent de n pas d antigel mettre dans le circuit des sondes moins d nergie de pompage m coefficient de performance plus lev gr ce la temp rature plus lev e m pompe chaleur plus petite COP plus lev donc puissance lectrique plus petite puissance thermique gale m moins de fouilles de raccords et de collecteurs pour les sondes 44 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Confederaziun svizra Ofiice f d ral de l nergie OFEN On peut facilement remarquer ces economies d s l investissement en observant la figure suivante Les co ts annexes sont ainsi bien inf rieurs pour des f
48. fference for COP reduction Temperature difference for COP stagnation Maximum possible COP PAC and cooling machine Penalty on the COP PAC and cooling machine Design electric power of the cooling machine PelCOM Design efficiency of the cooling machine EffCOM Design inlet fluid temperature in evaporator Design outlet fluid temperature from condenser Design inlet outlet temp difference in evaporator PAC and cooling machine Design inlet outlet temp difference in condenser PAC and cooling machine COUNTERFLOW HEAT EXCHANGERS Design temperature loss in cooling heat exchanger LossT Cool Design temperature loss in geocooling heat exchanger LossT Geo INTERFACE GROUND BUILDING Room air temperature in building TairH Height of the cellar between rooms and ground Hfloor Air change rate in the cellar AchRat Global room cellar heat transfer coefficient UCelBu Insulation thickness between ground and cellar Hinsul Concrete thickness between ground and cellar Hmagco Length of the horizontal pipes on ground LCOEPF BOREHOLES PILES total number of PILES or BHE average PILE or BHE length m average PILE or BHE diameter m average PILE or BHE thermal resistance K W m 61 66 Pilesim2 get output Fr_xls 09 05 2012 total flow rate in PILE or BHE flow circuit when heat extraction kg h flow rate per PILE or BHE when heat extraction m3 h per bore Diameter of PILES or BHE of type 1 dp1 Number o
49. he Eidgenossenschaft Conf d ration suisse Confederazione Svizzera Confederaziun svizra Pilesim2 get output Fr_xis Bilan thermique du systeme kWhi an Electricit PAC COP 3 7 Machine frigorifique EffCoolM 0 0 Chauffage Puissance d extraction maximum par m tre de sonde Energie annuelle extraite par m tre de sonde Refroidissement Puissance d injection maximum par m tre de sonde Energie annuelle inject e par m tre de sonde Bilan terrain Ratio energie inject e sur nergie extraite Pompe chaleur PAC Refroidissement direct D partmenet f d ral de l environnement des transports de l nergie et de la communication DETEC Ofiice f d ral de l nergie OFEN 21 11 2012 moyenne during 50 years Chauffage auxiliaire Total demande chauffage Chauffage PAC Fraction chauffage 99 Refroidissement Refroidissement pour chauffage auxiliaire Total demande A D _refroidissement Figure 14 bilan thermique du cas 2 installation avec 12 sondes de 240 m tres chacune 32 Schweizerische Eidgenossenschaft Conf d ration suisse Confederazione Svizzera Confederaziun svizra Pilesim2 get output Fr_xis Bilan thermique du systeme kWh an Electricit PAC p gt 50400 PAC COP 4 3 Machine frigorifique EffCoolM 0 0 Chauffage Puissance d extraction maximum par m tre de sonde Energie annuelle extraite par m tre de sonde Refroidissement Pui
50. iff rentes variantes sont r capitul es dans le tableau suivant sa tt Son hm Sond ten Sonde a 75 m Sonde a 75 m Sonde a 120 m Production de chaleur selon 7 2 Sondes g othermiques selon 7 1 Annuit s 9500 8 500 10 000 Entretien 1 000 1 000 1 000 Energie 2 500 2 000 2 000 Tableau 7 investissements et co ts annuels regroup s par rubriques principales pour 4 sondes a 122 metres chacune ou pour 1 sonde 490 m tres Au prix des 4 sondes a 122 metres la variante a 490 m tres pr sente une conomie an nuelle de CHF 1 500 soit 11 des co ts annuels Le surco t amortissable correspond un prix maximal du metre de sonde de CHF 120 par metre lin aire Dans ce cas particulier le placement des sondes autour du b timent existant et leurs liai sons ont pos de s rieux probl mes de planification obstacles acc s v g tation arbres La solution avec une seule sonde aurait t bien plus facile planifier et r aliser 7 5 Cas 2 manufacture horlog re La progression du COP annuel avec la grande profondeur est remarquable Elle se r per cute directement sur les co ts comme le montre le tableau 5 19x150m 4x700m 4x700m Sonde 65 m Sonde 65 m Sonde 95 m Production de chaleur selon 7 2 192 000 185 000 185 000 Sondes g othermiques selon 7 1 262 000 240 000 325 000 Co ts annuels 57 000 51 000 57 000 Entretien 1 000 1 000 1 000
51. issement pour des forages profonds m effets sur les co ts d exploitation du syst me complet 7 estimation des perspectives de rentabilite economique 7 1 Sondes g othermiques Les co ts d investissement comprennent toute une s rie d l ments dont le forage et la sonde ne sont qu une partie En l absence de structure norm e nous avons regroup les co ts selon les rubriques suivantes forage et sondes Ce montant divis par la longueur des sondes indique le co t sp cifique en CHF m tre lin aire n installation du chantier repliement du chantier vacuation des boues pr l vement d chantillons avis g ologique essais de mise en pression assurance pour risque art sien z test de r ponse m raccords de sondes aux collecteurs y compris fouilles m collecteurs m antigel glycol 7 2 Production de chaleur En outre nous avons inclus les co ts de l installation de production de chaleur par la pompe chaleur savoir a PAC m accumulateur n traitement d eau hydraulique entre les collecteurs des sondes la PAC et l accumulateur m montage Une ventuelle chaudi re d appoint n est pas incluse La distribution c t consommateurs de chaleur n est pas prise en compte Les autres co ts tels que benne et vacuation des boues essai de pression sont inclus dans la rubrique forages et sondes 39 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des trans
