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Les systèmes d’échange géothermique (Ground Source Heat Exchange, ou GSHE) sont bien établis comme base pour l’électrification des systèmes thermiques et la réalisation des avantages liés à la décarbonisation et aux coûts d’exploitation qui y sont associés. Du fait qu’ils sont de mieux en mieux compris par le public et avec l’application plus large des technologies de géothermie en général, l’industrie est en voie d’introduire sur le marché les gains d’efficacité toujours plus importants dans un système de boucle ambiante en réseau. L’expérience de Salas O’Brien dans les réseaux d’énergie thermique 5G va des complexes urbains à usage mixte comptant plusieurs blocs, aux campus commerciaux et aux aménagements de maisons unifamiliales communautaires. Les générations précédentes de systèmes thermiques collectifs ont commencé avec des systèmes à vapeur produite au moyen du charbon dans les années 1880 (dont beaucoup fonctionnent toujours), gagnant successivement en efficacité en passant de la vapeur à l’eau chaude, puis en abaissant progressivement la température de l’eau. À partir de l’an 2000, la quatrième génération a intégré des pourcentages élevés d’énergie renouvelable accessible par l’entremise des systèmes d’échange géothermique, permettant des températures de fonctionnement encore plus faibles. La cinquième génération naissante améliore l’efficacité des systèmes d’échange géothemique avec le partage d’énergie et les sources d’énergie distribuées, réduisant encore les températures de fonctionnement.

Les réseaux d’énergie thermique GSHE à ce jour

Un système GSHE conventionnel desservant un bâtiment se compose d’une source d’échange de chaleur centrale, principalement des canalisations verticales forées de 300 à 800 pieds dans un terrain inoccupé près du bâtiment. Chaque canalisation contient une boucle de tuyau dans laquelle circule un fluide et qui accède à la température du sol constante toute l’année (déterminée par emplacement) dans un cycle d’alimentation et de retour à deux tuyaux en tant que source d’énergie (ou puits) pour refroidir ou chauffer le bâtiment par rapport à la température de surface. Le concept d’un échangeur de chaleur central et d’un système à deux tuyaux représente également la conception historiquement mise en œuvre pour les réseaux d’énergie thermique collectifs. Cependant, l’espace inoccupé et l’infrastructure nécessaires pour accueillir les charges de chauffage et de refroidissement combinées ainsi que la distribution à deux tuyaux peuvent limiter la viabilité de la mise en œuvre.

Le cœur du réseau d’énergie thermique 5G : boucle thermique ambiante à un tuyau GSHE

Un système GSHE intégré à une boucle ambiante à tuyau unique fait circuler le fluide à une température constante à partir de  sources multiples (±5° entre les sources) vers plusieurs bâtiments autour de la boucle dans un système de distribution partagé qui abaisse les dépenses en capital ainsi que les coûts d’exploitation. Cette approche élimine les exigences en matière d’espace et de proximité d’un seul échangeur de chaleur centralisé et réduit l’espace nécessaire pour l’infrastructure, ce qui simplifie l’installation de la tuyauterie de distribution – tout en atteignant les performances de chauffage et de refroidissement d’un système traditionnel à deux tuyaux. Alors que le GSHE dans un système à deux tuyaux est connecté directement à chaque bâtiment, le GSHE dans un système ambiant à un seul tuyau est connecté collectivement aux bâtiments, par l’entremise de la boucle ambiante partagée. La boucle agit comme un composant de médiation, interreliant les bâtiments pour partager l’énergie thermique entre eux. Un profil de température pour la boucle est déterminé par des changements dans les charges de chauffage et de refroidissement dans les bâtiments individuels, et par la façon dont la charge thermique nette est imposée sur la boucle ambiante et mélangée au fluide qui circule. La charge thermique nette est basée sur les conditions créées par des changements dans l’occupation des bâtiments et les interactions humaines, déterminées par le confort et les routines quotidiennes. La planification et la conception en fonction de cette diversité permettent de réduire les charges de chauffage et de refroidissement de pointe, ce qui entraîne un dimensionnement plus faible du GSHE, réduisant potentiellement les coûts initiaux et établissant une base pour des performances équilibrées du système qui maintiendront la capacité sans dépasser les paramètres de conception du système.

