Novel thermo-mechanical model to assess utilization of geothermal energy for de-icing of the Fredrick G. Gardiner expressway

ABSTRACT: Snow/ice critically affects the safety, mobility, and durability of roads and bridges in cold regions. In 2020 alone, the City of Toronto reported 250 collisions due to snow accumulation. Bridge decks are vital components of a transportation network, also the most vulnerable to preferential icing due to more rapid heat loss compared to the bridge approaches. Conventional snow/ice removal methods include mechanical plowing and usage of salt, sand, and/or chemical freezing-point depressants. These methods are often expensive (e.g., the City of Toronto uses approximately 127,000 tonnes of road salt yearly, at an average cost of $11.3 million), temporary, could affect traffic mobility, and extensively damage the infrastructure through surface scaling, corrosion of reinforcement, and rust in conduit pipes. Additionally, conventional deicing methods negatively impact surrounding vegetation and cause salification of freshwater. A sustainable alternative practice for snow/ice removal is to heat the bridge deck surface using embedded hydronic pipes, utilizing the shallow geothermal energy underground. This is achieved by employing ground loop heat exchangers and heat pumps. Our study is aimed at evaluating the feasibility of utilizing the geothermal energy for de-icing the Gardiner Expressway, a pivotal transportation corridor in Toronto which has been rapidly corroding due to the use of road salt. Novel thermo-mechanical numerical models are developed in this study using COMSOL and FLAC3D to: 1) simulate the thermo-mechanical performance of a proposed geothermal borehole incorporating local environmental conditions and in-situ soil characteristics. Results provide valuable insight regarding the applicability of such systems for snow melting/de-icing transportation networks in Canada.

RÉSUMÉ: La neige/glace affecte de maniere critique la securite, la mobilite et la durabilite des routes et des ponts dans les regions froides. Rien qu'en 2020, la ville de Toronto a signale 250 collisions dues a l'accumulation de neige. Les tabliers de pont sont des elements vitaux d'un reseau de transport, egalement les plus vulnerables au givrage preferentiel en raison d'une perte de chaleur plus rapide par rapport aux approches du pont. Les methodes conventionnelles de deneigement et de deglacage comprennent le deneigement mecanique et l'utilisation de sel, de sable et/ou de depresseurs chimiques du point de congelation. Ces methodes sont souvent couteuses (par exemple, la ville de Toronto utilise environ 127 000 tonnes de sel de voirie par an, pour un cout moyen de 11,3 millions de dollars), temporaires, elles peuvent affecter la mobilite de la circulation et endommager considerablement l'infrastructure par l'ecaillage de la surface, la corrosion des armatures et la rouille dans les conduites. En outre, les methodes conventionnelles de deglacage ont un impact negatif sur la vegetation environnante et entrainent la salification de l'eau douce. Une pratique alternative durable pour le deneigement et le deglacage consiste a chauffer la surface du tablier du pont a l'aide de tuyaux hydroniques encastres, en utilisant l'energie geothermique souterraine peu profonde. Pour ce faire, on utilise des echangeurs de chaleur a boucle souterraine et des pompes a chaleur. Notre etude vise a evaluer la faisabilite d'utiliser l'energie geothermique pour le degivrage de l'autoroute Gardiner, un corridor de transport essentiel a Toronto qui s'est rapidement corrode en raison de l'utilisation de sel de voirie. De nouveaux modeles numeriques thermo-mecaniques sont developpes dans cette etude en utilisant COMSOL et FLAC3D pour : 1) simuler la performance thermo-mecanique d'un forage geothermique propose en incorporant les conditions environnementales locales et les caracteristiques du sol in situ. Les resultats fournissent des indications precieuses sur l'applicabilite de tels systemes pour la fonte de la neige et le degivrage des reseaux de transport au Canada.