Géothermie assistée à l énergie solaire : Principe de base et applications. par. Professeur École Polytechnique de Montréal PLAN

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1 Géothermie assistée à l énergie solaire : Principe de base et applications par Michel Bernier, ing., Ph.D. Professeur École Polytechnique de Montréal 1 Solaire Rayonnement Capteursp Géothermie Puits/champs Pompes à chaleur Géothermie/solaire Un seul puits Multi-puits PLAN Stockage solaire (Drake Landing) Recharge solaire (autres exemples) 2 1

2 Rayonnement solaire incident Journée ensoleillée : 1000 W/m 2 3 Rayonnement solaire incident 4 2

3 Influence de l azimut et inclinaison Pour Montréal 5 Répartition mensuelle 6 3

4 Répartition mensuelle Solar Energy Collected Heating Load 75 Energy (MWh) J F M A M J J A S O N D Month 7 Capteurs solaires/rendement Tubes évacués Capteur sans vitrage Capteur plan 8 4

5 Capteurs solaires/rendement 9 Bilan moyen sur la terre Géothermie 1 0 5

6 Géothermie Simple U Un seul circuit Double U Tuyaux HDPE Double U Deux circuits indépendants A A 2 4 A-A 11 Diffusion de la chaleur dans le sol q=2.5 kw Conditions: Borehole diameter = 6 inches Ground conductivity = 2.1 W/m-K Ground diffusivity = 0.08 m 2 /day Far-field temperature = 10 o C 100 m (328 feet) 12 6

7 Diffusion de la chaleur dans le sol C 11.9 C C 13 Pompes à chaleur Le COP varie d un manufacturier à l autre ( o F) ( o F) Cooling 8 Heating COP o F (50 o C) 20 o F (-7 o C) 6 COP Inlet fluid temperature ( o C) Inlet fluid temperature ( o C) COP de 10 pompes à chaleur géothermiques de 3 tonnes. 14 7

8 Détermination de la longueur charge de pointe au sol Résistance thermique du sol Longueur ( T ) sol T fluide * Pour plus de détails voir article de M. Bernier dans le ASHRAE Journal, septembre Injection solaire dans un puits unique Outlet temperature from GHX T in ( o C) with solar without solar Injection solaire a peu d effets la nuit lors des périodes de pointe hour 16 8

9 Injection solaire dans un puits unique -Réduction de L (<10%) -Réduction de la consommation d énergie de la PàC (<10%) 17 Drake Landing Solar Community Objectif: >90% de fraction solaire (chauffage des espaces) après 5 ans 18 9

10 Drake Landing Solar Community 800 (2300 m 2 ) capteurs solaires (toit des garages) 1.5 MW de production thermique en pointe Capteur plan... même si des températures de 80 o C Rendement annuel moyen : 29% 19 Réseau de chauffage urbain Energy meter Entrée/sortie dans chaque maison 20 10

11 Stockage saisonnier à haute température BTES 144 puits (35 m de profondeur) Tuyaux PEX Simple U 24 branches de 6 puits en série Stratification thermique radiale 21 Conditions au 17 avril

12 Stockage Journalier 2 réservoirs de 120 m 3 23 Bilan énergétique annuel 24 12

13 Variante au concept de DLSC Remplacer le puits simple-u par un puits double-u avec deux circuits indépendants Advantages: 1) Plus besoin de renverser le sens de l écoulement 2) Charge/décharge simultanée 3) Stockage journalier nonrequis 25 Variantes au concept de DLSC Capteurs solaires (plan avec vitrage) Champs géothermique nombre de puits profondeur espacement volume Chauffage auxiliaire A B C m /5 m 2 0 m Double-U 35 m 225m m m Double-U Double-U 35 m 35 m 45m 45m m m 3 Chaudière P à C P à C 26 13

14 Stockage thermique Simulations par puits géothermique Case C Sans injection solaire, les PàC cessent de fonctionner T < limite permise 27 Rendement moyen des capteurs Stockage thermique par puits géothermique Rendement moyen des capteurs solaires durant la 5e année 23 % 58 % 28 14

15 Pertes thermiques du BTES Stockage thermique par puits géothermique Pertes thermiques moyennes des BTES (en % de l énergie acheminée au BTES) 33 % 14 % 29 Fraction solaire Stockage thermique par puits géothermique Fraction solaire durant la 5e année 98 % 78 % 30 15

16 Stockage thermique Bilanpar global puits géothermique 78 % 504 MWh Provenant du BTES avec recharge solaire 22 % 142 MWh Electricité 100 % 646 MWh Besoins annuels en chauffage 31 Autre projet de recharge solaire Déséquilibre thermique annuel dans le sol: 25 kw 32 16

17 Autre projet de recharge solaire Défi: Recharger le sol tout en évitant la surchauffe en périphérie 33 Sans recharge solaire 16 puits en périphérie X C per year Mai -6.5 C 34 17

18 Avec recharge solaire 250 m 2 de capteurs plan 16 puits en périphérie 25 C -> acceptable pour l opération des pompes à chaleur en climatisation > 0 C 9 puits solaires 0 C en hiver 28 C en été Rendement annuel moyen: 64 % 35 Conclusions Rayonnement solaire relativement abondant au Québec ( 50% en été) Capteur plan sont bons même pour des températures relativement élevées La recharge solaire d un puits unique a peu d impact Stockage solaire saisonnier dans un champs géothermique à haute température fonctionne bien à DLSC (f > 90%) Géométrie double U avec deux circuits indépendants permet la charge/décharge simultanée

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