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Développement d'une nouvelle solution analytique pour la modélisation d'un échangeur géothermique hélicoïdal à boucle horizontale

Dalhoum, Ahmed (2016). Développement d'une nouvelle solution analytique pour la modélisation d'un échangeur géothermique hélicoïdal à boucle horizontale. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La méthode analytique est considérée comme une solution rapide, pertinente, très pratique pour la modélisation des échangeurs géothermiques. Elle présente une alternative aux calculs numériques, complexes très coûteux en temps et en ressources matérielles. Concernant les systèmes géothermiques verticaux plusieurs modèles existent et sont prêts à être utiliser pour n’importe quelles géométries que le tuyau de l’échangeur peut prendre (rectiligne, hélice, spirale…)

Cependant, l’intérêt pour l’étude théorique des systèmes géothermiques horizontaux est moins important, et ainsi peu de travaux de recherches existent dans la littérature sur ce type d’installation. Généralement, ils portent sur la modélisation de quelques conduites de forme assez simples, à travers des essais expérimentaux ou des simulations numériques.

C’est dans ce contexte que se présente ce travail : le développement d’une nouvelle solution analytique pour la caractérisation d’un échangeur géothermique horizontal dont sa géométrie est de forme hélice.

La réponse de la source de chaleur hélicoïdale est déterminée en utilisant la méthode de Green adaptée à notre géométrie et en fonction des caractéristiques thermiques du milieu géothermique.

Une fois le modèle mathématique élaboré, une phase de validation a été menée en comparant ses résultats avec ceux donnés par la résolution numérique, effectuée à l’aide du logiciel Comsol basé sur la méthode d’éléments finis.

Des simulations sur une période d’un an ont été réalisées avec des sollicitations thermiques de chauffage et de climatisation, tout en considérant l’effet saisonnier de la température à la surface du sol. L’erreur maximale déterminée entre les résultats des deux modèles ne dépasse pas le 1,8°C. Ce qui laisse conclure sur la validité de cette nouvelle solution analytique pour un système géothermique horizontal d’échangeur hélicoïdal.

Titre traduit

Development of new analytical solution to modeling horizontal ground heat exchanger with helical coils

Résumé traduit

The analytical method is considered as a relevant and convenient method for modeling geothermal exchangers. It is an alternative to numerical calculations, which seem to be very complex and costly in time and resources. Regarding vertical geothermal systems, several models exist and are suitable for any geometry that the pipe could take (helix, spiral, straight, etc.).

However, the interest in the theoretical study of horizontal geothermal systems is less important, and so little research works exist in the literature on this type of system. Generally, they carry on modeling some fairly simple form of pipes, through experimental tests or numerical simulations.

The response of the helical heat source is determined using the method of Green adapted to our geometry and depending on the thermal characteristics of the geothermal domain.

It is in this context that this research, entitled “Development of new analytical solution to modeling horizontal ground heat exchanger with helical coils”, has been conducted.

Once the mathematical model is developed, a validation phase was conducted by comparing the results with those given by the numerical solution, made using Comsol software based on finite element method.

Simulations on a one-year period were performed with thermal solicitations of heating and cooling, while considering seasonal effect of temperature on the surface of soil. The error range determined from the results of both models does not exceed 1,8°C, concluding the validity of this new analytical solution for horizontal helical exchanger geothermal system.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie, concentration énergies renouvelables et efficacité énergétique". Bibliographie : pages 105-110.
Mots-clés libres: Échangeurs de chaleur Modèles mathématiques. Pompes géothermiques Modèles mathématiques. Échangeurs de chaleur Simulation par ordinateur. Pompes géothermiques Simulation par ordinateur. effet, hélice, hélicoïdal, horizontal, saison, saisonnier, géothermie horizontale, échangeur hélicoïdal, modélisation analytique, résolution numérique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Lamarche, Louis
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 16 déc. 2016 19:32
Dernière modification: 16 déc. 2016 19:32
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1769

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