Temporal monitoring of thermal disturbances induced by shallow heat exchangers : petrophysics modeling and geo-electrical imaging
Suivi temporel des perturbations thermiques induites par les corbeilles géothermiques : modélisation pétrophysique et imagerie géo-électrique
Résumé
Basket geothermal heat exchanger buried at shallow depth and connected to heat pumps can be used to heat and/or cool buildings. Heat transfers and performance related to geothermal basket are complex due to heterogeneous petrophysical properties of the soil, freezing of ground and surface environmental conditions e.g. air temperature variations. To study heat transfers, a geophysical monitoring of electrical conductivity and induced polarization has been developed using three experiments at different scales. First, a petrophysical model was designed from laboratory measurements. This model describes at the pore scale, the variation of electrical conductivity and chargeability according to the soil temperature and frost. This model was applied to an in-situ experiment to monitor the growth of an ice-core. We have also designed an analogic experiment at small scale and under controlled conditions in order to study the heat transfers and the effect of the soil freezing according to different environmental conditions. This study shows the importance of lateral flow and the influence of freezing during system operation. The petrophysical model was tested and validated with several datasets and geophysical monitoring was able to detect the formation and melting of the ice core.
Les corbeilles géothermiques sont des échangeurs thermiques hélicoïdaux implantés dans le proche sous-sol qui couplés à une pompe à chaleur, permettent de chauffer et/ou de rafraichir les bâtiments. Comprendre les transferts thermiques liés à ces systèmes et étudier leurs performances requiert de prendre en compte les propriétés pétrophysiques hétérogènes du sol, les phénomènes de changement de phase et les conditions environnementales, dont les variations de température de l’air et la pluviométrie. Dans ce but un monitoring géophysique en conductivité électrique et en polarisation provoquée a été développé à l’aide de trois expériences à différentes échelles. Tout d’abord, un modèle pétrophysique a été élaboré à partir d’une série d’expériences en laboratoire. Ce modèle décrit la variation de la conductivité électrique et de la chargeabilité en fonction de la température et du gel du sol à l’échelle porale. Ce modèle a été appliqué à une expérience in-situ pour suivre la formation d’un noyau de glace. Nous avons aussi développé une expérience analogique à échelle réduite et en conditions contrôlée pour mieux comprendre les transferts de chaleur au sein du sol et étudier l’impact du gel dans différentes conditions environnementales. Ces études ont montré l’importance des apports thermiques latéraux et l’impact du changement de phase lors du prélèvement de chaleur par la corbeille. Le modèle pétrophysique a été validé sur plusieurs jeux de données et les résultats du monitoring géophysique permettent de détecter la formation et la fonte d’un noyau glace.
Origine : Version validée par le jury (STAR)