Simulation de flux thermique pour la planification énergétique spatiale avec de l'eau de mer

Les lacs et autres eaux de surface représentent un immense réservoir naturel d'énergie, qui peut être utilisé de manière efficace tant sur le plan écologique qu'économique. Grâce à l'utilisation de pompes à chaleur à eau de lac, cette énergie thermique stockée peut être exploitée pour la fourniture de chaleur et de froid des bâtiments, contribuant ainsi de manière significative à la décarbonisation de l'approvisionnement en chaleur des communes. Les simulations de flux thermiques constituent une base indispensable pour la planification énergétique spatiale et permettent une évaluation éclairée des conditions cadres et des exigences pour une utilisation thermique durable de l'eau de lac.

Simulation de flux comme outil de planification pour les autorités, les planificateurs et les fournisseurs d'énergie

Un avantage essentiel des simulations de flux thermiques réside dans leur fonction de communication : elles rendent les conditions thermiques et hydrodynamiques attendues dans le plan d'eau claires et compréhensibles pour toutes les parties impliquées – autorités, planificateurs et fournisseurs d'énergie. Cela facilite considérablement les procédures d'autorisation des eaux et crée une base de planification commune sur laquelle des décisions éclairées peuvent être prises concernant les emplacements, les classes de performance et les concepts d'exploitation pour l'utilisation de l'eau de mer.

Modélisation 3D par numérisation de cartes de profondeur

La base de toute simulation de courants thermiques est un modèle numérique précis du terrain du cours d'eau. Pour ce faire, les cartes bathymétriques existantes sont numérisées et converties en un modèle de calcul tridimensionnel qui représente exactement la géométrie réelle du bassin, y compris ses variations de profondeur et de rive. Plus ce modèle 3D reflète fidèlement les conditions bathymétriques réelles, plus les résultats de la simulation CFD sont fiables et pertinents.

Simulation de la stratification de température en mode chauffage et refroidissement

La simulation de courant simule de manière réaliste la stratification de la température dans le plan d'eau, en tenant compte des conduites d'alimentation et de retour en mode de chauffage comme en mode de refroidissement. Dans les plans d'eau naturels, le rayonnement solaire, le mélange par le vent et les influences saisonnières créent une stratification thermique caractéristique – la thermocline –, qui affecte considérablement la disponibilité de la température et le comportement du courant. La simulation quantifie ces interactions complexes entre les rejets de chaleur et le refroidissement de l'eau, ainsi que la stratification naturelle, fournissant ainsi des données de planification fiables pour la conception des systèmes de pompes à chaleur à eau de mer.

Résolution temporelle des variations saisonnières de température

L'analyse de l'évolution temporelle des fluctuations de température dans le plan d'eau permet une estimation réaliste de la disponibilité saisonnière de la puissance du système d'eau de lac sur un cycle annuel complet. Les courbes de température et leur dépendance aux influences météorologiques, à l'intensité d'utilisation et aux régimes de fonctionnement peuvent ainsi être analysées en détail et utilisées pour la conception du système.

Optimisation de la géométrie de départ et de retour pour éviter les courts-circuits de flux

Grâce à une variation systématique des géométries d'alimentation et de retour – c'est-à-dire du nombre, de l'agencement et de l'orientation des structures d'entrée et de sortie – les zones d'influence thermique respectives dans le plan d'eau sont déterminées. De cette manière, les courants de court-circuit hydraulique et thermique peuvent être évités de manière fiable, l'efficacité de l'utilisation de l'eau de mer peut être maximisée et les impacts écologiques potentiels sur le plan d'eau peuvent être réduits au minimum.

Dans le cadre d'un concept énergétique innovant, un bassin portuaire est utilisé comme source et puits de chaleur naturel pour le fonctionnement de refroidissement et de chauffage des immeubles de bureaux environnants. Les eaux de surface telles que les bassins portuaires, les lacs ou les rivières se prêtent idéalement comme base pour les systèmes de pompe à chaleur à base d'eau grâce à leur capacité de stockage thermique et peuvent permettre des économies d'énergie considérables par rapport aux systèmes de climatisation conventionnels.

Des simulations thermiques ont été réalisées pour évaluer les impacts thermiques sur le plan d'eau, permettant de quantifier l'influence de la température de l'évacuation de chaleur et de l'apport de chaleur sur le bassin portuaire. De telles simulations sont essentielles pour garantir que la température de l'eau reste dans des limites écologiquement et réglementairement acceptables et qu'aucune stratification thermique indésirable ne se forme.

Un soin particulier a été apporté à la conception hydraulique des conduites d'alimentation et de retour au niveau du quai. Les courts-circuits thermiques ou hydrauliques – c'est-à-dire le retour direct d'eau déjà temperée vers le point d'aspiration – réduiraient considérablement l'efficacité du système. Grâce à un positionnement soigneux et une conception hydrodynamique des ouvrages d'entrée et de sortie, cet effet peut être évité de manière fiable.

Pour éviter des vitesses de courant excessivement élevées dans le bassin portuaire, le nombre d'entrées et de sorties a été varié et optimisé. Des vitesses de courant locales élevées peuvent provoquer la remise en suspension des sédiments, nuire aux organismes aquatiques et entraîner une usure accrue des installations techniques. Une répartition du débit volumique sur plusieurs points de rejet réduit ces risques et assure une circulation plus uniforme du bassin.

Les boîtiers d'aspiration ont été dimensionnés spécifiquement pour empêcher l'aspiration de poissons et d'autres organismes aquatiques dans le système de tuyauterie. En pratique, cela implique l'utilisation de grilles fines, de tamis ou de grilles de protection spéciales, dont la vitesse d'écoulement est maintenue si basse que les poissons ne peuvent pas être aspirés. Les valeurs limites correspondantes pour la vitesse d'écoulement sont inscrites dans les règlements sur la gestion de l'eau et les exigences environnementales.

Enfin, la compatibilité biologique du système complet a été examinée. Les impacts potentiels sur l'écosystème du bassin portuaire ont été évalués, en particulier en ce qui concerne les changements de température, les variations des conditions d'oxygénation et l'introduction d'organismes non indigènes. Une planification respectueuse de l'environnement garantit que le fonctionnement de l'installation est conforme aux exigences d'autorisation en vertu de la législation sur l'eau et aux objectifs de la directive-cadre sur l'eau de l'Union européenne.