Amélioration de la simulation et de l'opération des puits à colonne permanente par des modèles adaptés aux contextes réels et incertains

« RÉSUMÉ : Les pompes à chaleur géothermiques offrent une solution pour atteindre les objectifs canadiens de carboneutralité dans le secteur du bâtiment. Grâce à leurs performances élevées, ces systèmes assurent également une réduction de l’appel de puissance électrique sur les réseaux. Parmi les différents types d’échangeurs de chaleur souterrains, les puits à colonne permanente se distinguent par leur efficacité thermique supérieure, leur coût de construction moindre et leur capacité à s’adapter à des milieux aux urbains denses. Tout ceci est dû à plusieurs facteurs, à savoir une construction profonde et ouverte au roc, l’échange de chaleur direct avec l’eau souterraine, une flexibilité offerte par la gestion des débits de circulation et par l’opération d’une saignée. À cet effet, l’activation d’une saignée engendre un écoulement convergent forcé d’eau souterraine, ce qui renforce considérablement le transfert thermique par advection et donc également les performances thermiques du système. Pour soutenir les objectifs de carboneutralité dans le secteur du bâtiment, l’implantation des puits à colonne permanente doit être accélérée et il convient de fournir aux professionnels les outils nécessaires pour concevoir et opérer plus simplement ces échangeurs. Les outils requis doivent notamment inclure des modèles et méthodes de simulation adaptés à la dynamique hydraulique et thermique relative à l’opération des puits à colonne permanente. Les modèles analytiques offrent généralement une grande rapidité de calcul, permettant d’accéder à des analyses de sensibilité et à des études stochastiques. À ce jour, pour les puits à colonne permanente, un seul modèle analytique considère le transfert de chaleur advectif sollicité par l’opération de la saignée, mais ce modèle n’a toutefois pas été validé expérimentalement. Puis, les modèles numériques incluent un niveau de détail supérieur, tel que les phénomènes régionaux, les interactions entre plusieurs puits et le contexte hydrostratigraphique, notamment une l’hétérogénéité sous forme de couches horizontales. Cette sophistication rend ces derniers complexes à concevoir et requiert davantage de puissance de calcul. Une dernière gamme concerne les modèles empiriques expérimentaux construits à l’aide d’algorithmes de déconvolution. Par construction, ces derniers sont moins flexibles que les autres types de modèles, mais deviennent essentiels pour analyser la performance thermique des systèmes et évaluer le comportement des puits à colonne permanente selon différentes stratégies d’opération. Les principales stratégies comprennent la recirculation complète ou l’opération d’une saignée. »

Abstract

« ABSTRACT : Ground source heat pumps offer a solution to meeting Canada’s net-zero emissions targets in the building sector. Because of their high performance, these systems also enable a reduction in peak electricity demand on the grid. Among the various types of ground heat exchangers, standing column wells stand out for their superior thermal efficiency, lower construction costs and ability to adapt to dense urban environments. This is due to a number of factors, including deep and open construction in rock, direct heat exchange with groundwater and the flexibility offered by flow management and bleed activation. To this end, the bleed operation creates a forced convergent flow of groundwater, which significantly enhances heat transfer by advection and therefore the thermal performance of the system. To support net-zero targets in the building sector, the implementation of standing column wells needs to be accelerated and professionals need to be given the tools to design and operate these exchangers more simply. In particular, the tools required must include simulation models and methods adapted to the hydraulic and thermal dynamics involved in their operation. Analytical models generally offer high computational speed, enabling sensitivity analysis and stochastic studies. To date, only one analytical model for standing column wells considers advective heat transfer associated with the bleed operation, yet this model has not been experimentally validated. In comparison, numerical models incorporate a higher level of detail, such as regional phenomena, the interactions between multiple wells and the hydrostratigraphic context, particularly heterogeneity in the form of horizontal layers. This sophistication makes them complex to design and requires more computing capacity. The last category concerns empirical models built using deconvolution algorithms and experimental data. The latter category is less flexible by design than other types of models, but is essential for analyzing the thermal performance of systems and evaluating the behavior of standing column wells under different operating strategies. The main strategies include full recirculation or bleed operation. However, the bleed operation generally requires the use of an injection well to return the water to the original aquifer, which incurs additional well construction and maintenance costs. To solve this problem, a reinjection strategy exists to maintain discharge among standing column wells, but its performance has never been demonstrated with an actual building in operation.»