Modélisation et commande prédictive de pompes à chaleur géothermiques résidentielles auto-assistées

Une pompe à chaleur a pour but d'extraire ou de rejeter de la chaleur depuis ou vers une source de chaleur, permettant de chauffer ou de climatiser des bâtiments avec une bonne efficacité énergétique. Dans le cas de pompes à chaleur géothermiques, un fluide caloporteur circule dans un champ de puits géothermiques, permettant au fluide de se rapprocher de la température du sol avant de retourner à la pompe à chaleur. Lorsqu'elles opèrent dans des climats froids, les pompes à chaleur géothermiques causeront, au fil de plusieurs années, une baisse de la température du sol autour des puits. Ceci nuit à la performance énergétique de la pompe à chaleur. Cet effet est particulièrement marqué dans le cas d'applications résidentielles avec des puits sous-dimensionnés. Si le fluide caloporteur retournant du sol est trop froid, il se peut que la pompe à chaleur ne puisse pas opérer, ce qui oblige l'utilisation du chauffage électrique auxiliaire et mène à des pointes de consommation électrique. Pour éviter de telles pointes, une pompe à chaleur géothermique « auto-assistée », qui chauffe le fluide caloporteur alimenté au sol à l'aide d'une source électrique, est proposée. En injectant de la chaleur dans le champ de puits en prévision des pointes, la pompe à chaleur peut demeurer opérationnelle et le chauffage électrique auxiliaire peut rester à l'arrêt. Donc, la pointe de consommation en puissance électrique peut être réduite au coût d'une faible augmentation de la consommation énergétique totale. La configuration auto-assistée requiert une stratégie de contrôle avancée pour tenir compte, entre autres, des prévisions météorologiques. Cette stratégie de contrôle nécessite un modèle pour prédire la température du fluide retournant des puits. Or, la modélisation de la dynamique thermique des puits géothermiques est un problème non trivial puisque plusieurs échelles de temps doivent être prises en compte dans l'étude de la conduction thermique dans le sol autour des puits. De plus, les effets thermiques à court terme à l'intérieur des puits peuvent avoir une influence importante sur les températures du fluide caloporteur circulant dans les puits. Les modèles de contrôle actuels de systèmes géothermiques reposent souvent sur des hypothèses simplificatrices de la dynamique thermique des puits géothermiques ou encore sur une modélisation non physique des puits géothermiques (par exemple, par l'intermédiaire d'un réseau de neurones artificiel) devant être entraînée ou paramétrée. Ainsi, ils présentent des lacunes en ce qui a trait à la modélisation de la dynamique thermique à court terme à l'intérieur des puits, à la linéarité du modèle, à la modélisation simultanée du côté source (puits géothermiques) et du côté charge (bâtiment) de la pompe à chaleur, à l'adaptabilité du modèle à des champs composés de nombreux puits géothermiques et à la nécessité de paramétrer ou entraîner le modèle au coût de nombreuses simulations.