52. l thermal resistance of pile borehole type 6 K W m 3 6 ks h Average spacing between the piles BPILE Number of piles boreholes coupled in series NSERIE Pipe configuration in pile borehole Pipe number in a cross section of a pile Inner diameter of one pipe Fraction of pile concrete thermal capacity GROUND CHARACTERISTICS effective average thermal conductivity W mK average ground volumetric heat capacity kJ m3K Initial ground temperature TGRDIN Mean temperature gradient in the undisturbed ground dTGRND Thermal conductivity of ground layer 1 LG1 Volumetric thermal capacity of ground layer 1 CG1 Thickness of ground layer 1 Darcy velocity of ground water in layer 1 DA1 Thermal conductivity of ground layer 2 LG2 Volumetric thermal capacity of ground layer 2 CG2 Thickness of ground layer 2 Darcy velocity of ground water in layer 2 DA2 Thermal conductivity of ground layer 3 LG3 Volumetric thermal capacity of ground layer 3 CG3 Thickness of ground layer 3 Darcy velocity of ground water in layer 3 DA3 Simulate forced convection on global process Simulate forced convection on local process 62 66 15 5 Cas 2 d tail des param tres de simulation de l installation avec 4 sondes de 700m Pilesim2 get output Fr xls 21 11 2012 PILESIM parameters This EXCEL file requires to define a 20 years simulation duration and the selection of monthly results in the PILESIM parameter list DeckFile Parameter fil
53. la solution de base 150 m tres de profondeur serait la plus favo rable 7 6 Investissements pour des b timents de 50 500kW Sur la base des exemples pr c dents nous avons estim les co ts pour des b timents de puissance thermique de 50 500kW et obtenons les montants suivants 800 000 700 000 Voir Figure 22 600 000 500 000 E antigel glycol 400 000 E collecteur s 300 000 E raccords avec fouilles LL T QO c OU La par O N D O QO E test de r ponses 200 000 E forages et sondes 100 000 O 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Puissance de chauffage du b timent Figure 21 estimatif d investissements totaux pour la source de chaleur compl te jusqu l entr e de la pompe chaleur pour des puissances de chauffage de 50 500kW Le forage constitue l essentiel des co ts Cependant les co ts dits annexes ne sont pas n gligeables comme le montre la figure suivante 43 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Confederaziun svizra Ofiice f d ral de energie OFEN 160 000 140 000 120 000 100 000 M antigel glycol 80 000 E collecteur s 60 000 raccords avec fouilles Co ts annexes en CHF 40 000 E test de r ponses 20 000 O 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Puissance de chauf
54. lcaire S 363m E dE Gr s D gt ef A 50 Po gt 800m Figure 7 coupe g ologique Oftringen EBERHARD amp Partner AG 2010 et coupe g ologique simpli fi e pour PILESIM 21 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra La conductivit thermique du terrain est estim e par rapport d autres projets similaires et environnants ou d termin e par les caract ristiques typiques des roches travers es p ex normes VDI 4640 et SIA D025 amp D0137 Le calcaire a une valeur typique de 2 8 4 3 1 Forage Les caract ristiques techniques du forage sont celles renseign es dans le rapport 5 La profondeur est de 719 metres Un diam tre moyen de 0 18m a t choisi La temperature du sol a t mesur e a T 7 et celle de fond de puits 49 De ce fait le gradient correspondant est de AT 60K km Il s agit d une singularit remarquable puisqu elle vaut le double de la moyenne du plateau suisse 4 3 2 Sonde Il y a une sonde allant jusqu une profondeur de 706 metres Elle est compos e d un tube en double U en poly thyl ne de diam tre int rieur Gi 32mm et de 4mm de paroi Les r sistances thermiques des sondes Rb et Ra sont donn es par le mode d emploi de Pilesim 8 4 3 3 D bit et fluide utilis
55. lon prescription VDI 4640 folio 2 Source Dimplex SAS Une base de donn es assez cons quente a ete tablie par l Universit du Michigan labora toire de geothermie dans le cadre du projet 4 Ce dernier vise a utiliser les donn es de temp rature du sous sol mesur es en forage pour comprendre les causes et la nature de l volution actuelle du climat Cette base de donn es recense ainsi plusieurs centaines de forages pour lesquels on dispose de profils de temp rature en fonction de la profondeur Une forte proportion de forages ne d passe toutefois pas 300 400 m tres de profondeur Figure 5 La repr sentation graphique du logarithme des temp ratures pour les forages recens s par l Universit du Michigan montrent une certaine dispersion verticale sur l axe des temp ra tures li e l implantation g ographique de ces derniers mais des gradients g othermiques relativement homog nes Sur les 20 forages analys s le gradient g othermique fluctue entre 5 et 49 K km pour une moyenne de 18 7 K km Les valeurs les plus basses ont t enregistr es en Bi lorussie forages Nesvizh et Pukhovsctina et la plus lev e en Bulgarie forage W 4 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Confederaziun svizra Ofiice f d ral de l nergie OFEN 45 40
56. ltats sont les suivants Chaleur produite kWh 48 200 48 000 48100 Part au chauffage par 100 100 100 la PAC Energie pr lev e sur la 35 500 36 000 3 7 000 sonde kWh COP annul Tableau 5 cas 1 bilan nerg tique et COP annuel simul s pour diff rentes profondeurs de sondes L efficacit augmente avec la profondeur des sondes L nergie sp cifique soutiree annuel lement des sondes varie de 69 75kWh par metre par an Les courbes de temp ratures en sortie de sonde sont stables sur 50 ans Le syst me est bien en quilibre 5 3 Cas 2 manufacture horlog re Le nouveau b timent de production de Patek Philippe SA La Chaux de Fonds construit en 2008 a t quip de deux pompes chaleur de 80kW coupl es 19 sondes g othermiques de 150 metres Une chaudi re gaz assure l appoint en hiver A noter qu il n y a pas de re charge des sondes par free cooling en t l installation fonctionne toujours en chauffage seul 29 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione SES Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra Figure 12 manufacture horlog re b timent neuf La Chaux de Fonds L installation actuelle en service a t simul e puis plusieurs variantes avec des sondes plus profondes afin de quantifier l volution des performance
57. lus lev s Gr ce aux sondes de temp rature dispos es le long de la sonde il est possible de constater l volution de la temp rature du caloporteur lors de son parcours T sol B gt T descente lt amp Tremont e ss Figure 19 temp rature de la sonde en fonction de la longueur d velopp e de la sonde en partant de la surface exemple d Oftringen La puissance pr lev e sur la sonde s l ve 20 kW 37 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra La temp rature dans la sonde s accroit en fonction de la profondeur Pass le pied de sonde a 706 metres elle s l ve encore sur presque 200 metres en remontant Puis deux changes de chaleur successifs se produisent d abord l eau qui remonte croise l eau moins chaude qui descend ensuite l eau ascendante est plus chaude que le terrain alentours et lui redonne de l nergie et se refroidit Ainsi arriv e la surface apres son parcours de 1400 metres l eau est 19 seulement Le court circuit thermique peut tre diminu en posant une isolation autour des sondes sur les 100 200 m tres partir de la surface pour la sonde o le caloporteur remonte Ce ph nom ne a t constat dans d autres installations comme le montre la figure sui vante T
