Influence du stockage thermique dans la structure du bâtiment sur les systèmes de pompes à chaleur géothermiques

Le potentiel de réduction de la longueur d'un échangeur géothermique vertical en boucle fermée (ÉGV) grâce au stockage thermique dans le béton d'un système de chauffage rayonnant hydronique intégré à la dalle d'un bâtiment (« dalle active ») est étudié. Le rez-de-chaussée d'un bâtiment commercial typique à Montréal (Canada) est modélisé dans l'environnement de simulation TRNSYS afin d'étudier le couplage de pompes à chaleur (PAC) géothermiques à un système de chauffage hydronique intégré à une dalle sur sol sur la saison de chauffage. Différents scénarios de fonctionnement journalier de l'ÉGV sont étudiés. Les résultats montrent que le nivellement de la charge au sol sur 24 heures ne permet de réduire la longueur de l'ÉGV que de 4 %, ce qui démontre la nécessité de réduire la capacité des PAC géothermiques afin d'obtenir une réduction significative de la longueur de l'ÉGV. Une étude de trois paramètres de design de la dalle active, soit son épaisseur, la profondeur des tuyaux qui y sont intégrés et leur espacement, est montrée. L'augmentation de l'épaisseur de la dalle de 100 à 200 mm permet de compenser une réduction de la capacité des PAC géothermiques de 8,3 %. Ensuite, une augmentation de la consommation électrique des PAC suite à une augmentation de la profondeur des tuyaux est observée et est due à l'augmentation de la résistance thermique entre les tuyaux et le plancher et l'augmentation des pertes de chaleur sous la dalle sur sol. Finalement, des tuyaux plus rapprochés permettent un meilleur échange de chaleur entre le fluide caloporteur et le béton de la dalle, ce qui permet un meilleur rendement des PAC. Une comparaison avec un système de chauffage équivalent muni de ventilo-convecteurs permet de montrer que la longueur requise de l'ÉGV associé à une dalle active est 25 % plus élevée. Cette différence significative s'explique par les températures de chauffage plus faibles du système à dalle active, ce qui engendre un coefficient de performance moyen plus élevé pour le système à dalle active. En contrepartie, une diminution de la consommation des PAC de 21 % est observée. Finalement, une comparaison du stockage thermique dans le béton et sous forme de réservoirs d'eau montre que le premier est avantageux pour la dalle active, mais que le second est avantageux pour le système à ventilo-convecteurs. Finalement, il est montré qu'une diminution de 8,3 % de la capacité des PAC grâce à ces stockages thermiques permet de réduire la longueur de l'ÉGV jusqu'à respectivement 10,1 % et 8,4 % pour le chauffage à ventilo-convecteurs et à dalle active.

Abstract

The length reduction potential of a vertical, closed loop geothermal heat exchanger linked to a thermally activated building system (TABS) that uses the thermal energy storage in the concrete floor is analysed. The ground floor of a typical commercial building in Montréal (Canada) is modeled in the TRNSYS simulation environment to study the coupling of geothermal heat pumps with a slab-on-grade TABS during the heating season. Different daily operation scenarios of the geothermal heat exchanger are studied. Results show that a 24 hour leveling of the ground thermal load during the heating season produces only a 4 % length reduction of the geothermal heat exchanger, which demonstrates the need to reduce the installed geothermal heat pump capacity to impact significantly the heat exchanger's length. Three design parameters of the TABS are analysed: the slab thickness and the depth and spacing of its embedded piping. It is shown that increasing the slab thickness from 100 to 200 mm (4 to 8 inches) compensates an 8.3 % reduction of the installed capacity of the heat pumps. An increase of the heat pump's energy consumption is observed with an increased depth of the slab's embedded piping, caused by the increased thermal resistance between the piping and the floor and the increased thermal losses beneath the slab-on-grade. Finally, a tightly spaced embedded piping results in a more efficient heat transfer between the fluid and the concrete, which increases the heat pump's coefficient of performance (COP). A comparison with an equivalent fan-coil heating system shows that the required length of the geothermal heat exchanger is 25 % greater for the TABS. This difference can be explained by the reduction of the fluid heating temperature for the TABS, which increases the heat pump's average COP. This is also accompanied by a 21 % reduction in the energy consumption. Finally, comparing the thermal energy storage in the concrete with water tanks shows that the former is beneficial for the TABS where the latter offers better results with the fan-coil heating system. Finally, it is shown that a reduction of the heat pumps installed capacity of 8.3 % leads to a maximum reduction of the heat exchanger's length of 10.1 % and 8.4 % for the TABS and fancoil heating systems, respectively.