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.