58. ng ce qui peut p jorer le bilan financier en cas de besoins de froid Aux co ts des sondes et forages actuels la sonde profonde permettrait d abaisser les co ts annuels de 10 Inversement la parit de co ts annuels est atteinte si la sonde et le forage profond co te environ CHF 15 de plus au metre qu une sonde a 150 metres Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra 1 Introduction 1 1 Situation actuelle Actuellement les champs de sondes g othermiques verticales classiques atteignent des profondeurs allant de 100 200 m tres Or le nombre de sondes augmente avec la puis sance et pose plusieurs probl mes l augmentation de la surface de terrain n cessaire pour respecter les distances minimales requises l augmentation des co ts de raccordements des sondes fouilles tubes isolation collecteurs et l allongement des d lais de r alisation Depuis quelques ann es le march s oriente vers des sondes plus profondes entre 200 et 300 m tres Le captage de chaleur g othermique des profondeurs plus importantes ap porte une am lioration certaine de l efficacit du syst me notamment de la pompe cha leur Le pr sent rapport traite les questions suivantes pour des sondes g othermiques verti cales a des profonde
59. nvironnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Confederaziun svizra 15 2 15 3 15 4 15 5 15 6 ome 15 8 15 9 Ofiice f d ral de l nergie OFEN Cas 1 d tail des param tres de simulation de l installation in situ 57 Cas 1 d tail des param tres de simulation de l installation avec 1 sonde de 490m 59 Cas 2 d tail des param tres de simulation de l installation in situ 61 Cas 2 d tail des param tres de simulation de l installation avec 4 sondes de 700m 63 Exemple de calcul d taill des co ts d investissement et des co ts annuels 65 Hypotheses de calculs pour aquif re profond 66 Hypotheses de calculs pour captage de nappe phr atique n00nnnn0nnnnnennnoennnnnrnnnrnnnnenne 66 Hypoth ses pour les calculs des co ts du chapitre 7 7 66 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra Resume Dans le contexte actuel du marche des pompes a chaleur il existe un fort potentiel de mar che pour les batiments de plus de 50kW de puissance de chauffage notamment en renova tion de chauffages existants Dans ce cas la sonde g othermique verticale constitue le plus souvent la source d nergie la
60. on les sondes peuvent tre utilis es pour le rafraichissement pen dant l t Comme cit pr c demment ce mode de fonctionnement ne serait pas possible avec des forages profonds Il serait n cessaire d installer un groupe de production de froid g n rant un surco t d investissement mais galement une surconsommation d lectricit Le bilan est clairement pejore comme le montre le tableau suivant Sonde a 65 m Sonde 65 m Sonde 95 m Production de chaleur selon 7 2 185 000 Sondes g othermiques selon 7 1 325 000 Tableau 9 investissements regroup s par rubriques principales et co ts annuels si besoins de froid pour le b timent Nous avons admis des besoins de froid quivalent la moiti de l nergie soutir e par ann e du champ de sondes pour le chauffage La plus grande profondeur donc la temp rature la plus lev e dans le circuit des sondes r duit consid rablement l nergie de refroidissement utilisable en mode geocooling Le temps de production de froid actif augmente en cons quence la consommation d lectricit aussi 42 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione SES Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra M me dans l hypoth se optimiste de sondes profondes a CHF 65 le metre le bilan global est ainsi p jor tant que
61. ont en service et des donn es techniques et financi res sont dispo nibles Les simulations nerg tiques ont t r alis es avec le logiciel Pilesim2 Pour chaque exemple voici la d marche adopt e m simulation du premier exemple comme r alis comparaison avec mesures in situ 7 simulation du premier exemple avec sondes profondes n simulation du second exemple comparaison avec les mesures in situ n simulation du second exemple avec sondes profondes 25 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione SES Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra Lors de la simulation plus grande profondeur les param tres suivants sont maintenus identiques ceux du cas de r f rence la chaleur utile produite car les besoins thermiques du b timent sont identiques la conductivit moyenne du sous sol sur l ensemble de la sonde ou du champ de sonde est inchang e m la longueur totale de sondes est identique Ensuite d autres puissances de b timents ont ete simul es en proc dant des variations de param tres valid es lors de cet essai 5 2 Cas 1 ferme transform e en cr che pour enfants Une ancienne ferme situ e La Chaux de Fonds a t enti rement r nov e et transform e en cr che pour enfants en 2009 La chaudi re mazout a t remplac e par une pom
62. orages classiques Ils comprennent le test de r ponse thermique n les raccords sondes collecteurs avec fouilles z les collecteurs l antigel Comparaison des co ts annexes entre des forages classiques et des forages profonds 160 000 140 000 120 000 100 000 80 000 60 000 40 000 a a tg H E Forages Classiques E Forages Profonds LL L OU C OU n OU x lt OU L I 1 lt O OU 20 000 O 200 250 300 350 400 450 500 Puissance thermique du b timent en kW Figure 23 comparaison des co ts annexes entre forage classique 150 m et profond 750m Le gain sur les co ts d investissement annexes peut tre exprim en co ts annuels annui t s L augmentation du COP annuel r duira les co ts annuels d lectricit Additionnes nous obtenons la r duction de co ts annuels par des sondes profondes 45 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione SES Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra Sondes 750 m tres gains annuels par rapport des sondes 150 m tres 18 000 16 000 14 000 12 000 10 000 8 000 Gain sur l lectricit 6 000 E Gain sur co ts annexes annuit s 4 000 LL SS OU Cc wv KA Wl E C Wa WY lt O O Li Wl TD Cc O P O Ka e a 2 000 Puissance thermique du
