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Modélisation des systèmes géothermiques à boucles horizontales pour chauffer les bâtiments et prévenir la fonte du pergélisol

Pier-Olivier Fontaine

Master's thesis (2010)

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Abstract

In northern regions, due to climate change, the increase in the annual mean air temperature increases the depth at which the permanently frozen ground (permafrost) is located. This melting causes soil instability and therefore, the instability of the buildings and transport structures above it. These regions are highly dependent on fossil fuels as a large quantity is used to heat buildings and generate electricity. A solution to these problems is presented in this memoir. It involves using a heat exchanger coupled to a horizontal geothermal heat pump for both heating a building and maintaining the integrity of the permafrost beneath it. A new analytical model for horizontal ground heat exchanger based on the finite line source is presented. This model extends to the transient case in the soil and to any desired pipe layout the steady state results for parallel horizontal pipes of Claesson et Dunand (1983). The heat transfer ratio can change along the pipe. The analytical model can not account for the groundwater phase change given the complexity of the phenomenon. When there is no phase change the analytical model is validated by a 3D finite element numerical model. When the phase change is accounted for in the numerical model, for weather data from northernregions, the analytical model still provides good approximations to the ground temperature during the intensive heating season, hence allowing to compute the heat extracted by the ground heat exchanger (GHE). However, summer ground temperature and thaw depth are overestimated by the analytical model, so that the analytical model gives conservative results.

Résumé

Dans les r´egions nordiques et dans un contexte de changements climatiques, l'augmentation accrue de la temp´erature moyenne annuelle de l'air a pour cons´equence d'augmenter la profondeur `a laquelle le sol gel´e en permanence (perg´elisol) se trouve. Cette fonte cause l'instabilit ´e du sol et donc, celle des bˆatiments et des structures de tranports s'y appuyant. De plus, ces r´egions d´ependent grandement des combustibles fossiles pour chauffer les bˆatiments et produire l'´electricit´e. Une solution `a ces probl`emes est pr´esent´ee dans ce m´emoire. Il s'agit d'utiliser un ´echangeur g´eothermique horizontal coupl´e `a une pompe `a chaleur pour `a la foischauffer un bˆatiment et conserver l'int´egrit´e du perg´elisol sous celui-ci. Un nouveau mod`ele analytique pour boucle horizontale bas´e sur la m´ethode de la sourcelin´eique finie est pr´esent´e. Ce mod`ele est l'extension au cas transitoire dans le sol, et pour n'importe quelle disposition de tuyaux en s´erie, du mod`ele en r´egime permanent pour tuyaux parall`eles de Claesson et Dunand (1983). Il permet d'avoir une variation de flux le long del'´echangeur g´eothermique. Le mod`ele analytique ne peut pas tenir compte du changement de phase de l'eau souterraine ´etant donn´e la complexit´e du ph´enom`ene. Lorsqu'il n'y a pas de changement de phase, le mod`ele analytique est valid´e par un mod`ele num´erique d'´el´ements finis 3D. Une comparaison entre un mod`ele num´erique tenant compte du changement de phase et le mod`ele analytique utilisant les param`etres thermiques d'un sol gel´e en permanence a ´et´e faite. Les r´esultats de cette comparaison ont d´emontr´e que lemod`ele analytique procure toujours une bonne approximation de la temp´erature du sol pendant la p´eriode annuelle dechauffage intensif et par le fait mˆeme, il permet de bien estimer la quantit´e d'´energie retir´ee du sol par l'´echangeur g´eothermique souterrain (EGS). En ´et´e, la temp´erature du sol et l'´epaisseur du mollisol sont surestim´es par le mod`ele analytique ce qui fait que le mod`ele analytique donne des r´esultats conservateurs.
Department: Department of Civil, Geological and Mining Engineering
Program: Génie minéral
Academic/Research Directors: Denis Marcotte
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/498/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 21 Mar 2011 13:59
Last Modified: 10 Nov 2022 11:06
Cite in APA 7: Fontaine, P.-O. (2010). Modélisation des systèmes géothermiques à boucles horizontales pour chauffer les bâtiments et prévenir la fonte du pergélisol [Master's thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/498/

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