Performance des géopieux dans le chauffage et le refroidissement à l’aide de l’énergie géothermique

Abstract

L'énergie géothermique peu profonde est une source d'énergie renouvelable, propre, peu coûteuse et locale. Elle s'est avérée être une alternative intéressante aux combustibles fossiles pour le chauffage et la climatisation des bâtiments. Les échangeurs de chaleur géothermiques horizontaux font partie des différents types de pompes à chaleur géothermiques. L'installation d'un échangeur de chaleur souterrain horizontal est également moins coûteuse que celle d'un échangeur de chaleur souterrain vertical. Dans cette étude, la performance thermique de deux types d'échangeurs de chaleur souterrains horizontaux (linéaire et en spirale) est examinée pour une région située au nord-ouest de l'Algérie. Un modèle numérique transitoire en 3D basé sur la méthode des éléments finis est établi à l'aide du logiciel ComsolMultiphysics afin de résoudre les équations différentielles régissant le problème. Le modèle de développement comprend le couplage de trois processus indépendants : le transfert d'humidité dans le sol, le transfert de chaleur dans le sol et le transfert de chaleur à l'intérieur des échangeurs de chaleur.Dans un premier temps, le modèle développé prend en compte le phénomène d'interaction entre l'atmosphère et le sol, en introduisant le bilan énergétique et le bilan hybride comme condition limite à la surface du sol, en tenant compte de toutes les conditions climatiques et géologiques de la région. Ensuite, le modèle évalue également le couplage du transfert hydraulique et thermique dans le sol non saturé. Enfin, l'interaction entre le sol et l'échangeur de chaleur est examinée pour évaluer les performances des pompes à chaleur géothermiques horizontales. Le modèle développé permet de prédire les fluctuations de la température du sol en surface et à différentes profondeurs, ainsi que les températures du fluide caloporteur à l'entrée et à la sortie des échangeurs de chaleur. Cela permet d'évaluer les performances des échangeurs de chaleur en déterminant leur coefficient de performance et leur taux d'échange de chaleur pour les deux modes de fonctionnement, le chauffage et le rafraîchissement.En outre, une étude paramétrique de différents éléments pouvant influencer l'efficacité énergétique de l'échangeur de chaleur a été menée, tels que la longueur axiale, le rayon de l'échangeur, la profondeur d'installation ainsi que la vitesse d'écoulement du fluide caloporteur.Les principaux résultats obtenus montrent que à faible profondeur, la température du sol est fortement influencée par les cycles météorologiques quotidiens et saisonniers. En revanche, à partir d’une certaine profondeur, elle devient relativement stable tout au long de l’année. Cette stabilité thermique peut être exploitée efficacement pour assurer le chauffage et le rafraîchissement des bâtiments de manière durable. De plus la non prise en compte de l'interaction sol-atmosphère entraîne une surestimation de la température du sol et du fluide caloporteur en été, et une sous-estimation en hiver.L’échangeur de chaleur de forme spirale offre des performances thermiques optimales. Cette configuration offre également un volume d'échange plus important, avec des impacts environnementaux et des mécanismes de transfert thermique dans le sol.Enfin une étude paramétrique des échangeurs souterrains est essentielle pour optimiser leur performance. En ajustant la géométrie, la profondeur et la vitesse d’écoulement, le système peut être adapté aux conditions locales et améliorer son efficacité énergétique globale