Facteurs de réponse de puits géothermiques pour courts pas de temps

Bien que gagnant en popularité, les systèmes de pompe à chaleur géothermiques sont encore limités par un fort coût initial et un retour sur investissement relativement long. Ces frais pourraient être diminués en améliorant les méthodes de conception de puits pour que le système ne soit pas surdimensionné. La prise en compte du régime transitoire à l'intérieur du puits fait partie de ce perfectionnement, puisqu'il est d'ores et déjà montré que les effets capacitifs permettent de diminuer la longueur de puits requise. Ce travail vise donc à fournir des facteurs de réponse universels et précalculés pour faciliter l'intégration du comportement transitoire des puits dans la simulation et le design des systèmes. Un nouveau modèle unidimensionnel est donc créé dans un premier temps pour décrire l'évolution thermique du puits pour les courts pas de temps. Ce modèle hybride résout simultanément le transfert thermique interne au puits via une méthode numérique et celui du sol via la solution analytique de la source cylindrique infinie. Ce modèle permet de confirmer l'importance de la considération de toutes les capacités du puits, dont celle du fluide dans la simulation à court terme. Ce modèle est ensuite utilisé pour générer de nouveaux facteurs de réponse à court pas de temps. Ces facteurs, inspirés des g-function d'Eskilson (1987), se basent sur la température du fluide plutôt que celle de la paroi, mais sont conçus pour converger vers les g-functions à long terme. De nouveaux paramètres adimensionnels sont définis pour assurer l'universalité de ces facteurs de réponse. L'équation de dimensionnement d'ASHRAE basée sur les g-function confirme sa validité avec les facteurs de réponses revisités. Ils sont alors utilisés pour démontrer l'influence des effets capacitifs sur le design en soulignant qu'une longueur plus courte est obtenue en comparant avec la méthode originale. Finalement, ce nouvel outil simple de calcul du comportement thermique en régime transitoire est rendu accessible par l'intermédiaire de graphiques universels de nouveaux facteurs de réponse ainsi que par une base de données de facteurs couvrant un large éventail de propriétés de puits géothermiques.

Abstract

Ground source heat pump systems are gaining popularity. However, their use is still limited by a high initial cost and a long return on investment. Those expenses could be reduced with an improvement in the design methods to avoid oversized systems. Consideration of the dynamic process occurring inside the borehole is part of this enhancement, because it has already been proven that capacity effects decrease the required borehole length. This work aims to create universal and precalculated response factors to ease the integration of transient borehole behavior in system simulation and design. First, a new unidimensional model is developed to describe the thermal evolution of boreholes during short time steps. This hybrid model solves simultaneously the heat transfer inside the borehole with a numerical method and the heat transfer in the ground with the infinite cylindrical source solution. This model confirms the importance of considering all thermal capacities in the borehole, including the fluid, in the short time simulations. Second, this model is used to generate new short time response factors. These factors, inspired by Eskilson's (1987) g-functions, are based on the mean fluid temperature instead of the borehole wall temperature. However, they are built to merge with the original g-function in the long-time domain. New non-dimensional parameters are defined to characterize the short time response factors. The ASHRAE design equation based on g-function is still valid with the new response factors. Consequently, they are used to demonstrate the influence of capacity effects on the required borehole length. It is shown that the calculated borehole length is shorter than with the classic method. Lastly, this simple tool for the calculation of transient thermal behavior is used to generate easy-to-use graphs and a database of short-time response factors covering a large range of ground heat exchangers system properties.