Description du projet

Géothermie et applications

Description

Ressources géothermiques à haute et basse température
Température du sol, gradient géothermique, propriétés du sol
Notions d’hydrogéologie
Survol des différents systèmes à basse température – Circuits ouverts et fermés; systèmes verticaux et horizontaux
Couplage aux bâtiments et aux pompes à chaleur
Transfert de chaleur dans le sol – Méthodes analytiques et numériques
Test de réponse thermique
Résistance thermiques des puits
Conception, dimensionnement et simulation des systèmes verticaux
Applications – Chauffage et climatisation des bâtiments, pieux énergétiques, gel du sol, « géocooling »*, stockage saisonnier par puits géothermiques.

NB: On désigne sous le terme de géocooling, l’utilisation directe de la température du sous-sol (avec interposition d’un échangeur) sans utilisation de la pompe à chaleur, pour assurer le rafraîchissement via un bypass. L’intérêt majeur d’un tel système est d’utiliser au maximum l’énergie du sol, sans pertes dues au fonctionnement des éléments de la pompe à chaleur.

A la fin du cours, l’étudiant sera en mesure de :

  • Expliquer le fonctionnement des différents types de systèmes géothermiques.
  • Décrire l’influence des propriétés thermiques et hydrauliques des sols sur l’efficacité du transfert de chaleur dans le sol.
  • Déterminer les mesures requises de protection de l’aquifère lors de l’installation d’un système géothermique.
  • Analyser et interpréter les résultats d’un test de réponse thermique.
  • Calculer le transfert de chaleur dans le sol suite à une collecte ou un rejet d’énergie.
  • Concevoir, dimensionner et simuler les systèmes géothermiques verticaux.

Semaine 1

Présentation du plan de cours. Introduction générale. Géothermie à haute température et production d’électricité. Chauffage direct. Systèmes à basse température. Circuits ouverts et fermés, systèmes horizontaux et verticaux.

Semaine 2

Calcul des besoins d’un bâtiment. Besoins de pointe et besoins horaires. Heures équivalentes d’opération à pleine charge. Modélisation et simulation de bâtiments. Besoins typiques pour bâtiments de référence.

Semaine 3

Notions de géologie. Principales unités géologiques. Sédiments versus substratum rocheux. Techniques de forage appliquées à la géothermie (forages verticaux et inclinés). Composantes et techniques de construction d’un puits en boucle fermée. Conductivité thermique des matériaux géologiques (roche et sédiments).

Semaine 4

Température du sol. Flux et gradient géothermique. Modèle de transfert de chaleur dans le sol pour un puits : source linéique infinie, source cylindrique infinie.

Semaine 5

Source linéique finie. Superposition temporelle.

Semaine 6

Notions de base sur les pompes à chaleur à compression mécanique. Choix et régulation des pompes à chaleur. Coefficient de performance des pompes à chaleur. Calcul des charges thermiques au sol. Modélisation des pompes à chaleur.

Semaine 7

Semaine de vacances

Semaine 8

Résistance thermique équivalente d’un puits. Réseaux de résistances et de capacités thermiques de puits. Superposition spatiale et temporelle. Agrégation des charges. Méthode spectrale.

Semaine 9

Essai de laboratoire et essai in situ (essai de réponse thermique). Méthodologie et technique d’interprétation.

Semaine 10

Les g-functions d’Eskilson. Modèle DST dans TRNSYS. Simulations annuelles.

Semaine 11

Dimensionnement des champs de puits. Conception d’un système complet. Réseau de distribution interne. Systèmes hybrides. Fluide Caloporteur. Pompes de circulation.

Semaine 12

Analyse du coût sur le cycle de vie. Potentiel de réduction des Gaz à effet de serre.

Semaine 13

Stockage saisonnier par puits géothermique. Puits Canadiens. Systèmes horizontaux. Geocooling.

Semaine 14

Notions d’hydrogéologie. Écoulement en milieu poreux et en milieu fracturé. Hydraulique de puits et stockage saisonnier en aquifère. Notions d’hydrogéochimie et d’hydrogéologie des contaminants. Normes et réglementation pour la protection des aquifères. Systèmes en boucle ouverte et puits à colonne permanente.

Références

  • ASHRAE. 2015. ASHRAE Handbook – Applications, Chap. 34 – Geothermal Energy.
  • Banks, D. 2008. An introduction to Thermogeology : Ground Source Heating and Cooling, Blackwell Publishing.
  • Banks, D. 2012. An introduction to Thermogeology : Ground Source Heating and Cooling, Blackwell Publishing. 2nd edition. e-book : http://site.ebrary.com/lib/polymtl/Doc?id=10565182
  • Cengel, Y.A., Boles, M.A., Lacroix, M. 2008. Thermodynamique – Une approche pragmatique, Chenelière McGraw-Hill.
  • Chiasson, A.D. 2016. Geothermal Heat Pump and Heat Engine Systems : Theory and Practice. Wiley. e-book : http://ebooks.asmedigitalcollection.asme.org/book.aspx?bookid=1959.
  • Eskilson, P. 1987. Thermal Analysis of Heat Extraction Boreholes. Ph.D. Thesis. University of Lund, Lund, Sweden.
  • GeoTrainet. 2011. Geotrainet training manual for designers of shallow geothermal systems. http://geotrainet.eu/wp-content/uploads/2015/10/Geotrainet-Manual-for-Designers-on-ShallowGeothemal.compressed.pdf (consulté le 28 août 2016).
  • Hellström, G. 1991. Ground Heat Storage – Thermal Analyses of Duct Storage Systems. Ph.D. Thesis. University of Lund, Lund, Sweden.
  • Kavanaugh, S.P., Rafferty, K. 1997. Ground-Source Heat Pumps: Design of Geothermal Systems for Commercial and Institutional Buildings, ASHRAE.
  • Kavanaugh, S.P., Rafferty, K. 2014. Geothermal Heating and Cooling: Design of ground-Source Heat Pump System. ASHRAE.
  • Pahud, D. 2002. Geothermal energy and heat storage. Laboratorio di Energia, Ecologia and Economia. http://tinyurl.com/Pahud-Handbook (consulté le 25 juillet 2010).
  • Rees,S.J. 2016. Advances in Ground-Source Heat Pump Systems. Duxford, UK: Woodhead Publishing.

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