Étude des systèmes de pompe à chaleur géothermique horizontaux pour les serres urbaines du Québec / Study of horizontal geothermal heat pump systems for urban greenhouses in Quebec.

Léveillée-Dallaire, Xavier (2023). Étude des systèmes de pompe à chaleur géothermique horizontaux pour les serres urbaines du Québec / Study of horizontal geothermal heat pump systems for urban greenhouses in Quebec. Mémoire. Québec, Maîtrise en sciences de la Terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique / Reykjavik University, 69 p.

Prévisualisation

PDF Télécharger (3MB) | Prévisualisation

Résumé

Tout au long de l'histoire, l'agriculture urbaine a été considérée comme une solution à la sécurité alimentaire et aux perturbations des chaînes d'approvisionnement alimentaire mondiales, tout en permettant la production de légumes locaux. Les changements climatiques et le réchauffement de la planète étant principalement dus aux gaz à effet de serre (GES), il est très important de chauffer et de refroidir les serres urbaines dans une optique de développement durable, en utilisant des technologies telles que les systèmes de pompes à chaleur géothermiques. Les échangeurs de chaleur géothermiques horizontaux (ÉCGHs) à serpentin constituent une alternative à explorer pour réduire les coûts de chauffage et de climatisation de serres tout comme l’émission de GES. Par ailleurs, le coût d'installation de ces systèmes serait plus abordable que celui des systèmes d’ÉCG conventionnels. L'objectif de cette étude est d'évaluer le potentiel des ÉCGHs dans le chauffage et le refroidissement des serres urbaines considérant les avantages qu’offre l'installation du système sous la serre pour économiser de l'espace et potentiellement augmenter leur performance. Nous posons l’hypothèse que des ÉCGH installés sous une serre bénéficieraient d’un sol ayant une température plus élevée que si le système était installé à côté d’une serre bien que l’ÉCGH ne pourrait couvrir l’ensemble des besoins de chauffage et de climatisation. Des calculs de dimensionnement ont d’abord été effectués pour les ÉCGHs d'une serre de 7.62 m x 15.24 m située sur l'île de Montréal, où la consommation d'énergie annuelle, mensuelle et horaire a été estimée à partir de simulations de bâtiments antérieurs. Trois scénarios ont été utilisés pour réaliser ce calcul qui vise à déterminer le nombre et la longueur d'excavation requise selon les charges de chauffage et de climatisation couvertes en période de pointe; soit (1) 100 % des charges de refroidissement et de chauffage; (2) respectivement 100 % et 60% des charges de chauffage et de refroidissement et; (3) un pourcentage de charges variables en fonction d’un ÉCGH ayant des dimensions similaires à la serre, soit environ 116 m². Les dimensions estimées de l'excavation pour les cas 1 et 2 sont de 414 m2 et 326.4 m². Le pourcentage estimé des charges de pointe couvertes pour le cas 3 est de respectivement 40 % et 30% des charges chauffage et de refroidissement. En utilisant des données historiques de température atmosphérique, un profil de consommation d'énergie d’une serre en conception à La Pocatière (Québec, Canada) et des mesures des propriétés thermiques du sol, des simulations numériques réalisées par éléments finis avec FEFLOW v. 7.5 ont permis de déterminer quelle part des charges de chauffage et de refroidissement peut être couvertes si les ÉCGHs sont uniquement installés sous la serre. C’est à cette étape que l'effet d'une température constante au-dessus des ÉCGH et causée par la serre a pu être considéré. Les simulations ont impliqué quatre scénarios comparés à un cas de base. L'étude confirme qu'un minimum de 7.1 % et 26.5 % des charges totales de chauffage et de refroidissement d'une petite serre est couvert après un an d’opération avec un ÉCGH à une profondeur de 1.5 m sans serre au-dessus. En revanche, l'installation de ce même ÉCGH sous une serre à température constante de 21 °C fait passer les charges de chauffage couvertes à 22.8 % et les charges de refroidissement couvertes à 24.2 %. L'analyse de sensibilité indique que la température constante de la serre réduit la dépendance du système à l'égard de la température ambiante pour le chauffage et le refroidissement, même si le refroidissement est moins efficace.

Throughout history, urban agriculture has been seen as a solution to food security and disruptions in global food supply chains, while allowing to produce vegetables locally. With climate change and global warming primarily driven by greenhouse gases, heating and cooling urban greenhouses in a sustainable manner is very important, using technologies such as geothermal heat pump systems. Horizontal geothermal heat exchangers (HGHEs) with coils are an alternative to be explored to reduce greenhouse heating and cooling costs as well as greenhouse gas emissions. Moreover, the installation cost of these systems would be more affordable than that of conventional GHE systems. The objective of this study is to evaluate the potential of HGHEs in heating and cooling urban greenhouses considering the benefits of installing the system under the greenhouse to save space and potentially increase their performance. We assume that a HGHE installed under a greenhouse would benefit from a higher soil temperature than if the system were installed next to a greenhouse, although the HGHE would not be able to cover all the heating and cooling needs. Sizing calculations were first performed for the HGHEs of a 7.62 m x 15.24 m greenhouse located on the island of Montreal, where the annual, monthly, and hourly energy consumption was estimated from simulations of previous buildings. Three scenarios were used to perform this calculation to determine the number and length of excavations required based on the heating and cooling loads covered during peak periods; (1) 100% of the cooling and heating loads; (2) 100% and 60% of the heating and cooling loads, respectively; and (3) a percentage of variable loads based on a HGHE with similar dimensions to the greenhouse, i.e., approximately 116 m². The estimated dimensions of the excavation for cases 1 and 2 are 414 m2 and 326.4 m² . The estimated percentage of peak loads covered for case 3 is 40% and 30% of the heating and cooling loads, respectively. Using historical atmospheric temperature data, an energy consumption profile of a greenhouse under design in La Pocatière (Quebec, Canada) and measurements of the thermal properties of the soil, finite element simulations performed with FEFLOW v. 7.5 were used to determine how much of the heating and cooling loads can be covered if the HGHEs are installed only under the greenhouse. It was at this stage that the effect of a constant temperature above the HGHEs and caused by the greenhouse could be considered. The simulations involved four scenarios compared to a base case. The study confirms that a minimum of 7.1% and 26.5% of the total heating and cooling loads of a small greenhouse are covered after one year of operation with a HGHE at a depth of 1.5 m without a greenhouse above. In contrast, installing the same system under a greenhouse with a constant temperature of 21°C increases the covered heating loads to 22.8% and the covered cooling loads to 24.2%. The sensitivity analysis indicates that the constant greenhouse temperature reduces the system's dependence on ambient temperature for heating and cooling, even though cooling is less efficient.

