L'influence des bâtiments et de l'inclinaison des forages sur le dimensionnement des systèmes géothermiques

Pour les nouvelles constructions, il arrive souvent que les forages g´eothermiques soient positionn´es sous la dalle du bˆatiment plutˆot qu'`a l'ext´erieur. Ceci peut ˆetre dˆu `a un manque d'espace, par exemple en milieu urbain, ou `a un simple choix de conception. Pr´esentement, les mod`eles analytiques disponibles ne tiennent pas compte de l'interaction thermique entre le bˆatiment et le sol. Cette simplification pr´esume que le syst`eme g´eothermique est situ´e `a l'ext´erieur du bˆatiment, ce qui peut engendrer des failles lors du dimensionnement du syst`eme. La perturbation thermique que cr´ee un bˆatiment augmente la temp´erature moyenne du sol sous le bˆatiment. Notre hypoth`ese de travail est la suivante : lorsque le syst`eme g´eothermique est en mode de chauffage dominant, un effet positif de la dalle sera enregistr´e et inversement lorsque le syst`eme est en mode dominant de climatisation, un effet n´egatif sera enregistr´e. L'approche propos´ee se base sur le principe de superposition dans l'espace. Il faut tout d'abord mod´eliser par ´el´ements finies (FEM) un bˆatiment dans le sol et par l'´equation de chaleur quan- tifier le transfert de chaleur d'un bˆatiment 3D au sol. Par la suite, le mod`ele thermique de bˆatiment est superpos´e `a la r´eponse analytique d'un champ de puits g´eothermiques. Ceci pose donc l'hypoth`ese que la temp´erature dans le sol s'additionne en tous points. Il est int´eressant d'observer l'influence de facteurs tels que la taille du bˆatiment, la pr´esence d'isolation entre la dalle et les forages, le climat et l'inclinaison des forages sur la temp´erature du sol. Les travaux visent `a tester l'approche sur des cas synth´etiques, mais aussi `a l'aide de donn´ees r´eelles. Le mod`ele de bˆatiment se limite au r´egime permanent, tandis que la r´eponse analy- tique du champ de puits est en r´egime transitoire. Cette ´etude d´emontre que l'effet du bˆatiment peut ˆetre soit favorable ou d´efavorable selon le profil de charges au sol. Si celui-ci est d´es´equilibr´e en climatisation, son effet est n´egatif et inversement, si les charges au sol sont dominantes en chauffage, son effet est positif. Lorsqu'il y a un d´ebalancement en faveur de la climatisation la temp´erature du fluide `a l'entr´ee (EWT) de la pompe `a chaleur (PAC) augmente au fil du temps et tend `a atteindre la limite sup´erieure de la PAC. L'ajout de la dalle dans ce cas ne fera qu'augmenter le EWT et favorisera une perte d'autonomie du syst`eme. Cependant, lorsque la charge en chauffage est dominante, la temp´erature du fluide `a l'entr´ee de la pompe `a chaleur suit la tendance inverse et diminue dans le temps. La limite inf´erieure de la PAC peut donc ˆetre atteinte. Puisque l'effet du bˆatiment augmente le EWT, celui-ci est b´en´efique et augmente l'autonomie du syst`eme.

Abstract

In new constructions, it often happens that Ground-Loop Heat Exchangers (GLHE)are positioned beneath the building foundation rather than outside. This can be due to a lack of space, for example in urban zones, or a simple choice of conception. At present, the available analytical models do not account for the thermal interaction between the building and the ground. This simplification means that we consider the geothermal system to be located outside of the building, what might bring errors for the sizing of the system. The thermal disturbance created by the building increases the average temperature of the ground beneath it. Our assumption is the following: when the geothermal system is operating in dominant heating mode, the effect of heat transferred from the building will be positive; it will be negative when operating in the dominant cooling mode. The proposed approach is based on the superposition principle in space. It is necessary to begin with a finite element model (FEM) of a building into the ground and by applying the heat equation we quantify the heat transfer of a 3D building into the ground. Afterward, the building thermal model is superposed with the analytical answer of a GLHE. We assume the temperature variations obtained from two models can be added everywhere. It is interesting to observe that factors such as the size of the building, the presence of insulation between the slab and the GLHE, the climate and the inclination of the boreholes interfere with the ground temperature. This works aim at testing the approach on synthetic cases, but also by means of real data. The building model is in steady state, whereas the ground analytical response is in transient state. This study demonstrates that the effect of the building can be favourable or unfavourable according to the heat load profile to the ground. If it is unbalanced in cooling, the effect is negative whereas if the heat loads to the ground are dominant in heating, it' effect is positive. When there is unbalanced loads in cooling, the temperature of the fluid entering the heat pump (EWT) increases in time and aims to reach the superior limit of the heat pump. The addition of the heat generated by the building in that case will increase EWT and will induce a loss of autonomy of the system. However, when the heat loads to the ground are heating dominant, the temperature of the fluid entering the heat pump follows the inverse tendency and decreases in time. The lower limit of the heat pump can be reached. Because the effect of the building is increasing the EWT, it is worthwhile for the autonomy of the system.