Double U-Tube Geothermal Borehole Operation Under Phase Change Conditions

Les systèmes de pompe à chaleurs couplées à des échangeurs géothermiques verticaux constituent des alternatives intéressantes pour la climatisation/chauffage des espaces et le chauffage de l'eau chaude en raison de leur haute efficacité et de leur faible impact sur l'environnement. Cependant, les coûts de forage demeurent un obstacle à leur utilisation généralisée. Les coûts de forage sont directement reliés à la profondeur des puits. Dans le cas d'installations avec puits unique, la profondeur dépend principalement de l'extraction maximale de la chaleur du sol pendant le pic des charges de chauffage du bâtiment. Pour diminuer l'extraction maximale de chaleur du sol, il a été suggéré de recharger le sol en utilisant l'énergie solaire. Cependant, dans les installations à simple puits, l'injection de chaleur solaire ne réduit pas la longueur de forage de façon significative puisque l'injection solaire ne coïncide pas nécessairement avec le pic de charge du bâtiment. Par ailleurs, la chaleur solaire injectée se dissipe dans le sol sans faire augmenter la température du sol à proximité du puits de façon significative. Dans ce projet, une nouvelle alternative est proposée pour réduire la longueur de forage dans les installations avec puits unique. Il s'agit d'une pompe à chaleur géothermique couplée avec un système solaire dont l'échangeur géothermique est constitué d'un puits à deux tubes en U avec deux circuits indépendants entouré par un anneau de sable saturé. Cette configuration est utilisée pour l'extraction de la chaleur dans un circuit, combiné avec une pompe à chaleur, et l'injection thermique dans l'autre circuit en utilisant l'énergie solaire. Dans cette configuration, l'échangeur géothermique agit comme un échangeur de chaleur entre le capteur solaire et la pompe à chaleur. Lors des périodes de pointe de chauffage du bâtiment, généralement la nuit lorsque l'énergie solaire n'est pas disponible, la pompe à chaleur extrait l'énergie du sol et, dans certains cas, le sable saturé gèle en formant un anneau autour du puits. Cela a pour effet de ralentir la baisse de la température de retour à la pompe à chaleur et tire parti de la teneur en énergie relativement élevée associée à la chaleur latente de fusion de l'eau dans le sable. Lorsque l'énergie solaire est disponible, la chaleur solaire est injectée dans le second tube en U pour faire fondre l'anneau de glace. Pour évaluer précisément les conséquences de l'utilisation du système proposé, des modèles théoriques pour les puits et le sol sont développés dans cette étude.

Abstract

Conventional ground coupled heat pump systems with vertical ground heat exchangers constitute attractive alternatives for space conditioning and domestic hot water heating due to their high efficiency and environmental friendliness. However, borehole costs remain a barrier for their widespread utilization. Borehole costs are mainly driven by borehole depths which, in single borehole installations, are mainly dependent on peak ground load heat extraction during peak building heating loads. To mitigate the peak ground heat removal, it has been suggested to recharge the ground using solar energy. However, in single borehole installations, solar heat injection does not reduce the borehole length significantly since solar energy injection is not necessarily coincident with the peak building load. Furthermore, the injected solar heat dissipates into the ground without making notable increases on ground temperature near the borehole. In this work, a new solar assisted ground coupled heat pump alternative is proposed to reduce the borehole length in single borehole installations. The system under study consists of a double Utube borehole with two independent circuits surrounded by a saturated sand ring. This configuration is used for heat extraction in one circuit, combined with a heat pump, and simultaneous thermal recharging in the other circuit using solar energy. In effect, it acts as a heat exchanger between the solar thermal collector and the heat pump. During peak building loads, usually at night when solar energy is unavailable, the heat pump extracts energy from the ground and in some cases the saturated sand freezes. This slows down the decrease in the return temperature to the heat pump and takes advantage of the relatively high energy content associated with the latent heat of fusion of water in the sand. When solar energy is available, solar heat is injected in the second U-tube to melt the frozen saturated ring. To evaluate precisely the expected consequences of using the proposed system, theoretical models for the borehole and the ground are developed in this study. The borehole model accounts for the double U-tube with two independent circuits and the numerical ground model can handle freezing and thawing in the saturated region in the immediate vicinity of the borehole as well as pure conduction heat transfer in the ground.