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.