Élaboration et validation d'une suite évolutive de modèles d'échangeurs géothermiques verticaux

Ce mémoire détaille l'élaboration et la validation d'une suite évolutive de modèles d'échangeurs géothermiques verticaux dans l'environnement TRNSYS. Un nouveau modèle d'échangeur géothermique vertical tenant compte des phénomènes transitoires à l'intérieur du puits est d'abord présenté. Il s'agit d'un modèle quasi 3D, dans lequel le puits est découpé en tranches axiales successives, où chaque tranche est modélisée par l'approche des résistances et capacités thermiques (TRCM). Le modèle est d'abord détaillé pour un puits à un tube en U, puis il est adapté pour un puits à deux tubes en U avec deux circuits indépendants. Le modèle TRCM à un tube en U proposé est validé avec succès par comparaison avec d'autres modèles existants incluant un modèle numérique 3D détaillé, ainsi que par comparaison avec trois cas expérimentaux. Quatre modèles d'échangeurs géothermiques verticaux simples (un seul puits) ont été implémentés dans l'environnement TRNSYS sous la forme de TYPEs. Le premier est un modèle de puits à un tube en U, dont l'intérêt est essentiellement pédagogique : initiation aux concepts associés aux échangeurs géothermiques, et à l'utilisation d'un outil de simulation d'échangeurs géothermiques. Le second est un modèle d'échangeur géothermique à deux tubes en U, avec deux circuits indépendants. Le troisième, et le quatrième modèle correspondent respectivement aux modèles TRCM proposés à un tube en U, et à deux tubes en U. Dans un dernier volet, ces quatre modèles d'échangeurs simples sont adaptés à la modélisation d'échangeurs géothermiques multi-puits, conduisant à l'élaboration de quatre autres TYPEs. Ces modèles d'échangeur multi-puits, dans lesquels le positionnement spatial de chaque puits est possible, utilisent les g-functions générées par un préprocesseur pour calculer la réponse thermique du champ de puits à modéliser. Finalement, un exemple de simulation annuelle d'une communauté solaire est illustré dans ce mémoire, dans laquelle le stockage thermique saisonnier par puits géothermiques est modélisé par des TYPEs de la suite.

Abstract

This thesis describes the development and the validation of a progressive suite of models for the simulation of geothermal heat exchangers in the TRNSYS environment. A new vertical geothermal heat exchanger model that accounts for transient behavior in the borehole is first presented. This is a quasi 3D model where the borehole is divided into successive layers. The cross-section of each layer is modeled by the ‘thermal resistance and capacity model' (TRCM) approach. It is first described for a single U-tube borehole and then adapted for a double U-tube borehole with two independent circuits. The proposed TRCM model for a single U-tube is then validated against other models including a fully discretized 3D model. It is also successfully compared to three experimental cases. Four models of simple vertical geothermal heat exchangers (single borehole) have been implemented as components (TYPEs) in the TRNSYS environment. The first is a single U-tube borehole model, whose interest is mainly pedagogical: introduction to concepts associated to geothermal heat exchangers and simulation tools for geothermal heat exchangers. The second is a double U-tube borehole with two independent circuits. The third and the fourth models correspond to the proposed TRCM models mentioned above for single and double U-tubes. In the last part, these four simple borehole models are adapted for modeling bore fields leading to the development of four other TYPEs. These bore field models use g-functions. g-functions are generated by a preprocessor to calculate the bore field thermal response factor for any given spatial positions of each borehole. Finally, an example of an annual simulation of a solar community is presented in this thesis, in which the borehole thermal energy storage system is modeled by the TYPEs of the suite.