63. ourrait galement constituer un caract re p nalisant pour atteindre un quilibre thermique avec l encaissant Des mesures de temp rature ont t effectu es dans les forages d exploration et ou d exploi tation des eaux souterraines r alis s dans l Arc jurassien suisse en France pour de la pros pection d hydrocarbures et dans divers pays pour des objectifs vari s Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra Valeurs mesur es en forage A Donn es MFR CH Jura Gradient g othermique Figure 6 temp rature des eaux souterraines mesur e sur quelques forages en Suisse donn es MFR et en France donn es BRGM et gradient g othermique moyen 19 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra 4 Etude des performances des sondes g othermiques grande profondeur 4 1 M thodologie L objectif consiste identifier pr cis ment les gains nerg tiques et donc conomiques an nuels puis d int grer les co ts d investissement dans un calcul de co ts annuels complets int r ts amortissem
64. oximit La solution des champs de sondes est elle aussi souvent limit e car ceux ci sont chers et gourmands en surface au sol Finalement la solution d une pompe chaleur air eau bien que l air soit disponible en tout temps et partout ne convient pas aux grandes puissances en particulier en raison du bruit et de la taille des appareils Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra Le second but est la r duction du nombre de forages qui r duit les risques d atteintes l environnement Malgr toutes les pr cautions et les mesures de qualit mises en uvre actuellement le risque de probl mes m me minime n est jamais nul La r duction du nombre de forages en implantant des sondes atteignant de plus grandes profondeurs consti tue de ce point de vue un pas tr s int ressant Le pr sent rapport fait la synth se des r sultats de recherches sur les aspects physiques techniques technologiques et financiers concernant la g othermie entre 300 et 800 m tres de profondeur 1 3 March potentiel Depuis quelques ann es la pompe chaleur est le syst me de chauffage le plus install en Suisse Ce succ s cache une r partition in gale dans les segments de puissance comme le montre la figure suivante March des
65. p rature du terrain en fonction de la profondeur bas e sur les mesures effectu es Oftringen 5 37 Figure 19 temp rature de la sonde en fonction de la longueur d velopp e de la sonde en partant de la surface exemple d Oftringen La puissance pr lev e sur la sonde s l ve 20 KW 0ccceeeees 37 Figure 20 temp rature moyenne du sol en Suisse temp rature maximale et minimale mesur e en sortie de sonde sur diverses installations en fonction de la profondeur de la des sonde s 38 Figure 21 estimatif d investissements totaux pour la source de chaleur compl te jusqu a l entr e de la pompe chaleur pour des puissances de chauffage de 50 500kW ccccccccseecceceeeeeeeeeeeeeeeaeeeeeeas 43 Figure 22 d tail des co ts annexes des estimatifs d investissement 44 Figure 23 comparaison des co ts annexes entre forage classique 150 m et profond 750m 45 Figure 24 r duction des co ts annuels par les gains sur les co ts annexes et la consommation OCI EE nets ee E E E E E 46 Figure 25 surco t amortissable maximal et sp cifique par m tre de sonde pour des sondes 750 m E e E 46 Figure 26 co ts d investissement compar s de sondes profondes avec forage et sondes au prix tr s bas de CHF 50 par m tre et captage dans nappe phr atique peu profonde Hypoth ses d taill es en E ee ee E E TE ee ee eee eee 49 52 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d r
66. pas n gliger Des d veloppements techniques sont n cessaires De nos contacts et r flexions nous proposons les pistes suivantes n d velopper des sondes en double U souples r sistantes la pression et faiblement plus ch res m d velopper un syst me coaxial plut t qu en double U avec la sonde int rieure en mat riau isolant pour viter le court circuit thermique m la paroi ext rieure devra alors tre suffisamment souple pour tre d roul e afin d assurer des co ts de pose concurrentiels et surtout viter des soudures id alement la paroi ext rieure s adapte au terrain lors de la mise en eau Il s agirait alors plus d un tissu ou d une mati re souple plut t que d un tube 90 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra 11 Perspectives Lors de la correction du pr sent rapport l entreprise REHAU annon ait la mise sur le march d une sonde g othermique capable de r sister une pression de 100 bars et une temp ra ture maximale de 95 Sa mise en uvre se pr sente comme celle d une sonde classique actuelle Elle est disponible en diam tres 40 50 et 63mm Pour la r solution du court circuit thermique aucune solution standard n est propos e actuel lement Il y a urgence de d veloppement
67. pe chaleur de 21kW combin e 4 sondes g othermiques de 122 m tres Les crit res determi nants pour le choix d une pompe chaleur taient la part d nergie renouvelable le faible encombrement dans le b timent contrairement aux pellets et la facilit d exploitation et d entretien pour le client Figure 9 ancienne ferme r nov e et transform e en cr che pour enfants La Chaux de Fonds Nous avons simul l installation actuelle puis plusieurs variantes avec des sondes plus pro fondes afin de quantifier l volution des performances avec l augmentation de la profondeur des sondes 26 Schweizerische Eidgenossenschaft Conf d ration suisse Confederazione Svizzera Confederaziun svizra D partmenet f d ral de l environnement des transports de l nergie et de la communication DETEC Ofiice f d ral de energie OFEN La simulation de l installation r alis e se presente comme suit Pilesamn2 get output Fr xis Bilan thermique du systeme kWhian Electricit PAC ec 11900 Pompe chaleur PAC COP 3 8 33700 Sondes g othermiques Refroidissement pour chauffage Refroidissement direct Machine frigorifique Machine frigorifique EffCoolM 0 0 Chauffage Puissance d extraction maximum par m tre de sonde Energie annuelle extraite par m tre de sonde Refroidissement Puissance d injection maximum par m tre de sonde Energie annuelle inject e par m tre de sonde Bilan terrain Ratio
