ENR810 – Énergies renouvelables Géothermie : Basse énergie

ENR810 – Énergies renouvelablesGéothermie : Basse énergie

Daniel R. Rousse, ing., M.Sc.A., Ph.D.Département de génie mécanique

Patrick Belzile, ing., M.ing.Louis Lamarche, ing. M.Sc.A, Ph.D.Pierre-Luc Paradis, B.Ing, M.Ing, Ph.D.Stéphane Hallé, M.Sc.A., Ph.D.

Groupe de recherche industrielleen technologie de l’énergie et en efficacité énergétique

Plan de cours

• Système à basse énergie– Système classique– Exemples de projets– Échangeur sol-air

2ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018

Système à basse énergie• Comment faire pour alimenter un espace

avec de l’air à 30oC à partir d’un sol à 8oC?

14/03/2018 ENR810 Énergies renouvelables 3

http://bioclimatic-technology.com/equipements/la-geothermie/

Système à basse énergie• Pompe à chaleur


Réf.: Canmet Énergie manuel RETScreen

12

3 4

QLQH

Système à basse énergie• Pompe à chaleur (cycle idéal)


Système à basse énergie

6ENR810 - Éneries renouvelables14/03/2018

Système à basse énergie• Pompe à chaleur à boucle secondaire


Chauffage Climatisation

QL

QH

QH

QL

Système à basse énergie• Pompe à chaleur à expansion directe


Chauffage Climatisation


• Systèmes hybrides– Tour de refroidissement– Collecteurs solaires– …

9

Réf.: Energy Center of Wisconsin

ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018

Pourquoi coupler un champ géothermique avec une tour de refroidissement ou des collecteurs solaires?


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8515

Char

ge (k

W)

Heure

Exemple de charge débalancée

ChauffageClimatisation



• Extraction– Épuiser l’énergie utile après une période de

temps (de 10 à 25 ans)– Les performances diminuent avec le temps

• Stockage thermique– Balancer les charges thermiques


Système à basse énergie• L’écoulement d’eau souterraine peut être:

– Bénéfique pour l’extraction• Source de chaleur inépuisable

– Néfaste pour le stockage• Emporte la chaleur avec elle

12

Réf.: Environnement Canada



• Puits verticaux



• Puits horizontaux

14

Réf.: Ressources Naturelles Canada


Système à basse énergie• Systèmes à boucle ouverte


Système à basse énergie• Quel système est préférable?

– Puits concentriques– Boucles fermées – Boucles ouvertes – Expansion directe– Thermopieux


Système à basse énergie• Deux approches de conception:

– Dimensionnement• Déterminer les longueurs• Systèmes classiques, plus simples• Données mensuelles, maximales

– Simulation• Évaluer le comportement du sol et du fluide• Systèmes hybrides, plus complexes• Données horaires


Système à basse énergie• Logiciels de dimensionnement

– Ground Loop Design– EED– RetSCREEN– GCHPCALC– GLHEPRO– …

• Logiciels de simulation– TRNSYS– Simeb


Système à basse énergie• Validité des logiciels de simulation

– Balance entre niveau de détails et précision

Réf.: Shonder et Hugues (1998)



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Chau

ffag

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W)

Charge en fonction du temps

95% du temps

Demande maximale


Système à basse énergie• Conception1. Calcul des charges du bâtiment 2. Choix initial des composantes et du fluide caloporteur 3. Détermination des propriétés et de la température du sol 4. Spécifications du type de configuration de puits et calcul des

longueurs de puits 5. Design du système hydraulique

1. Collecteur et système de purge2. Choix des pompes de circulation

6. Évaluation d’autres designs7. Itérations pour tenter d’optimiser


Système à basse énergie• Puits géothermiques

– Puit vertical avec tube en U

Réf.: Eskilson


Système à basse énergie• Puit vertical avec tube en U

– Fluide caloporteur– Tuyau– Coulis– Sol

GroundBorehole

U-Tube Tf

Tp

Tb



• Tuyaux (HDPE)

• Coulis– Évite que les puits artésiens inondent le terrain– Protège l’eau souterraine de contamination– Généralement moins bonnes propriétés

thermiques que le sol

24

http://www.centennialplastics.com


Système à basse énergie• Choix du fluide caloporteur, un compromis:

– Toxicité– Inflammabilité– Conductivité thermique– Chaleur spécifique– Viscosité– (éthylène glycol, propylène glycol, méthanol, etc.)

