Développement et validation expérimentale de facteurs de réponse thermique pour champs de puits géothermiques

Le design et la simulation des systèmes géothermiques à puits verticaux reposent sur une modélisation précise du transfert de chaleur entre le fluide caloporteur circulant dans les puits et le sol. Les facteurs de réponse thermique, ou g-functions, sont couramment utilisés afin de prédire la variation de température à la paroi des puits suite à l'extraction ou à l'injection de chaleur dans le sol. Cette thèse présente un modèle utilisant la solution analytique de la source ligne finie afin de calculer les g-functions avec une exactitude comparable et une efficacité supérieure aux modèles numériques relevés dans la littérature. Les puits sont divisés en segments et une solution étendue de la source ligne finie est présentée afin d'évaluer la variation de température à la paroi des segments de puits suite à l'extraction de chaleur à chacun des segments. Le modèle tient compte de l'interaction thermique entre les puits géothermiques en imposant une condition de température uniforme à la paroi des puits, égale pour tous les puits. Un système d'équations est construit à partir des superpositions spatiale et temporelle dans le domaine de Laplace afin de considérer la variation temporelle des taux d'extraction de chaleur de tous les segments de puits. La solution du système d'équations donne la g-function du champ de puits. Le modèle est comparé à des g-functions obtenues à partir d'un modèle numérique. Le modèle analytique est utilisé dans une application pratique afin d'étudier l'effet de la position et du nombre de puits dans un champ de puits géothermiques sur la longueur totale requise. Des champs de puits sont dimensionnés pour deux scénarios de charges au sol en faisant varier la position et le nombre de puits dans les champs. L'analyse montre que la position des puits dans les champs a peu d'effet (moins de 1%) sur la longueur totale requise. En retirant des puits, la longueur totale requise a pu être réduite de 2%. La g-function d'un puits géothermique miniature de 400 mm de longueur est obtenue expérimentalement à partir d'un montage conçu et fabriqué pour la présente étude. La température à la paroi du puits est mesurée à partir d'une série de 22 thermocouples. Le puits est inséré au centre d'un réservoir de sable dont les propriétés thermiques sont connues. Une puissance thermique constante est injectée dans le puits et la g-function est évaluée à partir de cette puissance et des mesures de température à la paroi du puits.