The Long-Term Mitigating Effect of Ground-Source Heat Exchangers on Permafrost Thaw Settlement

ABSTRACT: This study investigated the long-term effect of Ground-Source Heat Exchangers (GSHEs) on mitigating permafrost thaw settlement. In the conceptual system, a fan coil was used to chill the recirculating fluid in the High-Density Polyethylene (HDPE) ground loop system. A fully coupled thermo-hydro-mechanical finite element framework was employed to analyse multiphysical processes involved in the thaw settlement phenomenon. To investigate the sustainability of the system, a period of 50 years was simulated. Two operational modes were defined: one without and the other with HDPE. Different heat carrier velocities and inlet temperatures, and heat exchanger depths were examined to explore their effects on the thaw settlement rate. It was concluded that the proposed system can effectively alleviate the predicted permafrost thaw settlement over the study period. Also, heat carrier temperature was found to have a prominent impact on the thaw settlement rate amongst other parameters.

RÉSUMÉ: Cette étude a pour but d’étudier les effets à long terme des sources de chaleurs air-sol (GSHEs) sur la mitigation des risques de tassement excessif dû au dégel du pergélisol. Le système conceptuel a profité d’un ventilo-convecteur pour refroidir le fluide caloporteur présent dans les tuyaux polyéthylène haute densité (PE-HD) de la boucle souterraine. Une modélisation couplée thermo-hydro-mécanique par la méthode des éléments finis est employée pour analyser les processus multi-physiques impliqués dans le tassement dû au dégel. Une durée de simulation de 50 ans est effectuée pour évaluer la viabilité du système. Deux modes opérationnels sont définis selon que le PE-HD est employé ou non. L’étude examine autant les différentes vélocités du fluide caloporteur, les températures entrées, que les profondeurs de l’échangeur de température, pour explorer leurs effets relatifs sur la vitesse de tassement dû au dégel. Il est conclu que le système proposé peut diminuer efficacement le tassement prédit pendant la durée d’étude et que la température du fluide caloporteur impacte le taux de tassement dû au dégel par rapport aux autres paramètres.