Can geothermal heat pump systems be operated in a subarctic climate? - Lessons learned from Kuujjuaq

ABSTRACT: Remote communities of Northern Canada heavily rely on diesel for space heating, causing adverse environmental and societal impacts. One of the alternatives to heat buildings is to use geothermal, also named ground source, heat pump systems allowing to reduce conventional energy consumption with benefits from the Earth thermal inertia. However, operating a geothermal heat pump system in such a cold climate can be challenging because the subsurface temperature is near freezing conditions while heating and cooling loads are unbalanced. In fact, buildings mostly require heating only during the year and ground heat exchangers can progressively cool the subsurface throughout the lifetime operation of the system. Therefore, the objective of this project was to evaluate if vertical ground heat exchangers can be properly operated at a very low fluid temperature, down to about -10 degC, when installed in a subarctic environment. Characterization of the ground thermal properties and analytical simulation of ground source heat pump operations were undertaken for a typical commercial building in Kuujjuaq, Northern Quebec, where heating degree days below 18 degC reach 8 500, while the undisturbed ground temperature is near 1 degC. Simulations achieved for twenty years showed that energy savings on the order of 55 to 76 % can be expected although an outlet temperature of the ground heat exchangers going down to -7 degC. Geothermal heat pump development appears feasible in such a subarctic climate and can help decreasing diesel dependence in remote communities of Canada.

RÉSUMÉ: Les communautés isolées du nord du Canada dépendent fortement du diesel pour le chauffage des bâtiments, ce qui a des conséquences néfastes sur l'environnement et la société. Une des alternatives au chauffage des bâtiments consiste à utiliser des systèmes de pompes à chaleur géothermique, ou couplées au sol, qui permettent de réduire la consommation d'énergie conventionnelle en bénéficiant de l'inertie thermique de la Terre. Cependant, le fonctionnement d'un système de pompe à chaleur géothermique dans un climat aussi froid peut être difficile car la température du sous-sol est près du point de congélation alors que les charges de chauffage et de climatisation des bâtiments sont déséquilibrées. En effet, les bâtiments ont essentiellement besoin que du chauffage durant toute l'année et les échangeurs de chaleur au sol refroidiront progressivement le sol tout au long de la durée de vie du système. L'objectif de ce projet était donc d'évaluer si des échangeurs de chaleur au sol aménagés de façon verticale peuvent fonctionner correctement à une température de fluide très basse, jusqu'à environ -10 °C, lorsqu'installés dans un environnement subarctique. La caractérisation des propriétés thermiques du sous-sol et la simulation analytique de l’opération des pompes à chaleur géothermiques ont été effectuées pour un bâtiment commercial type à Kuujjuaq, au Québec, où les degrés-jours de chauffage inférieurs à 18 °C atteignent 8 500, alors que la température du sol non perturbé est près de 1 °C. Les simulations réalisées pendant vingt ans ont montré que l'on peut s'attendre à des économies d'énergie de l'ordre de 55 à 76 %, bien que la température de sortie des échangeurs de chaleur souterrains puisse descendre jusqu'à -7 °C. Le développement des pompes à chaleur géothermique apparait faisable dans un tel climat subarctique et peut contribuer à réduire la dépendance au diesel dans les communautés éloignées du Canada.