68. plus disponible pour un syst me de pompe a chaleur Ces derni res ann es le march a clairement volu de sondes profondes de 100 150 metres vers des forages de 200 300 m tres Le pr sent rapport traite les questions suivantes pour l utilisation de sondes g othermiques verticales a des profondeurs de 700 800 metres m l ad quation des techniques actuelles pour forer ces profondeurs les d veloppements apporter m les effets sur les co ts d investissement les effets sur l efficacit du syst me complet sonde et production de chaleur z les effets sur les co ts d exploitation n l estimation d un surco t maximal admissible pour atteindre la parit de co t avec les syst mes actuels peu profonds m comparaison avec le captage d aquif res profonds et l utilisation de nappes phr atiques proches de la surface En conclusion les techniques actuelles ne sont pas adapt es des profondeurs de plus de 250 m tres Il faudrait disposer sur le march de sondes plus r sistantes la pression Au del de 250 m tres l am lioration du coefficient de performance annuel moyen est inf rieure au potentiel donn par le gradient g othermique En effet le court circuit thermique abaisse la temp rature du fluide caloporteur entre le pied de la sonde et la surface il rend de la chaleur au sous sol perdant ainsi de pr cieux degr s L l vation de temp rature rend impossible l utilisation en geocooli
69. ports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra Dans le cas de sondes profondes nous avons admis que le circuit des sondes ne comportait que de l eau sans antigel Les cons quences sont a remplacer la PAC sol eau par une PAC eau eau n supprimer l antigel n adapter la puissance de pompage du circuit des sondes Ces l ments influencent les co ts d investissement et les co ts d exploitation 7 3 M thodologie Calculs sur des cas r els Comme l estimation de co ts et surtout leur extrapolation d autres configurations de champ de sondes comporte un risque d incertitude r el nous avons proc d de la mani re sui vante 7 3 1 Investissements Nous avons relev puis structur les co ts d installations r alis es et bien document es Puis nous avons cal notre mod le d estimation des co ts sur ces installations Les r f rences sont les deux exemples d installations cit es pr c demment la cr che pour enfants et la manufacture horlog re et des informations obtenues aupr s des entreprises de forages auditionn es dans le cadre de ce projet et de l OFEN Pour les autres puissances de b ti ment nous avons proc d nos propres estimations sur ces bases 7 3 2 Co ts annuels Ils comprennent les l ments suivants nergie consomm e entretien et exploitation L nergie consomm e provi
70. ques dans les projets o la profondeur n exc de pas 150 200 metres il est possible en t de rafraichir les b timents le sol tant plus froid que l air ambiant Dans ce cas la pompe chaleur est arr t e On parle alors de geocooling En atteignant des profondeurs plus importantes la temp rature du sol n est plus significati vement froide Le rafraichissement estival n est donc pas possible ll est n cessaire d implanter un mat riel suppl mentaire Les syst mes les plus modernes de refroidissement tol rent certes des temperatures de fonctionnement toujours plus lev es mais la source froide doit se situer en dessous de 14 pour qu ils fonctionnent Une solution pour rem dier cela consisterait implanter une deuxi me sonde en U qui serait une profondeur moins importante maximum 150m Elle pourrait s implanter dans le m me forage que celui accueillant la sonde profonde qui devra n anmoins tre de diam tre plus important Il est galement envisageable de cr er un autre forage qui sera sp cialement d di au rafraichissement estival Les autres solutions pour obtenir du froid l t se rapprochent de techniques classiques savoir l implantation d un groupe froid suppl mentaire Ces solutions engagent cependant in vitablement des surco ts Si faible profondeur il tait possible de rafraichir l t simplement en contournant la pompe chaleur les grandes profondeurs impliquent un mat
71. re net tement plus cons quente d coulant des ph nom nes de dissolution de l encaissant Les coulements souterrains sont donc tr s concentr s g n rant un nombre restreint de sources mais dont les d bits sont tr s importants et tr s fluctuants alimentation et vidange rapides des r servoirs 3 3 Consid rations thermiques Dans le cadre d installations correspondant des puissances calorifiques de moins de 30kW le dimensionnement des sondes g othermiques peut tre r alis l aide des puis sances sp cifiques d extraction telles que donn es par exemple dans le Tableau 2 ci apr s Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra Puissance sp cifique d extraction W m Valeurs indicatives g n rales sur 1 800 heures sur 2 400 heures Sous sol de mauvaise qualit sediment sec lt 1 5 W m K meim Sous sol rocheux normal et s diment satur en eau 1 5 3 0 W m K Ee Roche compacte conductibilit thermique lev e gt 3 0 W m K Fm nm ee Min raux respectifs Gravier et sable Argile et glaise humides ST Ce ECH CO EC EC CE EC Poche magna acide parec garin L5 as o ee CS E ER Tableau 2 puissance sp cifique d extraction des sondes g othermiques sondes en double U se
72. ross section of a pile Inner diameter of one pipe Fraction of pile concrete thermal capacity GROUND CHARACTERISTICS effective average thermal conductivity W mK average ground volumetric heat capacity kJ m3K Initial ground temperature TGRDIN Mean temperature gradient in the undisturbed ground dT GRND Thermal conductivity of ground layer 1 LG1 Volumetric thermal capacity of ground layer 1 CG1 Thickness of ground layer 1 Darcy velocity of ground water in layer 1 DA1 Thermal conductivity of ground layer 2 LG2 Volumetric thermal capacity of ground layer 2 CG2 Thickness of ground layer 2 Darcy velocity of ground water in layer 2 DA2 Thermal conductivity of ground layer 3 LG3 Volumetric thermal capacity of ground layer 3 CG3 Thickness of ground layer 3 Darcy velocity of ground water in layer 3 DA3 Simulate forced convection on global process Simulate forced convection on local process 64 66 15 6 Exemple de calcul d taill des co ts d investissement et des co ts annuels Contraintes de dimensionnement Puissance B timent Puissance sondes Puissance d extraction Longueur installer Profondeur max d sir e Nombre de sondes Longueur de sonde au dela de 200m kW 116 W m tt m 2889 m 150 nb 19 26 m 0 00 Energ tique Installation Mise dispostion repliement Prix forage m inf rieur 200m Test de r ponse Collecteur Raccords de sondes Collecteurs Pose Collecteurs et Rac