Í gegnum söguna hefur landbúnaður í þéttbýli skapað aukið fæðuöryggi og dregið úr truflunum í alþjóðlegum matvælaframboðskeðjum, meðal annars með framleiðslu matjurta í gróðurhúsum. Með loftslagsbreytingum og hlýnun jarðar sem aðallega er knúin áfram af gróðurhúsalofttegundum er mikilvægt að hita og kæla þéttbýlisgróðurhús á sjálfbæran hátt með því að nota tækni eins og jarðhitadælukerfi. Lárétt jarðhitaskipti (HGHE) með lagnavafningum eru valkostur sem vert er að kanna til að draga úr kostnaði við hitun og kælingu gróðurhúsa sem og losun gróðurhúsalofttegunda. Ekki síst ef uppsetningarkostnaður slíks kerfs er hagkvæm í samanburði við hefðbundnar varmaskipta aðferðir. Markmið þessarar rannsóknar er að meta möguleika HGHE við upphitun og kælingu þéttbýlisgróðurhúsa með hliðsjón af ávinningi af því að setja kerfið undir gróðurhúsið til að spara pláss og mögulega bæta nýtni. Við gerum ráð fyrir að HGHE sem sett er upp, undir gróðurhúsi myndi njóta góðs af hærri jarðvegshita en ef kerfið væri sett upp við hliðina á gróðurhúsi, jafnvel þó að HGHE myndi ekki geta uppfyllt alla upphitunar- og kælingarþörf. Stærðarútreikningar fyrir láréttan jarðvarmaskipti (HGHE) voru fyrst gerðir fyrir 7.62 m x 15.24 m gróðurhús sem staðsett er á eyjunni Montreal: Meðalgildi orkunotkunar var áætlað fyrir hvern klukkutíma, hvern mánuð og hvert ár, út frá hermunum af fyrri byggingum. Þrjú svið voru notuð til að framkvæma þennan útreikning til að ákvarða umfang uppgraftar sem krafist er miðað við það upphitunar- og kælingarálag sem kerfið á að geta uppfyllt á álagstímum; (1) 100% af bæði kælingar og upphitunarálagi; (2) 100% af upphitunarálagi og 60% af kælingarálagi; (3) hlutfall breytilegs álags miðað við HGHE með svipuðum stærðum og gróðurhúsið, þ.e.a.s. um það bil 116 m². Áætluð mál uppgröftsins í tilvikum 1 og 2 eru 414 m2 og 326.4 m². Áætlað hlutfall hámarksálags sem fjallað er um í tilviki 3 er 40% upphitunarálagi og 30% af kælingarálagi. Með því að nota söguleg gögn um hitastig andrúmsloftsins, orkunotkun gróðurhúsa í hönnun í La Pocatière (Quebec, Kanada) og mælingar á hitauppstreymi jarðvegs, voru gerðar hermanir með FEFLOW v. 7.5 til að ákvarða hversu mikið af upphitunar- og kælingarálagi er hægt að uppfylla ef HGHE er aðeins sett upp undir golfi gróðurhússins. Það var á þessu stigi sem hægt var að huga að áhrifum stöðugs hitastigs yfir HGHE á gróðurhúsið. Hermanirnar fólu í sér fjórar sviðsmyndir sem voru bornar saman við grunntilfelli. Rannsóknin staðfestir að eins árs notkun með HGHE á 1.5 m dýpi undir óupphituðu gróðurhúsi gefur að lágmarki 7.1% af heildarhitunarþörf og 26.5% af kælingarþörf. Aftur á móti, ef sama HGHE-kerfið er sett undir gróðurhús með stöðugu hitastigi 21 °C, þá getur kerfið gefið 22.8% af hitunarþörfinni og 24.2% af kælingarþörfinni. Næmnigreiningin gefur til kynna að stöðugur gróðurhúsahiti dragi úr áhrifum umhverfishita á upphitun og kælingu, jafnvel þó aðeins dragi úr skilvirkni kælingar.

Type de document:	Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse:	Raymond, Jasminet Snæbjörnsson, Jónas Þór
Mots-clés libres:	agriculture urbaine; échangeurs de chaleur géothermiques horizontaux à serpentin; ÉCGHs; serres urbaines; gaz à effet de serre; GES
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	08 mars 2024 15:53
Dernière modification:	08 mars 2024 15:53
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13734

Gestion Actions (Identification requise)

Modifier la notice