Amélioration des prévisions des conditions du sol dans le dimensionnement des échangeurs géothermiques

Ce mémoire présente un modèle numérique de prédiction du profil de température du sol ainsi que différents facteurs pouvant affecter ce profil incluant le gradient géothermique et les changements climatiques. L'objectif principal est de vérifier l'impact de ces différents facteurs sur le dimensionnement des échangeurs géothermiques. Une revue de littérature de quelques modèles numériques et analytiques du sol est présentée dans ce mémoire pour pouvoir évaluer la capacité prédictive de ces modèles ainsi que leurs limitations. La revue touche aussi la portée de l'influence de différents facteurs sur la performance des échangeurs géothermiques et sur le profil de température du sol qui les entoure. Des facteurs tels le gradient géothermique présent dans le sol, qui résulte du flux de chaleur géothermique, et l'évolution du climat à la surface du sol sur de longues périodes temporelles sont examinés. Un modèle numérique modélisant le profil de température du sol est développé sous MATLAB. Le modèle unidimensionnel est d'abord développé pour calculer la température du sol non perturbé affectée par le climat et le gradient géothermique. Puis des modèles bidimensionnel et tridimensionnel sont développés pour explorer différentes configurations géométriques à plusieurs échangeurs. Une étude de cas est ensuite entreprise pour quantifier la contribution du flux de chaleur géothermique à l'énergie totale extraite par un échangeur géothermique et la comparer à l'énergie provenant de la surface ou du sol au voisinage du puits. Suite à 10 ans d'extraction continue d'énergie, le flux de chaleur géothermique constitue 7 % de la chaleur totale extraite par l'échangeur géothermique pendant cette période. Après 500 ans, le flux de chaleur géothermique devient la source prédominante d'énergie avec plus de 50 % de l'énergie totale extraite par l'échangeur. Plusieurs hypothèses couramment utilisées pour simplifier le gradient géothermique du modèle thermique complet du sol sont aussi comparées. Prendre une température du sol uniforme égale à la température du sol à mi-chemin de l'échangeur géothermique de façon à prendre en compte le gradient géothermique est avéré comme une bonne approximation. Enfin, l'effet de différents scénarios climatiques présents et futurs sur la performance d'un système résidentiel de pompe à chaleur géothermique est mesuré. La résidence ainsi que les différents types d'échangeurs géothermiques sont modélisées dans TRNSYS, un outil couramment utilisé pour simuler les systèmes thermiques. Les échangeurs géothermiques horizontaux sont plus affectés par le climat que les échangeurs verticaux. Pour un scénario de changement climatique extrême, la variabilité du climat affecte jusqu'à 6 % la consommation électrique du système de chauffage et de climatisation et l'évolution du climat sur trente années futures l'affecte de 0,47 % par décennie.

Abstract

This thesis presents a numerical model for predicting the ground temperature profile as well as various factors that can affect this profile including the geothermal gradient and climate change. The goal is to examine the impact of these factors on the sizing of geothermal exchangers. A literature review of some numerical and analytical ground models is presented to evaluate the predictive capacity of these models as well as their limitations. The review also touches on the scope of influence of different factors on the performance of geothermal exchangers and on the temperature profile of the ground surrounding them. Factors such as the geothermal gradient, which results from the geothermal heat flux, and the evolution of the climate at the ground surface over long time periods are examined. A numerical model of the soil temperature profile is developed using MATLAB. A one-dimensional model is first developed to calculate the undisturbed ground temperature affected by the climate and the geothermal gradient. The two-dimensional and three-dimensional models are studied to explore different geometrical configurations with several exchangers. A case study is then undertaken to quantify the contribution of geothermal heat flow to the total energy extracted by a geothermal exchanger compared to energy from the surface or the ground itself. After 10 years of continuous energy extraction, the geothermal heat flux constitutes 7 % of the total heat extracted by the geothermal exchanger during this period. After 500 years, the geothermal heat flux becomes the predominant source of energy with more than 50 % of the total energy extracted by the exchanger. Several assumptions commonly used to simplify the geothermal gradient of the full ground thermal model are also compared. Taking a uniform ground temperature equal to the ground temperature at the halfway point of the geothermal exchanger to account for the geothermal gradient has proven to be a good approximation. Finally, the effect of different present and future climate scenarios on the performance of a residential geothermal heat pump system is evaluated. The residence as well as the different types of geothermal exchangers are modeled in TRNSYS, a commonly used tool to simulate thermal systems. Horizontal geothermal exchangers are more affected by climate than vertical exchangers. For an extreme climate change scenario, climate variability affects the electricity consumption of the heating and cooling system by up to 6 % and climate change over the next 30 years affects it by 0.47 % per decade.