73. s actuellement pour l injection dar dans la m thode de forage au marteau fond de trou ont une puissance limit e 30 voire 35 bars Or cette limite pourrait limiter la r alisation de forages au del de 300 400 m tres de pro fondeur en fonction de la colonne d eau pr sente dans le forage Si la charge repr sent e par la colonne d eau ne peut tre compens e par le compresseur les cuttings ne remonte raient plus la surface et le forage deviendrait impossible Pour la m thode au rotary la colonne de boue est galement g nante dans le cas de l implantation de sondes car sa densit ne permet pas une mise en place gravitaire Les sondes doivent tre pouss es m caniquement dans le forage l aide d un train de tige sp cial 2 2 7 Co t du forage Le co t de r alisation d un forage pour des sondes g othermiques en utilisant la m thode au marteau fond de trou se situe actuellement aux environs de CHF 70 m pour une pro fondeur maximale de 160 metres Ce montant s l ve ensuite environ CHF 85 m jusqu 400 metres puis augmente CHF 120 m pour une profondeur maximale d environ 800 m tres Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra Ces valeurs qui comprennent le forage son quipement et la
74. s avec l augmentation de la profon deur des sondes 30 Schweizerische Eidgenossenschaft Conf d ration suisse Confederazione Svizzera Confederaziun svizra Bilan thermique du systeme kiWh an Electricit PAC am Pompe a chaleur PAC COP 36 Sondes g othemmiques Refroidissement pour chauffage Refroidissement direct D partmenet f d ral de l environnement des transports de l nergie et de la communication DETEC Ofiice f d ral de l nergie OFEN 09 05 2012 moyenne during 50 years Chauffage auxiliaire Total demande Chauffage PAC 363 000 214600 Fraction chauffage 22 Refroidissement auxiliaire Total demande pn ES refroidissement Refroid sondes L Machine fngonfique Fraction refroidiss DIVvi0 Machine frigorifique oo Electricit machine frigorifique EffCoolM 0 0 o o H Puissance d extraction maximum par m tre de sonde Energie annuelle extraite par metre de sonde Refroidissement Puissance d injection maximum par metre de sonde Energie annuelle inject e par m tre de sonde Bilan terrain Ratio energie inject e sur energie extraite Figure 13 bilan thermique du cas 2 installation r alis e avec 19 sondes de 150 m tres chacune Le COP mesur s l ve 3 4 La diff rence entre les simulations et les mesures est toujours inf rieure a 1K pour les temperatures et 5 pour le COP 31 Schweizerisc
75. s des co ts du chapitre 7 7 Le cout de l antigel glycol a t valu CHF 1000 pour une sonde de 150 m tres Le gain en nergie de pompage a t pris en compte dans l valuation par le biais de l am lioration du COP annuel moyen Le coefficient de performance plus lev gr ce la temp rature plus lev e est pris en compte au travers de la simulation Pilesim Les valeurs de variation du COP sont reprises des sp cifications des pompes chaleur r elles des installations 9 10 Le cout de la pompe chaleur est bas sur la liste de prix d un fournisseur 11 A puissance quiva lente on prendra pour les forages standards une PAC sol eau B W et pour les forages profonds une PAC eau eau W W Le cout des fouilles pour la recherche du seuil de rentabilit est calcul a CHF 100 m fouill s La distance entre les sondes est choisie a 10m Ce cout comprend le cout des raccords Le cout des collecteurs pour les 5 premi res sondes s il y a plus d une sonde est valu CHF 5 000 chaque sonde exc dentaire on ajoute un surco t de CHF 2 500 par groupe de 5 sondes 66 66
76. schaft Conf d ration suisse Confederazione Svizzera Confederaziun svizra D partmenet f d ral de l environnement des transports de l nergie et de la communication DETEC Ofiice f d ral de l nergie OFEN 9 Nappe phr atique proche de la surface Derni re source d nergie utilisable la nappe phr atique proche de la surface Contraire ment l aquif re profond la pr sence d eau de nappe est soit connue soit facilement d ter min e par forage et essai de pompage Les profondeurs usuelles sont de quelques m tres quelques dizaines de m tres Si la pro tection des eaux le permet l usage de la nappe phr atique combine les avantages de la faible profondeur donc des co ts de captage r duits avec de bonnes performances de la pompe chaleur Nous avons estim les co ts de captage et d utilisation de la nappe phr atique pour la gamme de puissance thermiques de b timents de 50 500kW Co ts forage nappe etude pr liminaire 10 000 10 000 10 000 10 000 10 000 10 000 10 000 10 000 10 000 10 000 forage tuyau du puit 13 500 13 500 13 500 13 500 13 500 13 500 13 500 13 500 13 500 13 500 location pompe essai 1 400 1 400 1 400 1 400 1 400 1 400 1 400 1 400 1 400 1 400 installation chantier 2 600 2 600 2 600 2 600 2 600 2 600 2 600 2 600 2 600 2 600 tuyaux raccordement pompe 2 000 2 000 2 000 2 000 2 000 2 000 2 000 2 000 2 000 2 000 pompe 4 000 4 000 8 000 8 000 12 000 12 000 16 000 16 000 20 000 20 000 tuy
77. sondes sur la parcelle en respectant la distance minimale entre les sondes et la limite du terrain a raccordements plus nombreux fouilles conduites isolation collecteurs mise en uvre difficile lors de r novation ou en milieu urbain Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra 2 Examen des techniques de forage grande profondeur 2 1 Les techniques disponibles Une des premi res tapes du projet est d examiner les techniques de forage disponibles pour forer de 500 800 m tres et de comparer les co ts selon les techniques Il s agit de d finir les possibilit s actuelles en termes de forages profonds A l heure actuelle les m thodes utilis es pour l implantation de sondes geothermiques verti cales r alis es jusqu une profondeur de 100 200 metres et ponctuellement jusqu 300 voire 400 m tres sont le marteau fond de trou et le rotary Ces m thodes sont applicables pour des forages jusqu 800 m tres certaines conditions expliqu es au chapitre 2 2 2 1 1 Marteau fond de trou Dans le forage au marteau fond de trou la p n tration de l outil dans la roche meuble ou indur e est assur e par un mouvement de rotation associ une frappe sur le taillant Sur la plupart des machines le sens de ro
