Geothermal potential of hybrid ground heat exchangers: closed-loop with forced convection in a groundwater filled borehole

Xavier Leveillee-Dallaire, Felix-Antoine Comeau, Jasmin Raymond

Dans les comptes rendus d’articles de la conférence: GeoNiagara 2021: 74th Canadian Geotechnical Conference; 14th joint with IAH-CNC

RÉSUMÉ: En Amérique du Nord, les échangeurs de chaleur géothermique (ÉCGs) utilisés pour les systèmes verticaux de pompe à chaleur couplées au sol sont généralement remplis d’un coulis pour éviter l’infiltration des eaux souterraines. Cependant, dans les pays scandinaves, une approche différente est parfois utilisée : l’ouverture du puits est scellée et un tubage en métal est installé jusqu’au socle rocheux. Ainsi, l’eau souterraine remplit l’espace généralement occupé par le coulis, ce qui entraîne de la convection libre interne Alternativement, une pompe peut être utilisée pour créer les mouvements de convection à l’intérieur du puits. Dans le cadre de cette étude, un test de réponse thermique (TRT) a été réalisé dans un puits rempli d’eau souterraine afin d’évaluer les bénéfices potentiels de ce système, appelé échangeur de chaleur géothermiques hybrides (ÉCGHs). Le TRT a été effectué sur un ÉCGH fait avec un double tube en U composé de polyéthylène de haute densité (PEHD) avec une conductivité thermique améliorée. La convection forcée a été induite en faisant circuler l’eau souterraine dans le forage à l’aide d’une pompe à jet. L’analyse a permis de constater que la résistance thermique, qui était de 0.015 m K W-1, peut être réduite de ~80% lorsqu’évalué avec un TRT sans convection forcée. À partir de ces observations, la longueur de forage requise pour un bâtiment multi-résidentiel selon trois cas a été estimée ; (1) ÉCG conventionnel remblayé de coulis avec un seul tube en U fait de PEHD ordinaire ; (2) ÉCGH avec un double tube en U fait de PEHD amélioré sur le plan thermique ; (3) ÉCGH avec un double tube en U fait de PEHD amélioré sur le plan thermique avec convection forcée dans l’eau du puits. Les cas 2 et 3 ont respectivement réduit la longueur de forage requise de 11% et 26%, lorsque comparés au cas 1.

ABSTRACT: Ground heat exchangers (GHEs) used in vertical ground-coupled heat pump systems of North America are commonly backfilled with grout to avoid groundwater infiltration. However, in Scandinavian countries, a different approach is sometimes adopted; the opening of the borehole is sealed and a metal casing is installed until solid rock. Thus, groundwater fills the free space usually taken by the grout, allowing internal free convection. Alternatively, a pump can be used to force convection inside the borehole. In this study, a thermal response test (TRT) was performed in a groundwater-filled borehole to evaluate the potential upgrade of such hybrid ground heat exchangers (HGHEs). The TRT was carried out in a HGHE made with a double U-pipe composed of thermally enhanced high-density polyethylene (HDPE). Forced convection was created by circulating groundwater in the borehole with a surface pump. The analysis revealed that the borehole thermal resistance, which was 0.015 m K W-1, can be reduced by ~80% when compared to that evaluated during a TRT without forced convection. Based on those observations, the borehole length required for multi-residential buildings was estimated for three cases; (1) conventional grouted GHE with a single U-pipe made of regular HDPE; (2) HGHE with a double U-pipe made of thermally enhanced HDPE; (3) HGHE with a double U-pipe made of thermally enhanced HDPE with forced convection in the groundwater-filled borehole. The cases 2 and 3 reduced the required borehole length by 11% and 26%, respectively, when compared to case 1.

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