Analysis of shared geothermal borefield configurations

Belzile, Patrick (2016). Analysis of shared geothermal borefield configurations. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Geothermal systems have been used in ground source heat pumps applications for decades. They are gaining in interest in recent years through community and hybrid systems. Inconveniently, nearly all of the available geothermal borehole models are limited to the same inlet condition for each U-tubes and geothermal borefields models to the same inlet condition for each borehole. This research project proposes models and applications to shared and hybrid geothermal systems, in residential/solar application. The aim of the project is to improve the efficiency of heat transfer and storage of shared and hybrid geothermal boreholes and borefields by segregating their inlet conditions.

The approach used in this research project can be divided in three parts: the ground model, the single U-tube model and double U-tube model. The ground model is a 2D diffusion Control Volume Finite Difference Method (CVFDM) model. The single U-tube fluid-toground analytical model is based on delta thermal resistance analogy, adding a resistance outside the borehole for the shape factor. The double U-tube model is an addition to an existing model that considers the angle, distance and flow direction of the U-tubes legs. It also considers different mass flowrate and specific heat of the fluid in each U-tube.

In the applications, the heat pumps of 12 residential buildings circuit and 24 m2 of solar collectors per residential building circuit were coupled to different borehole and borefield configurations. Three main categories of configurations are: a mitigating loop mixing fluids uphill to the borefield, segregating the circuits in different boreholes in a borefield (independent boreholes) and in circuits of double U-tubes boreholes (independent circuits). The energy consumption of each heat pump over the three years period was 10 884 kWh for the base case without solar collectors. The mitigated loop saved 2.4%, as for the independent boreholes central configuration with 4.5 m and the staggered configuration with 3 m and 4.5 m. The independent circuit gave the best results with 6.4% savings for the 12 borehole heat exchangers case and 9.3% for the 24 borehole heat exchangers.

Titre traduit

Analyse de configurations de champs géothermiques partagés

Résumé traduit

Les systèmes géothermiques sont utilisés dans des applications de pompes à chaleur depuis des décennies. Les systèmes communautaires et hybrides gagnent en popularité depuis quelques années. Malencontreusement, presque tous les modèles de puits géothermiques disponibles sont limités à une seule condition d'entrée pour chaque tube en U et les modèles de champs géothermiques à la même condition d'entrée pour chaque puits. Ce projet de recherche propose des modèles et applications aux systèmes partagés et hybrides géothermiques dans des applications résidentielles/solaires. Le but du projet est d'améliorer l'efficacité du transfert de chaleur et de stockage des puits et champs géothermiques partagés et hybrides en séparant leurs conditions d'admission.

L'approche utilisée dans ce projet de recherche peut être divisée en trois parties: le modèle de sol, le modèle de simple tube en U et modèle de double tube en U. Le modèle du sol utilise une méthode de différences finies (CVFDM) en 2D et diffusion seulement. Le modèle analytique fluide-sol de simple tube en U est basé sur l’analogie de résistance thermique en delta, en ajoutant une résistance à l'extérieur du puits pour tenir compte d’un facteur de forme. Le modèle à double tubes en U est un ajout à un modèle existant qui considère l’angle, la distance entre les jambes des tubes en U, ainsi que le sens de l’écoulement. Le débit de massique et la chaleur spécifique du fluide peuvent être définis indépendamment dans chaque tube en U.

Dans les applications, le circuit de pompes à chaleur de 12 bâtiments résidentiels et le circuit de 24 m2 de capteurs solaires par résidence ont été couplés à des configurations de puits géothermiques et de champs de puits différents. Trois principales catégories de configurations sont simulées: une boucle mitigée qui mélange les fluides de circuits en amont du champ de puits, une ségrégation des circuits dans différents puits dans un champ (puits indépendants) et la ségrégation des circuits dans chaque tube en U de doubles tubes en U (circuits indépendants). La consommation d'énergie de chaque pompe à chaleur sur de trois ans était 10 884 kWh pour le cas de base sans capteurs solaires. La boucle mitigée a économisé 2,4%, tout comme pour les forages indépendants en configuration centrale avec 4,5 m et les configurations en quinconce de 3 m et 4,5 m. Le circuit indépendant a donné les meilleurs résultats avec 6,4% d'économies pour le cas 16 puits et 9,3% pour le 24 puits.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctorate in engineering". Bibliographie : pages 127-135.
Mots-clés libres:	Pompes géothermiques. Pompes géothermiques Modèles mathématiques. Énergie Systèmes hybrides. Énergie géothermique. Énergie solaire. Capteurs solaires. Habitations Chauffage et ventilation. communautaire, partage, système, modèle de champ de puits géothermiques, champ de puits partagés, géothermie hybride, pompe à chaleur géothermique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Lamarche, Louis
Codirecteur:	Codirecteur Rousse, Daniel R.
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	28 juin 2016 13:42
Dernière modification:	10 déc. 2016 17:10
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1684

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