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.