Stockage thermique saisonnier dans un champ de puits géothermiques verticaux en boucle fermée.

A new closed-loop vertical geothermal heat exchanger model is proposed for use within the TRNSYS environment. Two main features distinguish this model from other models. It allows the study of borefields where the spatial position of each borehole is defined by the user and where two independent borehole networks can be modeled (one working in charge mode while the other one is in discharge mode, for example). The proposed model relies on the finite-line source method coupled with spatial and temporal superposition techniques to represent the unsteady heat transfert process occuring in the ground. The proposed model is successfully validated by comparison with seven experimental cases. In addition, its results are compared to those of the DST model. In another part of this study, the calculation methods from a reference model, the DST model, are brought to light. The limitations of the DST model are demonstrated by comparison to the proposed model. The DST model is inappropriate when the boreholes to be modeled are not uniformly placed around the center axis of the storage volume. In addition, a problem of discontinuity in the evolution of the calculated fluid outlet temperature from the DST model is also shown. A brief section explains how the DST model source code has been modified to consider configurations with two independent networks of U-tubes where each borehole contains one U-tube from each network. This modification enables to study the behavior of low temperature storage and improved thermal storage operation. Practical applications with the proposed model and with the modified DST model are presented as part of complex heating and cooling systems of buildings using thermal storage in the ground with solar recharging. The proposed model is also used to model the four pipes forming the two U-tubes inside a single borehole where each U-tube is part of an independent network. This study demonstrates that the proposed model correctly simulates the evolution of the fluid temperature at the outlet of a geothermal heat exchanger. Thus, it is recommended to use the proposed model instead of the DST model, especially when the boreholes to be modeled are not uniformly distributed around the center axis of the storage volume.

Résumé

Un nouveau modèle d'échangeur géothermique vertical en boucle fermée est proposé pour une utilisation dans l'environnement TRNSYS. Deux caractéristiques le distinguent des autres modèles. Il permet l'étude de champs de puits où la position de chaque puits est définie par l'usager et où deux réseaux indépendants de puits, un en mode charge et l'autre en mode décharge par exemple, peuvent être modélisés. Le modèle proposé mise sur la méthode de la ligne source finie couplée à la superposition spatiale et temporelle pour représenter le transfert de chaleur transitoire dans le sol. Le modèle proposé est validé avec succès par comparaison avec sept cas expérimentaux. De plus, ses résultats sont comparés à ceux issus du modèle DST. Dans un autre volet de cette étude, les méthodes de calcul d'un modèle de référence dans le domaine, le modèle DST, sont mises à jour. Les limitations de ce dernier sont mises en lumière par comparaison avec le modèle proposé. Ainsi, le modèle DST est inadéquat lorsque les puits de l'échangeur géothermique à modéliser ne sont pas répartis uniformément autour du centre du volume de stockage. De plus, un problème de discontinuité dans l'évolution de la température de sortie du fluide calculée par modèle DST est également exposé. Une brève section présente les modifications apportées au code source du modèle DST de manière à prendre en compte des géométries possédant deux réseaux indépendants de tubes en U où chaque puits contient un tube en U de chaque réseau. Cette modification vise l'étude du stockage thermique à basse température et l'amélioration de l'opération du stockage thermique. Des applications d'utilisation du modèle proposé et du modèle DST modifié sont présentées à l'intérieur de systèmes complexes de chauffage et de climatisation des bâtiments utilisant un stockage thermique dans le sol avec une recharge solaire. Une autre application du modèle proposé concerne la modélisation de quatre tuyaux formant deux tubes en U à l'intérieur d'un puits géothermique et branchés de façon à former deux réseaux indépendants. Cette étude démontre que le modèle proposé simule correctement l'évolution de la température du fluide à la sortie d'un échangeur géothermique. Il est donc recommandé de privilégier l'utilisation du modèle proposé plutôt que du modèle DST, surtout pour les champs de puits où les puits ne sont pas répartis uniformément autour du centre du volume de stockage.