Performances d'un champ de puits géothermiques verticaux peu profonds en boucle fermée

This thesis presents an experimental installation of short boreholes integrated to a natural climate installation, simulating a low energy consumption building located at Électricité de France Research Center in Moret-sur-Loing. This study is divided into two parts: the design and construction of an experimental instrumented site where data is collected over one heating season, and a second part where a model, based on the finite line source method, is developed in TRNSYS simulation's environment. The experimental site has 16 boreholes of 9 meters for which the head is buried 1 meter under ground's surface and are positioned in a square configuration. The construction methods as well as problems faced during this phase are presented in this study. A thermal response test is performed in order to determine the soil properties. This test differs from the classic approach since it is realized on short boreholes in cold mode using the heat pump available on-site instead of the traditional heat injection method. By applying Gehlin's graphic method (1998), a soil thermal conductivity of 2,52 W/mK and an equivalent thermal resistance of 0,198 mK/W are found. The geothermal borehole model developed in this study, TYPE273, is based on Simon Chapuis' model (2009), the TYPE272. TYPE273 also allows reading the average ground temperature on the borehole's length as an input, which is an important consideration for short boreholes. Two validation tests are realized for each of the two models (TYPE272 and TYPE273) and results show that these models can be used with confidence. Finally, experimental data is compared to data generated by TYPE273. This model can simulate two independent networks. Therefore, branches 3 and 4 are modeled since they present less construction problems. To model this experimentation, the mass flow rate, the temperatures at the inlet of rows, as well as the average ground temperature on the borehole's length are imposed as input to TYPE273 at every hourly time step. It is then possible to compare the calculated outlet temperatures at each row to the experimental data. It should be noted that the heat transfer taking place in the horizontal pipes linking the vertical boreholes is integrated to the model. The simulation's results do not represent experimental data all that well. Short boreholes are influenced by an important number of parameters such as ground temperature in the first meters below the ground surface and by a long residence time of the fluid (about 8 minutes) in the branches of the circuit. Further simulation efforts are thus required to model short boreholes correctly.

Résumé

Ce mémoire présente une étude de la performance d'un champ de puits géothermiques de faible profondeur intégrés à une installation en climat naturel simulant un bâtiment à basse consommation énergétique et localisée au Centre de Recherche d'Électricité de France à Moretsur- Loing. Cette étude comporte deux volets, soit la conception d'un site expérimental instrumenté permettant de collecter des données sur une saison de chauffage ainsi qu'un volet de modélisation afin d'utiliser les résultats expérimentaux pour valider un modèle de puits géothermique basé sur la méthode de la ligne source finie et développé dans l'environnement de simulation TRNSYS. Le site expérimental est formé de 16 puits de 9 mètres de profondeur dont la tête est enfouie à 1 mètre de profondeur et positionnés en configuration carrée. La méthode de construction ainsi que les problèmes rencontrés lors de cette étape sont présentés dans cette étude. Un test de réponse thermique est réalisé afin de déterminer les propriétés du sol. Ce test se distingue de l'approche classique, car il est effectué sur des puits de faible profondeur et, contrairement à l'approche conventionnelle d'injection de chaleur, il est réalisé en mode froid en utilisant la pompe à chaleur de l'installation. En appliquant la méthode graphique présentée dans les travaux de Gehlin (1998), une conductivité thermique du sol de 2,52 W/mK et une résistance thermique équivalente du puits de 0,198 mK/W sont obtenues. Le modèle de puits géothermique développé dans le cadre de cette étude, le TYPE273, est basé sur le TYPE272 développé par Simon Chapuis (2009). Le TYPE273 permet de lire en entrée la température moyenne sur la hauteur du puits. Deux cas de validation sont utilisés et les résultats montrent que les TYPE272 et TYPE273 peuvent être utilisés avec confiance. Finalement, les résultats expérimentaux sont comparés aux données générées par le TYPE273. Comme ce modèle peut simuler deux réseaux de puits indépendants, les branches 3 et 4 sont modélisées étant donné qu'elles présentent moins de problèmes liés à leur construction. Pour ce faire, les valeurs expérimentales du débit de circulation, de la température d'entrée du fluide dans chacune des rangées de puits ainsi que la température non perturbée sur la hauteur d'un puits sont imposées au modèle à chaque pas de temps horaire. Les températures du fluide à la sortie de chacune des deux rangées calculées par le modèle sont ensuite comparées aux températures expérimentales correspondantes.