78. ssance d injection maximum par m tre de sonde Energie annuelle inject e par m tre de sonde Bilan terrain Ratio energie inject e sur nergie extraite Figure 15 bilan thermique du cas 2 installation simul e avec 4 sondes de 700 m tres chacune Pompe chaleur Refroidissement direct D partmenet f d ral de l environnement des transports de l nergie et de la communication DETEC Ofiice f d ral de l nergie OFEN 21 11 2012 moyenne during 50 years Chauffage auxiliaire Total demande chauffage Chauffage PAC Fraction chauffage Refroidissement Refroidissement pour chauffage auxiliaire Total demande 0 RS 0 JR rerroicissement Refro d sondes J OF A Fraction refroidiss Electricit machine frigorifique __29 Jus 60 _JxWh ma A Wm ___0 Whma 0 33 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra La synth se de variantes se pr sente comme suit Nombre et longueur de sonde 19x150m 12x240m 4x700 Chaleur produite kWh 214000 216 600 217 800 Energie NT sur la sonde kWh 155 500 157 500 167 500 Tableau 6 bilan nerg tique et COP annuel pour diff rentes profondeurs de sondes La progression du COP annuel avec la grande profondeur est remarquable avec une l va
79. t calcul selon le gradient g othermique moyen de 30K par kilom tre L accroissement du COP n est pas proportionnel l l vation de temperature due au gra dient geothermique En effet avec le gradient thermique de 30K par kilometre la temperature autour de la sonde a 490 metre devrait tre de 11K plus lev e qu 122 metres Or dans les pompes a chaleur actuellement disponibles sur le marche suisse le COP progresse de 0 4 a 0 6 points par tranche de 5K voir 12 Donc dans notre cas il devrait donc augmenter de 0 88 a 1 32 pour atteindre 4 68 a 5 12 Or il se situe a 4 3 La raison est analys e en detail au chapitre 6 35 Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra 6 2 Cas 2 manufacture horlog re Cas 2 COP annuel moyen simul et calcul selon gradient g othermique COPa simul COPa calcul selon temp rature Figure 17 COPa simul et calcul selon le gradient g othermique moyen de 30K par kilom tre Cependant l accroissement du COP n est pas proportionnel l l vation de temp rature due au gradient g othermique En effet avec le gradient thermique de 30K par kilom tre la temp rature autour de la sonde a 700 metres devrait tre de 16K plus lev e qu 150 metres Le COP annuel
80. tation de l outil est inverse a celui du tubage ce qui r duit les risques de blocage des cuttings L installation se compose principalement d une foreuse d un compresseur et d une benne pour la r cup ration des cuttings et de l eau de forage Pour remonter les cuttings l eau est soit inject e a faible d bit avec l air provenant du compresseur soit elle provient du sous sol lorsque celui ci est aquif re et satur ou qu il existe des venues d eau suffisantes Les vo lumes sont g n ralement assez faibles L emprise d une installation de chantier est donc assez r duite et permet des interventions dans pratiquement toutes les situations habituellement rencontr es villas neuves ou en r novation zone rurale ou urbaine Les entreprises utilisent g n ralement des compresseurs qui peuvent d livrer une pression d environ 25 bars Cette pression peut atteindre 30 35 bars pour les machines les plus per formantes La vitesse moyenne d avancement est d environ 20 m h Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra 2 1 2 Rotary Pour la m thode au rotary la p n tration de l outil s effectue par abrasion et broyage du ter rain Sans chocs uniquement par rotation Le maintien de l ouverture du trou de forage est assure par l injec
81. the horizontal pipes on ground LCOEPF BOREHOLES PILES total number of PILES or BHE average PILE or BHE length m average PILE or BHE diameter m 57 66 Pilesim2 get output Fr xls 09 05 2012 average PILE or BHE thermal resistance K W m total flow rate in PILE or BHE flow circuit when heat extraction kg h flow rate per PILE or BHE when heat extraction m3 h per bore Diameter of PILES or BHE of type 1 dp1 Number of PILES or BHE of type 1 N1 Average active length of PILES or BHE of type 1 H1 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 1 K W m 3 6 ks h Rb1 Internal thermal resist Ra of pile borehole type 1 K W m 3 6 ks h Ra1 Diameter of PILES or BHE of type 2 Number of PILES or BHE of type 2 Average active length of PILES or BHE of type 2 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 2 K W m 3 6 ks h Internal thermal resistance of pile borehole type 2 K W m 3 6 ks h Diameter of PILES or BHE of type 3 Number of PILES or BHE of type 3 Average active length of PILES or BHE of type 3 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 3 K W m 3 6 ks h Internal thermal resistance of pile borehole type 3 K W m 3 6 ks h Diameter of PILES or BHE of type 4 Number of PILES or BHE of type 4 Average active length of PILES or BHE of type 4 Local thermal resistance Rb of PILE BHE type 4 K W m 3 6 ks h Internal thermal resistance of pile borehole type 4 K W m 3 6 ks h
82. tion d une boue de densit adapt e Cette m thode implique donc utilisation d une pompe boue et d un dessableur Les inconv nients li s aux boues de forage sont d une part les volumes concern s qui peu vent tre cons quents pour des forages profonds leur vacuation mais galement la modi fication de la perm abilit de l encaissant si l objectif vis est l exploitation des eaux souter raines Dans le cas de terrains aquiferes la boue va en effet masquer en partie les informations hy drog ologiques venues d eau notamment mais galement plus ou moins colmater les in terstices et ou fissures des roches rencontr es g nant la circulation ult rieure de ces eaux souterraines Dans le cas de roches fortement fissur es les pertes de boues peuvent tre consid rables et rendre cette technique inop rante La vitesse d avancement est de l ordre de 6 8 m h soit une vitesse trois fois inf rieure la m thode du marteau fond de trou Les avantages et inconv nients des m thodes de forages utilis es ou utilisables pour l exploitation des ressources g othermales a des profondeurs atteignant 800 metres tien nent pour une part importante aux mat riaux utilis s et aux conditions g ologiques rencon tr es Les machines sont sensiblement similaires pour les techniques marteau fond de trou et rotary 2 2 Implications d une volution vers des profondeurs de 300 a 800 metres Une augmentation de la profondeur d