Avantages composés dans un réseau d’énergie thermique 5G

Le tuyau de distribution unique requiert généralement moins d’espace qu’un système à deux tuyaux, encore moins si l’on élimine les croisements de retour nécessaires dans un système à deux tuyaux. L’exigence moindre du GSHE facilite la distribution des GSHE en petits groupes autour de la boucle pour créer une série de séquences charge-source d’énergie/puits, maintenant la boucle ambiante à +/- 5 degrés fahrenheit. Chaque bâtiment reçoit ainsi approximativement un fluide de même température que les autres bâtiments, fournissant la même efficacité à chaque propriétaire. Comme il faut maintenir uniquement la différence de température du fluide entre chaque point d’injection des échangeurs de chaleur et non entre un « premier bâtiment » et un « dernier bâtiment » comme dans un système à deux tuyaux, le débit diminue. Avec le débit inférieur, la taille du tuyau peut être diminuée, ce qui réduit également l’énergie de la pompe nécessaire pour faire circuler le fluide. En plus de plusieurs GSHE et stations de pompage, les boucles de dérivation atténuent tout risque de défaillance de la boucle dans son ensemble.

Deux systèmes GSHE à boucle ambiante en réseau de marque – deux projets de Salas O’Brien – ont été achevés ou en sont au début de leur construction en Amérique du Nord. En activité depuis 2022, le projet de la communauté résidentielle Berczy Glen de Salas O’Brien dans la région métropolitaine de Toronto est le premier réseau d’énergie thermique en Amérique du Nord dont tous les actifs thermiques et la boucle thermique ambiante sont contenus dans l’emprise des rues du quartier. Le complexe se compose de 312 maisons de 1500 pi2 en moyenne ; le système d’échange géothermique se compose de 144 boucles verticales, d’une profondeur de 850 pieds, regroupées en onze grappes qui sont reliées par la boucle d’eau ambiante à tuyau unique de deux milles reliant les pompes à chaleur de chaque maison. Les pompes de circulation desservant les grappes individuelles et la boucle sont logées dans des voûtes souterraines, éliminant les infrastructures visibles. La construction du projet pilote en géothermie Eversource à Framingham, MA, a commencé à l’été 2023 afin d’établir un système géothermique à boucle ambiante en réseau comme option d’énergie propre viable et abordable par rapport à la livraison de carburants et aux services de gaz naturel pour le chauffage et la climatisation des maisons et des entreprises. Une foie terminé, il s’agira du premier système géothermique utilisant un réseau de services publics, au service d’un quartier à usage mixte existant aux États-Unis. La boucle reliera 140 clients dans 37 immeubles – 32 immeubles résidentiels et cinq commerciaux – à trois champs de canalisations répartis autour de la boucle. Comme tout système de chauffage et de refroidissement collectif, Berczy Glen et le projet pilote Eversource sont assujettis à des règlements, à des codes et à autres éléments juridiques s’appliquant à la propriété et à l’exploitation d’un réseau d’infrastructure – y compris la maintenance et le service – que ce soit dans l’emprise des rues de la communauté, dans des lots privés, ou les deux. Une expérience préalable de la planification et de la conception est essentielle à l’exécution efficace de cette logistique ; l’identification des champions de la communauté est essentielle à la réussite de la mise en œuvre. La participation hâtive des parties prenantes en vue de coordonner l’espace pour les infrastructures, établir l’accès aux actifs après l’installation et déterminer les points de démarcation dans le système pour l’installation et les réparations peut élever un projet de système GSHE collectif en entreprise communautaire collaborative.

Comment Salas O’Brien peut aider les clients à établir un réseau d’énergie thermique 5G

Salas O’Brien est un leader des systèmes GSHE en réseau avec une expérience qui va des complexes urbains à usage mixte comptant plusieurs blocs aux campus d’enseignement supérieur et commerciaux, et jusqu’aux aménagements de maisons unifamiliales communautaires. Contactez Brian Urlaub ci-dessous pour discuter de votre projet.