L'influence des bâtiments et de l'inclinaison des forages sur le dimensionnement des systèmes géothermiques

Si nous savions ce que nous faisons, cela ne s'appellerait pas de la recherche» Albert Einstein REMERCIEMENTS Je tiens à remercier le Pr.Denis Marcotte pour sa générosité, son dévouement, sa polyvalence et son savoir, son encadrement, mais surtout pour son sens de l'humour et ses encouragements.Merci également à Philippe Pasquier pour m'avoir fait connaître Comsol sous un oeil différent, mais surtout pour les beaux contrats de géothermie et un dynamisme pas piqué des vers.Je remercie chaleureusement Pierre Groleau et Marie Gauthier pour leur sens de l'humour incroyable.Merci Pierre et Marie Curie !Un gros merci à Martine Rivest pour m'avoir fait apprécier Latex, Matlab et Comsol.Sans toi, j'aurais mangé mes bas !Il ne faut pas oublier mes collègues de bureau : Pier-Olivier Fontaine, Camille Dubreuil et Véronique Bouzaglou.Je remercie également ma famille pour leurs encouragements et leur compréhension, mais surtout d'avoir accepté que je ne réponde pas à la question : Comment va ta maîtrise ?Jérôme Lapointe, merci de m'avoir tant aidé que ce soit du point de vue académique ou psychologique.Merci infiniment.Merci de m'avoir fait découvrir PhD comics.La réalisation de ce projet a été rendue possible grâce au soutien financier octroyé par le CRSNG, le FQRNT et Golder Associés (Bourse BMP).v R ÉSUM É Pour les nouvelles constructions, il arrive souvent que les forages géothermiques soient positionnés sous la dalle du bâtiment plutôt qu'à l'extérieur.Ceci peut être dû à un manque d'espace, par exemple en milieu urbain, ou à un simple choix de conception.Présentement, les modèles analytiques disponibles ne tiennent pas compte de l'interaction thermique entre le bâtiment et le sol.Cette simplification présume que le système géothermique est situé à l'extérieur du bâtiment, ce qui peut engendrer des failles lors du dimensionnement du système.La perturbation thermique que crée un bâtiment augmente la température moyenne du sol sous le bâtiment.Notre hypothèse de travail est la suivante : lorsque le système géothermique est en mode de chauffage dominant, un effet positif de la dalle sera enregistré et inversement lorsque le système est en mode dominant de climatisation, un effet négatif sera enregistré.L'approche proposée se base sur le principe de superposition dans l'espace.Il faut tout d'abord modéliser par éléments finies (FEM) un bâtiment dans le sol et par l'équation de chaleur quantifier le transfert de chaleur d'un bâtiment 3D au sol.Par la suite, le modèle thermique de bâtiment est superposé à la réponse analytique d'un champ de puits géothermiques.Ceci pose donc l'hypothèse que la température dans le sol s'additionne en tous points.Il est intéressant d'observer l'influence de facteurs tels que la taille du bâtiment, la présence d'isolation entre la dalle et les forages, le climat et l'inclinaison des forages sur la température du sol.Les travaux visent à tester l'approche sur des cas synthétiques, mais aussi à l'aide de données réelles.Le modèle de bâtiment se limite au régime permanent, tandis que la réponse analytique du champ de puits est en régime transitoire.Cette étude démontre que l'effet du bâtiment peut être soit favorable ou défavorable selon le profil de charges au sol.Si celui-ci est déséquilibré en climatisation, son effet est négatif et inversement, si les charges au sol sont dominantes en chauffage, son effet est positif.Lorsqu'il y a un débalancement en faveur de la climatisation la température du fluide à l'entrée (EWT) de la pompe à chaleur (PAC) augmente au fil du temps et tend à atteindre la limite supérieure de la PAC.L'ajout de la dalle dans ce cas ne fera qu'augmenter le EWT et favorisera une perte d'autonomie du système.Cependant, lorsque la charge en chauffage est dominante, la température du fluide à l'entrée de la pompe à chaleur suit la tendance inverse et diminue dans le temps.La limite inférieure de la PAC peut donc être atteinte.Puisque l'effet du bâtiment augmente le EWT, celui-ci est bénéfique et augmente l'autonomie du système.Si la courbe EWT n'atteint aucune des deux limites de la PAC, le système est peut être vi sur-dimensionné et des coûts de construction inutiles sont engendrés.La longueur des puits est un facteur prépondérant sur la quantité de chaleur supplémentaire pouvant être gagnée.Pour une même dimension de bâtiment, plus le puits est court, plus l'effet du bâtiment est grand.Pour des forages de 50 mètres situés sous le bâtiment, on peut gagner 1.3C sur la température moyenne du sol au centre du bâtiment.La disposition des puits sous le bâtiment permet d'aller chercher une autonomie supplémentaire maximale de l'ordre de 12% en mode chauffage dominant.Un deuxième facteur considéré dans cette étude est l'inclinaison des puits géothermiques.La comparaison des performances entre des puits verticaux ou légèrement inclinés révèle un effet bénéfique de l'inclinaison des puits aussi bien en mode chauffage dominant qu'en mode climatisation dominant.La diminution des interactions entre les puits expliquant ce résultat.Les gains de performance obtenus sont de l'ordre de grandeur de ceux procurés par le bâtiment en mode chauffage dominant.La combinaison des deux stratégies procure alors un gain d'autonomie maximale de l'ordre de 25% pour des forages courts (50 m) légèrement inclinés.Toutefois, en mode climatisation dominant, l'inclinaison des puits demeure bénéfique alors que l'effet du bâtiment est nuisible à la performance du système.L'effet net des deux facteurs varie selon les caractéristiques du profil de charge.Puisqu'au Québec on est davantage en mode chauffage dominant, on peut affirmer qu'il est généralement avantageux d'incliner les forages d'une part, et d'autre part, de les positionner sous le bâtiment.

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