Control Strategies for Standing Column Wells in a Cold Climate

Les puits à colonne permanente sont des échangeurs géothermiques relativement profonds qui ont pour particularité d'utiliser directement l'eau souterraine comme fluide caloporteur. L'eau est généralement pompée à la base du puits grâce à une pompe submersible jusqu'à un échangeur à plaques. Ce dernier fait le lien entre la boucle d'eau souterraine et la boucle d'eau du bâtiment sur laquelle sont connectées des pompes à chaleurs décentralisées qui assurent le chauffage et la climatisation du bâtiment. L'eau est ensuite réinjectée en haut du puits sous le niveau dynamique à l'aide d'un tuyau de réinjection. Avant d'être réinjectée dans le puits, jusqu'à 30% de l'eau souterraine peut être déviée vers un puits d'injection (ou une autre destination) ce qui a pour effet d'attirer de l'eau, à une température proche de celle du sol non perturbé, à travers les fractures du sol dans le puits à colonne permanente et ainsi d'augmenter sa performance thermique. Ce processus est aussi appelé ‘saignée'. Ce type d'échangeur implique des forages relativement longs, mais leur efficacité thermique permet de réaliser des économies par rapport à des puits en boucles fermée. La boucle d'eau du bâtiment comporte aussi des auxiliaires de chauffage et de refroidissement qui prennent le relai quand l'échangeur souterrain ne peut répondre à la demande du bâtiment, particulièrement lors des pointes de demande. La consommation énergétique de ces systèmes provient des pompes à chaleur, de l'énergie de pompage, et de l'énergie consommée par les systèmes auxiliaires. Les coûts d'opération peuvent aussi être influencés par la pointe de puissance appelée par le système. D'un autre côté, la saignée implique des impacts environnementaux et peut être reliée à des contraintes d'opération techniques et légales, et il est donc intéressant de limiter le volume d'eau saignée du puits. Le but de cette recherche est d'explorer et de recommander des stratégies de contrôle des bâtiments équipés de puits à colonne permanente pour le pompage, la saignée, les consignes de température du bâtiment et des systèmes auxiliaires, dans le but d'améliorer l'efficacité énergétique du système et les coûts d'opération, tout en limitant le volume d'eau souterraine saignée. Ce travail de recherche comporte le développement d'un modèle de bâtiment de bureau détaillé en plusieurs zones chauffées et climatisées par des pompes à chaleur décentralisées. Le modèle a été réalisé avec le logiciel TRNSYS pour la partie bâtiment tandis que l'échangeur géothermique est modélisé dans Matlab. Une étude des pertes de charge dans la boucle d'eau souterraine a été réalisée pour une meilleure précision de l'évaluation des stratégies de pompage de façon à prendre en compte l'impact de la saignée sur l'énergie de pompage.

Abstract

Standing column wells (SCWs) are a type of ground heat exchanger which relies on relatively deep wells and uses groundwater directly as the heat transfer fluid. The groundwater is generally pumped at the bottom of the well with a submersible pump to a plate heat exchanger. This heat exchanger is the connection between the ground loop and the building loop which supplies the source side of distributed heat pumps providing heating and cooling to the building. The groundwater is then reinjected at the top of the well below the dynamic level of the aquifer with a rejection pipe. Before being reinjected, up to 30% of the groundwater may be diverted into an injection well (or another destination). This has the effect to attract groundwater at a temperature close to the undisturbed ground temperature from the ground fractures in the aquifer into the standing column well, which will increase its thermal performance. This process is also called ‘bleed'. Although this type of ground heat exchanger relies on relatively deep wells, their high heat exchange capacity can lead to cost savings compared to closed-loop systems. SCW systems also include auxiliary devices for heating and cooling, which are used when ground heat exchanger is not sufficient to meet the building load, especially during peak periods. The energy use of SCW systems comes from the heat pumps, the submersible pump, and auxiliary heating and cooling devices. Operative costs are also influenced by the peak power demand of the system. On the other hand, bleed can be associated to environmental impacts and subject to technical and legal constraints, so there is an interest to limit the volume of groundwater bled. The goal of this research is to design and assess control strategies of the building for : pumping, bleed, and building and auxiliary setpoint temperatures with the aim of improving the overall energy efficiency and operative costs while minimizing the volume of groundwater bled. The work performed includes the development of a detailed model of an office building that includes fifteen thermal zone heated and cooled by decentralized heat pumps. The building and HVAC system are modelled in TRNSYS while the ground heat exchanger is modelled in Matlab. A detailed assessment of the head losses in the ground loop with and without bleed was performed in order to accurately represent the impact of bleed on the pumping energy needs, as this is a key aspect of the overall control optimization. Through the literature review, a ‘good practice' scenario was identified. This scenario combines typical practice and recommendations regarding SCW systems operation. Simulations are then performed to assess the impact of different control assumptions on the system performance, compared to this reference scenario. The simulations are separated in three main categories : pumping, bleed and building (including auxiliary) control strategies.