25

Photo: www.reuk.co.uk


Système à basse énergie• Fluides caloporteurs

26

Réf.: Heinonen et Tapscott


Système à basse énergie• Évaluer les propriétés

du sol– Coalition canadienne

de l’énergie géothermique:

• Cartes géologiques• Rapports de forage

27

http://www.geo-exchange.ca/


Système à basse énergie• TRT (Thermal Response Test)


http://www.nb-construction.net

Système à basse énergie• TRT (Thermal Response Test)

– Utiliser une charge thermique la plus stable possible

– Observer le développement des températures à l’entrée et à la sortie du puits géothermique

– La durée du test est recommandée de 50 heures au minimum

29

Réf.: Sanner, B., Hellström, G., Spitler, J., Gehlin, S. (2005)


Système à basse énergie• Température du sol (Ts)


Réf.: Canmet Énergie manuel RETScreen

Plan de cours

• Système à basse énergie– Système classique– Exemples de projets– Échangeur sol-air


Exemples de projets• Différentes échelles:

– Campus UQAR-Lévis– Patinoires (Centre Grant-Harvey Center)– Épiceries (Résidences ÉTS)– Quartiers/Communautés

• Drake Landing


Exemples de projets• UQAR Lévis

– Design à 88% de la charge de chauffage– Pay-back 8-12 ans– 125 puits– 200 m


Exemples de projets• Centre Grant-Harvey Center


La chaleur rejetée par l’aréna permet de chauffer les terrains de tennis.

Exemples de projets

35

• Résidences ÉTS– 18 puits– 139 m

Réf.: Bouthillette Parizeau et Associés


Exemples de projets

36

Réf.: www.dlsc.ca


• Drake Landing

http://www.dlsc.ca/

Exemples de projets

37

Réf.: www.dlsc.ca

• Drake Landing– Okotoks, Ab.– 52 maisons

détachées (~1500 pi2)

– Pas de pompes à chaleur

– 90% de fraction solaire de chauffage


Exemples de projets• Drake Landing

– 144 puits– Séries de 6 puits– 35 m– 80°C en été

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Réf.: www.dlsc.ca


14/03/2018 39

L’énergie géothermique

ENR 810 - Énergies renouvelables

• Étude de cas– Une résidence unifamiliale exclusivement

alimentée en électricité possède un profil de consommation tel que représenté ci-dessous.

14/03/2018 40



14/03/2018 41



• Étude de cas– On propose de remplacer l’unité de chauffage

central à l’électricité par une pompe à chaleur (4000$) et un champ géothermique (16000$).

– En première approximation, que recommandez-vous suite à une étude de faisabilité?

• De ne pas pousser plus avant l’étude de faisabilité• De faire une étude exhaustive (aux frais du client) de la

rentabilité du projet.• D’accorder un contrat à une firme de manière à

dimensionner et installer le matériel le plus approprié.



