Amélioration de la conception de systèmes de pompes à chaleur géothermiques

Geothermal heat pump systems have the potential to reduce building energy consumption and greenhouse gas emissions. However, these systems may require a larger initial investment compared to more common heating and cooling equipment. They are also complex to design and simulate. This work aims to improve the design of geothermal systems and to better understand their operation to size them according to their real behavior and to predict precisely their energy consumption. Circulators are studied first. The study presents correlations allowing an estimation of their efficiency as a function of the hydraulic power. It was found that the efficiency of recent circulators is about twice as high as those found in older circulators. Accounting for the fluid and grout thermal capacity has a significant impact on the sizing of geothermal boreholes. Simulation results using a Thermal Resistance and Capacitance (TRC) model indicate that the required borehole lengths may be underestimated by up to 31% or overestimated by up to 24% when compared to ASHRAE sizing equation, which neglects borehole thermal capacity. The antifreeze used in boreholes also affects the performance of a geothermal system. Pumping power, borehole heat transfer, laminar-turbulent transition and heat pump capacity depend on the chosen antifreeze type and concentration. Simulations using different types of antifreeze show that methanol is the least penalizing antifreeze and that a low flow rate of 0.027 L/s-kW (1.5 usgpm/ton) should be favored over the common flow rate of 0.054 L/s-kW (3 usgpm/ton). Low flows cause occasional laminar flow in boreholes, decreasing heat transfer. However, this reduction is offset by a lower pumping power. Finally, a new simulation tool for estimating the energy consumption of one- and two-pipe geothermal systems is proposed. Case studies have shown that a one-pipe network requires up to 36% less pumping energy than a two-pipe system. However, it presents an overall energy consumption up to 5% higher due to unfavorable heat pump inlet temperatures.

Résumé

Les systèmes de pompes à chaleur géothermiques ont le potentiel de réduire la consommation énergétique des bâtiments ainsi que les émissions de gaz à effet de serre. Cependant, ces systèmes peuvent nécessiter un investissement initial plus important par rapport à des équipements de chauffage et de climatisation plus communs. Ils sont également complexes à concevoir et à simuler. Ce travail vise donc à améliorer la conception des systèmes géothermiques et à mieux comprendre leur fonctionnement afin de les dimensionner selon leur comportement réel et de prédire précisément leur consommation énergétique. Les circulateurs sont d'abord étudiés. L'étude présente des corrélations permettant de prédire leur rendement en fonction de la puissance hydraulique à fournir. Il ressort de cette étude que les circulateurs récents ont des rendements environ deux fois plus élevés que les anciens circulateurs. L'inclusion de la capacité thermique du fluide et du coulis a un impact notable sur le dimensionnement des puits géothermiques. En effet, les résultats de simulations utilisant un modèle de puits de type Thermal Resistance and Capacitance (TRC) indiquent que les longueurs de puits requises peuvent être sous-estimées jusqu'à 31% ou surestimées jusqu'à 24% par rapport à l'équation de dimensionnement de l'ASHRAE, qui néglige la capacité thermique des puits. Les antigels utilisés dans les puits affectent également les performances d'un système géothermique. La puissance de pompage, l'échange thermique dans les puits, la transition laminaire-turbulent et la capacité d'une thermopompe sont fonction du type et de la concentration d'antigel utilisé. Des simulations utilisant différents types d'antigel ont démontré que le méthanol est l'antigel le moins pénalisant et qu'un faible débit de 0.027 L/s-kW (1.5 usgpm/tonne) est à favoriser par rapport au débit courant de 0.054 L/s-kW (3 usgpm/tonne). Les faibles débits engendrent un écoulement laminaire occasionnel dans les puits, ce qui entraîne une baisse du transfert de chaleur. Cependant, cette baisse est compensée par une puissance de pompage plus faible. Finalement, un nouvel outil de simulation servant à évaluer la consommation énergétique des systèmes géothermiques à un ou deux tuyaux est proposé. Des études de cas ont démontré qu'un réseau à un tuyau nécessite jusqu'à 36% moins d'énergie de pompage qu'un réseau à deux tuyaux. Cependant, il consomme globalement jusqu'à 5% plus d'énergie à cause des températures d'entrée défavorables aux pompes à chaleur.