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Évaluation de la performance d’un champ de forages géothermiques.

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Jaziri, Nehed (2018). Évaluation de la performance d’un champ de forages géothermiques. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de la terre, 110 p.

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Résumé

Les systèmes de pompes à chaleur géothermique sont couramment installés dans les bâtiments institutionnels. Ils offrent des économies d’énergie avantageuses et permettent de réduire les émissions de gaz à effet de serre. L’école Carignan-Salières, située sur la rive sud de Montréal, est un exemple de bâtiment muni d’un système de pompes à chaleur géothermique fonctionnel depuis 2013 et qui assure les besoins en chauffage et en climatisation. Ce dernier fonctionne sous des conditions variables d’écoulement d’eau souterraine à cause de sa localisation à proximité de deux carrières où l’eau est irrégulièrement pompée dans l’une de celles-ci. Les forages aménagés pour les échangeurs de chaleur ont été remplis de sable d’olivine puisque l’écoulement souterrain a rendu difficile le colmatage des forages avec un coulis. L’objectif de ce travail est d’évaluer la performance des échangeurs de chaleur à long terme, tout en mettant en évidence l’impact du choix des matériaux de remplissage des forages et de l’écoulement d’eau souterraine sur les transferts thermiques au niveau du sous-sol. Un test d’injection de chaleur a été réalisé dans le but d’évaluer la réponse thermique de tout le champ de forages géothermiques. Les données enregistrées ont permis de développer un modèle préliminaire simple, à travers lequel la conduction de chaleur dans le sous-sol a été simulée pour évaluer la température d’opération des échangeurs de chaleur géothermique durant 20 ans. Les résultats ont montré que les matériaux de remplissage des forages ont un impact mineur sur la performance du système par rapport à l’impact que peut avoir la conductivité thermique apparente du sous-sol. Un deuxième modèle simulant les transferts de chaleur par convection dans le sous-sol a été développé selon la méthode des d’éléments finis. Des mesures en laboratoire de la conductivité thermique du roc ont permis de mieux définir ce paramètre dans le modèle numérique. Les trente-et-un forages géothermiques ont été représentés avec des éléments 1D, superposés aux éléments 3D qui constituent le sous-sol formé de shales et calcarénites de la Formation de Nicolet dans les Basses-Terres du Saint-Laurent. Le modèle numérique, calibré avec les données du test d’injection de chaleur, a été utilisé pour simuler des scénarios d’opération du système géothermique sous différentes conditions d’écoulement d’eau souterraine liées au pompage de la carrière avoisinante. Le gradient hydraulique, imposé par le biais de charges hydrauliques constantes aux frontières du modèle, a un impact important sur la performance du système géothermique. Lorsque le débit spécifique dans l’aquifère est supérieur à 2×10⁻⁷ m³ s⁻¹, ce qui correspond à la situation actuelle où l’eau souterraine est pompée de la carrière avoisinante, la température minimale à la sortie des échangeurs de chaleur pour une durée de 20 ans se situe au-delà 5 °C. Lorsque le débit spécifique dans l’aquifère est de 6×10⁻⁸ m³ s⁻¹, ce qui représente des conditions pour lesquelles le pompage de l'eau est arrêté ou diminué dans la carrière, la température minimale du fluide caloporteur à la sortie des échangeurs de chaleur s’approche toutefois de -3°C alors que le point de congélation du fluide caloporteur est -10 °C. L’écoulement d’eau souterraine accrue a présentement un effet bénéfique sur l’opération du système géothermique de l’école Carignan-Salières. Un suivi de la température d’opération du système géothermique est recommandé dans le cas où le pompage de l’eau dans la carrière avoisinante est arrêté définitivement.

Type de document: Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Raymond, Jasmin
Co-directeurs de mémoire/thèse: Molson, John
Mots-clés libres: champ de forages géothermiques; matériaux de remplissage; écoulement; eau souterraine; école Carignan-Salières
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 04 mars 2019 16:07
Dernière modification: 04 mars 2019 16:07
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/7873

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