Étude du transfert thermique transitoire dans les puits géothermiques à quatre tuyaux

Ce mémoire vise principalement à valider un modèle numérique de puits géothermiques à quatre tuyaux opérant en régime transitoire. Pour ce faire, un puits géothermique à échelle réduite muni de quatre tuyaux et deux circuits indépendants a été conçu et fabriqué. Le puits est installé à l'intérieur d'un bac à sable existant contenant du sable dont les propriétés thermiques sont bien connues. Pour faire office de coulis, des cylindres de céramique, aux propriétés thermiques connues, ont été usinés et assemblés et quatre tuyaux en acier inoxydable y ont été insérés. Le puits est équipé de multiples sondes de températures qui ont été soigneusement étalonnées. Un programme d'acquisition de données a été conçu afin d'enregistrer la totalité des mesures réalisées sur le puits avec une période d'échantillonnage de 0.1 s. À l'aide de ce montage expérimental, deux essais expérimentaux ont été analysés : pour le premier, les températures d'entrée des deux réseaux sont semblables (70 C) alors qu'une différence de 60 C entre les deux réseaux est utilisée dans le second essai. Le modèle numérique représentant un puits à quatre tuyaux présenté par Godefroy (2014) a été modifié car il ne permettait pas de modéliser correctement le puits miniature utilisé dans la présente étude. Pour le premier essai, les températures de sortie prédites numériquement sont différentes de celles mesurées expérimentalement au début du test mais l'accord est nettement meilleur (à l'intérieur de l'incertitude expérimentale) après une période de 1000 s. Pour le deuxième essai, les températures de sortie prédites numériquement sont différentes de celles mesurées expérimentalement du début jusqu'à la fin du test. Quelques hypothèses sont présentées pour expliquer les différences observées. Ainsi, une analyse de sensibilité a montré que la précision du coefficient d'échange interne était cruciale. Expérimentalement, il semble y avoir un problème avec le virage à 180 ° au bas du puits. En effet, les mesures expérimentales montrent un écart significatif entre les températures en amont et en aval du virage ce qui semble indiquer qu'il y a des pertes de chaleur vers le sable et/ou un échange de chaleur entre les deux réseaux.

Abstract

The goal of this thesis is to validate a double U-tube borehole model operating in transient conditions. A small-scale miniature double U-tube borehole was designed and built for that purpose. The borehole is installed in an existent tank containing laboratory grade sand with known thermal properties. The borehole grout was made of ceramic with known thermal properties. The ceramic cylinders were machined and assembled with four stainless steel pipes so as to form a borehole. The borehole was equipped with several calibrated temperature sensors. A data acquisition system was designed to record all measurements at a sampling period of 0.1 s. Using this experimental setup, two experiments were conducted : the first test had similar inlet temperatures (70 C) for the two U-tubes and the second one had a 60 C difference between the two U-tubes. The numerical model representing a double U-tube borehole presented by Godefroy (2014) was adapted as it was not able to correctly model the experimental borehole used in this study. For the first test, there is a difference between the numerically predicted outlet temperatures and the ones measured experimentally at the beginning of the test. This difference decreases quickly and the predicted temperatures fall within the measurement uncertainty after 1000 s. For the second test, the numerically predicted outlet temperatures are outside of the measurement uncertainty for the total duration of the test. Several factors can explain these differences. For instance, a sensitivity analysis revealed the large influence of the internal heat transfer coefficient. For the experimental setup, it seems that there is a problem with the 180 turn at the bottom of the borehole. A large difference between upstream and downstream temperatures measured at this location seems to indicate that there is non-negligible heat losses to the sand and/or heat transfer between the two U-tubes in the 180 turn.