Stockage thermique saisonnier par puits géothermiques pour bâtiments résidentiels équipés de panneaux photovoltaïques-thermiques

Les performances énergétiques d'un système géothermique avec injection de chaleur depuis des panneaux photovoltaïques-thermiques sont évaluées dans le cas d'une maison unifamiliale située à Montréal. Contrairement aux systèmes de pompes à chaleur géothermiques classiques, le ou les puits comportent deux circuits indépendants. Ainsi, il est possible d'injecter de la chaleur dans les puits depuis les panneaux solaires et d'en extraire à l'aide de la pompe à chaleur de manière simultanée. Le système est tout d'abord analysé pour un seul puits à l'aide de simulations dans l'environnement TRNSYS. Les résultats montrent que l'injection d'énergie dans le puits augmente l'efficacité du système et limite la réduction de ses performances due au déséquilibre des charges au sol. Toutefois, une partie de l'énergie injectée durant l'été est perdue par diffusion thermique vers le sol environnant et un seul puits géothermique n'est pas adapté pour le stockage thermique saisonnier. Le même système est étudié en remplaçant le puits géothermique par un champ de puits de faible profondeur. Cette analyse a permis de mettre en évidence la possibilité de réaliser un stockage thermique saisonnier de type BTES à l'échelle d'une maison unifamiliale. Le système présente alors des performances énergétiques supérieures à celle du système à un puits avec recharge solaire du sol mais occupe un volume de stockage important. Dans le dernier volet de ce mémoire, une étude préliminaire d'un système comportant un stockage latent sous forme de glace est présentée. Les résultats sont comparés à ceux du stockage de type BTES en matière de performance énergétique et de configuration requise. Le stockage de type BTES nécessite un volume de stockage important mais présente une efficacité énergétique globale élevée. Le système avec stockage de glace est constitué d'un volume bien plus faible mais il ne semble pas permettre d'atteindre des performances similaires à celle du BTES, le niveau de température à l'entrée de la pompe à chaleur étant alors limité par la faible température de stockage. Ses performances sont cependant comparables à celle d'un système de pompe à chaleur géothermique classique, c'est-à-dire sans recharge solaire du sol.

Abstract

The energy efficiency of a ground-source heat pump system with solar heat injection from photovoltaic-thermal panels is evaluated. The system provides heat to a single-family house located in Montreal. Unlike conventional GSHP systems, the borehole, or boreholes, is equipped with two independent fluid circuits. Thus, it is possible to inject heat from the solar panels and extract energy with the heat pump simultaneously. First, the system is analyzed with a single borehole using numerical simulations within the TRNSYS environment. Results show that the heat injection in the borehole increases the efficiency of the system and limits the reduction in performance caused by unbalanced ground loads. However, part of the heat injected during the summer is lost by thermal diffusion to the ground surrounding the borehole and a single borehole is not appropriate for seasonal thermal energy storage. A study of the same system is performed after replacing the single borehole by a borefield consisting of 15 shallow boreholes. This analysis points out the technical feasibility of seasonal borehole thermal energy storage (BTES) systems for residential applications. Such a system reaches a higher energy efficiency than the system including a single borehole with solar charging but requires a large storage volume. The last part of this thesis presents a preliminary study of an ice storage system. The results are compared to the BTES in terms of energy efficiency and needed configuration. The system with BTES requires a large storage volume but achieves a high overall energy efficiency. The ice storage system involves a much smaller storage volume but does not seem to be able to reach an energy efficiency similar to the BTES, the heat pump inlet temperature being limited by the low storage temperature. However, the overall energy efficiency of this system is similar to conventional GSHP systems, i.e. without solar charging.