83. tory of the University of Michigan USA http www earth sa umich edu climate index html EBERHARD amp Partner AG Tiefen EWS Oftringen 706 m Direktheizen mit einer 40 mm 2 Kreis PE Tiefen Erdwarmesonde Bestimmung und Interpretation der thermo dynamischen Eigenschaften bei variierenden Durchflussraten und Entzugsleistungen BFE Bern 2010 EBERHARD amp Partner AG 2003 Wirtschaftlichkeitsermittlung einer Sondenisolation im obersten Abschnitt einer Erdwarmesondenanlage Otelfingen ZH Projekt Nr 30 603 Forschungsauftrag f r das Bundesamt f r Energie Bern 2003 EBERHARD amp Partner AG 2004 Isolation von Erdwarmesonden Zusammenstel lung von bisherigen Erfahrungen Projekt Nr 100 465 Forschungsauftrag fur das Bun desamt fur Energie Bern 2004 PILESIM2 Simulation Tool for Heating Cooling Systems with Energy Piles or Multiple Borehole Heat Exchangers User Manual Dr Daniel Pahud Institute for Applied Sus tainability to the Built Environment SUPSI Lugano 2007 R f rence de la pompe chaleur de Patek Philipe Carrier 159kW 30RW135 Reference de la pompe a chaleur de la ferme Gallet Ecotherm T22H CTA liste de prix http www cta ch 10 24 1514 1515 1512 o0id 1497 amp lang fr R sultats du centre de test de Buchs pour PAC sol eau et eau eau http institute ntb ch fileadmin Institute IES pdf PruefResSW 12101 9 pdf 54 Schweizerische Eidgenossenschaft Conf d ration suisse Confederazion
84. u M sozo que Molasse sub alpine M sozo que Molasse du plateau Nappes alpines PLATEAU PREALPES Molasse du Jura ANN Molasse sub alpine WS Nappes Penniques Molasse du plateau FT Mesozo que Nappes Helv tiques Figure 4 coupe transversale simplifi e de la Suisse du Jura aux Pr alpes en passant par le Bassin molassique modifi e d apr s BERGER 1989 et SOMMARUGA 1997 source Impact Concept SA Schweizerische Eidgenossenschaft D partmenet f d ral de l environnement des transports Conf d ration suisse de l nergie et de la communication DETEC Confederazione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra 3 2 Consid rations hydrog ologiques Les sondages atteignant des profondeurs de 300 800 m tres sont relativement peu nom breux Parmi eux ceux dont une partie au moins des objectifs concernaient la caract risation hydrog ologique des roches en profondeur sont en nombre plus r duit encore Les roches meubles sont g n ralement perm ables pour autant que leur granulometrie soit suffisamment grossi re Il s agit des alluvions graveleuses et ou sablo graveleuses poss dant une perm abilit et une porosit suffisante On les retrouve sous forme de remplissage de sillons fluvio glaciaires et de c nes au contact entre le pied des reliefs et les zones de plaine Ces mat riaux sont donc g n ralement assez localis s d extension r duite et ont une epaisse
85. ur assez modeste lt 100 m La majeure partie des terrains meubles de couver ture est constitu e de mat riaux morainiques peu pas perm ables La molasse dont l extension couvre une grande part du plateau est partag e entre des d p ts gr seux plus ou moins perm ables selon leur granulometrie et des mat riaux marneux globalement peu pas perm ables Certains horizons marneux sont toutefois suffisamment indur s pour disposer d une perm abilit de fissure qui autorise la circulation des eaux sou terraines avec des d bits localement significatifs Les roches fissur es pr sentes essentiellement dans le secteur des Alpes et des Prealpes sont affect es comme leur nom l indique d une fissuration d coulant de leur duret et de la mise en uvre de contraintes d origine essentiellement tectonique Leur perm abilit est tr s variable influenc e par l ouverture des fissures par leur colmatage ventuel par le recou pement des directions de fissures et par la pr sence ventuelle d accidents majeurs Les roches cristallines peuvent tre assimil es aux roches fissur es du point de vue hydro g ologique avec des perm abilit s assez faibles Les roches karstiques essentiellement carbonat es poss dent une perm abilit dite en grand li e a leur fracturation A la difference des roches fissur es les coulements souter rains n utilisent globalement que quelques fissures mais qui poss dent une ouvertu
86. urs de 500 800 metres n ad quation des techniques actuelles pour ces profondeurs 7 adaptations des technologies actuelles besoins de R amp D m effets sur les co ts dans l investissement pour des forages profonds effets sur les co ts d exploitation du syst me complet 7 estimation des perspectives de rentabilite economique Le pr sent projet vise a atteindre l objectif suivant 1 b timent 1 forage avec le m me degr de standardisation pour les b timents de puissance de chauffage sup rieure a 50kW que pour les villas individuelles 1 2 Objectifs Le but principal est d augmenter le potentiel d application de la g othermie au chauffage des b timents surtout dans la r novation de b timents existants On constate en effet que 90 des pompes chaleur g othermiques install es ont une puis sance inf rieure 20kW Ces puissances concernent principalement les villas La part de march des pompes chaleur g othermiques qui concerne les immeubles et les industries soit des puissances sup rieures 20kW est de quelques pourcents seulement Cette sous repr sentation s explique principalement par la difficult de disposer d une ressource suffi sante de chaleur pour la pompe chaleur La ressource de chaleur d une nappe phr atique n est en effet pas toujours presente ni ex ploitable pas plus que ne l est celle des lacs et des rivi res Il n y a pas non plus toujours des rejets de chaleur pr
87. zione Svizzera Ofiice f d ral de l nergie OFEN Confederaziun svizra 2 2 3 Tige Tubage Dans les investissements suppl mentaires consentir pour la g othermie profonde il faut galement tenir compte de l acquisition des tubages et tiges de forage n cessaires pour at teindre les profondeurs vis es Pour exemple dans le cadre dun chantier une entreprise de forage a du tuber au del de 200 metres de profondeur en raison du recoupement d une zone fortement fractur e alors que le rocher avait t atteint partir d une dizaine de metres de profondeur Si la longueur de tige est implicitement d finie par la profondeur du forage r aliser celle des tubages d coule de la g ologie des terrains voire des prescriptions possibles li es par exemple la protection des eaux souterraines Actuellement un forage de l ordre de 200 m tres de profondeur implique un quipement de forage tiges et tubages estim environ CHF 70 000 L volution vers une profondeur de 500 metres conduit a un cout global d environ CHF 250 000 puis a environ CHF 400 000 vers 800 metres ll est galement important de pr ciser que le poids des tiges et des tubages utilis s pour le forage va augmenier avec le diametre et que ce dernier augmente en fonction de la profon deur vis e En effet il est judicieux de choisir des diam tres plus importants pour la sonde lorsqu elle atteint de plus grandes profondeurs d une part pour r

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