Pompes à chaleur géothermiques utilisant des banques thermiques à matériau à changement de phase

Un mode d'emploi pour le dimensionnement de champs de puits géothermiques verticaux en boucle fermée selon la méthode d'ASHRAE est présenté. Un bâtiment en construction à Montréal est utilisé à titre d'exemple. Ce mode d'emploi permet à un ingénieur concepteur de dimensionner convenablement un échangeur géothermique sans l'utilisation de logiciels spécialisés. Le même bâtiment sert à la réalisation d'une étude pour évaluer l'impact de l'ajout de réservoirs d'eau servant de stockage thermique tampon sur les systèmes géothermiques. Les résultats de cette étude montrent que la longueur des puits peut être réduite d'environ 15 % en utilisant des réservoirs d'eau de 120 m3. Toutefois, l'impact sur la consommation énergétique des pompes à chaleur est considérée négligeable. Dans un autre volet de cette étude, un nouveau modèle de réservoir de stockage thermique utilisant les matériaux à changement de phase (MCP) est proposé pour une utilisation dans l'environnement TRNSYS. Ce modèle transitoire est basé sur la méthode « enthalpie » à une dimension et considère des conteneurs rectangulaires remplis de MCP. Ces conteneurs sont empilés les uns sur les autres de façon à permettre le passage d'un fluide caloporteur entre eux. Le modèle proposé est vérifié à l'aide de solutions analytiques et une comparaison inter modèle est réalisée avec la méthode de la « capacité thermique équivalente ». Pour toutes ses vérifications, de très bons résultats sont obtenus. Finalement, le modèle proposé est utilisé afin d`évaluer l'impact du stockage thermique à MCP sur les systèmes géothermiques. Des simulations TRNSYS sont réalisées et le même bâtiment est encore une fois utilisé à cette fin. Les performances du modèle proposé sont comparées à celles des réservoirs d'eau utilisés précédemment. La réduction du volume de stockage réalisable par l'utilisation de MCP comme médium de stockage est évalué à 69 %. Le transfert de chaleur entre le MCP et le fluide caloporteur et celui dans le MCP sont analysés grâce aux simulations réalisées afin de mieux comprendre le stockage d'énergie sous forme latente. La distribution de température dans le MCP à l'entrée et à la sortie du réservoir et l'impact de celle-ci sur la température du fluide caloporteur à différents moments est montrée.

Abstract

A detailed calculation methodology for the sizing of a vertical, closed loop geothermal borefield based on the ASHRAE method is presented. A building under construction located in Montreal is used as an example. This simple calculation procedure allows design engineers to conveniently size a geothermal heat exchanger without the use of specialized software. The same building is used to estimate the impact of water tanks, used as short term thermal storage, on geothermal systems. The results of this study show that the length can be reduced by 15 % but that the impact on energy consumption is negligible. A new model of thermal storage tanks using phase change materials (PCM) is proposed for use within the TRNSYS environment. This one-dimensional transient model is based on the « enthalpy » method and considers a rectangular container filled with PCM. These containers are stacked such as to allow a heat transfer fluid to pass through them. The model is verified with analytical solutions and an inter model comparison is achieved with the « heat capacity » method. These verification tests show a very good agreement between the results. Finally, the proposed model is used to evaluate the impact of PCM thermal storage tanks on geothermal systems. TRNSYS simulations are run using the same building loads. Performances of the proposed PCM thermal storage tanks are compared to those of the water tanks previously studied. When compare to water tanks, PCM tanks can achieve a volume reduction of 69 %. The heat transfer processes between the PCM and the heat transfer fluid as well as within the PCM itself are also analyzed. Temperature distribution within the PCM at the entrance and exit of the tank and its influence on the heat transfer fluid for different times is presented.