Plan de cours

• Introduction• Système à basse énergie

– Système classique– Exemples de projets– Échangeur sol-air


Système à basse énergie• Les échangeurs sol-air


Ecohabitation, 2012



http://www.fiabitat.com/dimensionner-un-puits-canadien/



http://www.fiabitat.com/dimensionner-un-puits-canadien/



Desmeules, S. 2017, Rapport de projet, 15 crédits, ÉTS


– Une analyse simple



∆𝑇𝑇𝑎𝑎,𝑜𝑜

∆𝑇𝑇𝑎𝑎,𝑖𝑖=𝑇𝑇𝑠𝑠 − 𝑇𝑇𝑎𝑎,𝑜𝑜

𝑇𝑇𝑠𝑠 − 𝑇𝑇𝑎𝑎,𝑖𝑖= 𝑒𝑒

− 1�̇�𝑚𝑎𝑎𝑐𝑐𝑝𝑝,𝑎𝑎 𝑅𝑅𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡


– Une analyse simple



𝑅𝑅𝑡𝑡𝑜𝑜𝑡𝑡 = 𝑅𝑅𝑎𝑎 + 𝑅𝑅𝑝𝑝 + 𝑅𝑅𝑔𝑔

𝑅𝑅𝑎𝑎 =1

ℎ𝑎𝑎𝜋𝜋𝐷𝐷𝑖𝑖𝐿𝐿

𝑅𝑅𝑝𝑝 =𝑙𝑙𝑙𝑙 𝐷𝐷𝑜𝑜

𝐷𝐷𝑖𝑖2𝜋𝜋𝐿𝐿𝑘𝑘𝑝𝑝

𝑅𝑅𝑔𝑔 =𝑙𝑙𝑙𝑙

𝐷𝐷𝑔𝑔𝐷𝐷𝑜𝑜

2𝜋𝜋𝐿𝐿𝑘𝑘𝑔𝑔


– Une analyse améliorée• Hollmuler et al.(2013) proposent un modèle équivalent

mais amélioré pour le dimensionnement d’un puits canadien.

• Ce modèle analytique se base sur une impulsion temporaire, et permet d’évaluer la zone du sol impactée par le puits.

• Pas à l’étude dans ce cours.



14/03/2018 51



• Étude de cas– Dans ce problème, un échangeur sol-air est considéré

pour préchauffer l'air frais d'une VRC.– Le sol est considéré à température constante de 7oC

pendant toute la période de chauffage. – Le tube de PVC de longueur L = 40 m possède un

diamètre extérieur de 20 cm et une épaisseur de 3mm. Le rayon considéré au-delà duquel le sol ne varie pas en température est de 15 cm.

– Les conductivités du sol et du PVC sont de 0,52 W/mKet 0,35 W/mK

14/03/2018 52



• Étude de cas– On circule 200 CFM d'air.– Les températures moyennes mensuelles pour

Montréal sont de :• January -10,2• February -8,4• March -2,3• November 1,6• December -6,3

– Quel est le gain thermique pendant ces cinq mois?– Quelle est la valeur de cette énergie si vous devez

entrer en compétition avec un fournisseur:• d'électricité à 0,10$/kWh?• de gaz à 0,40$/m3?

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• Étude de cas– Si vous désirez une PRI simple de 10 ans, quel est le

budget d'investissement initial maximal possible?– Quelle est votre recommandation:

• On abandonne, ce ne sera jamais rentable• On poursuit par une étude de faisabilité en engageant une

firme spécialisée

– Note : vous négligez, en première approximation:• les variations de propriétés de l'air,• les variations de la température du sol,• la consommation du ventilateur (pertes de charge), • les frais annuels d'entretien et de maintien d'actifs

Conclusion• Plusieurs paramètres sont importants dans le

dimensionnement de champs géothermiques;• Les choix de ces paramètres est une question

de compromis;• En stockage thermique, les charges d’un

champ géothermiques doivent être balancées le plus possible;

• Ce qui détermine la faisabilité sera toujours ultimement une question de $.


Références• Shonder (2000), A comparison of vertical ground heat exchanger design software for

commercial applications• Shonder et Hugues (1998), Increasing confidence in geothermal heat pump design methods• Hellström (1991), Ground Heat Storage• Dinçer et Rosen (2011), Thermal Energy Storage• Florides et Kalogirou (2007), Ground heat exchangers--A review of systems, models and

applications• Kavanaugh (1985), Simulation and experimental verification of vertical ground-coupled heat

pump systems• Eskilson (1987), Thermal analysis of heat extraction boreholes• Sanner, B., Hellström, G., Spitler, J., Gehlin, S. (2005), Thermal response test—current status

and world-wide application• ASHRAE Applications (2003)• ASHRAE Journal (2012), Vol. 54, no. 6• Heinonen, E.W. and R.E. Tapscott (1996), Assessment of anti-freeze solutions for ground-

source heat pump systems


https://www.esmap.org/sites/esmap.org/files/ESMAP_Geothermal%20Handbook_FRENCH.pdf

Documents

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