Etude théorique et expérimentale d'échangeurs géothermiques hélicoïdaux : Production de chaud et de froid par pompe à chaleur, et dimensionnement d'installations

Theoretical and experimental study of geothermal spiral heat exchangers : Heating and cooling with heat pumps, and dimensioning systems

• Auteur / Autrice : Xavier Moch
• Direction : Benoît Stutz, Bernard Souyri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Génie des procédés
• Date : Soutenance le 05/02/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry ; 2007-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire d'optimisation de la conception et ingénierie de l'environnement (Le-Bourget-du-Lac, Savoie) - Institut national de l'énergie solaire (Le Bourget-du-Lac, Savoie)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : RYB-Terra
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Optimisation de la Conception et Ingénierie de l'Environnement
• Jury : Président / Présidente : Eric Arquis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Got, Claudon Fabrice, Marc Palomares
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Jacques Roux, Daniel Pahud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géothermie

Mots clés libres

Géothermie

Echangeur compact

Corbeille géothermique

Pompe à chaleur

Modélisation

Champ de corbeille

Geothermal energy

Compact heat exchanger

Geothermal helical heat exchanger

Heat pump

Model

Installation

Résumé

Cette thèse de doctorat a pour objet l'étude d'échangeurs géothermiques hélicoïdaux implantés dans le proche sous-sol. Ces objets font partie de la famille des échangeurs géothermiques compacts, et sont une alternative aux sondes verticales et aux nappes horizontales plus couramment utilisées pour chauffer et rafraîchir des bâtiments (géothermie sèche, très basse enthalpie). L'étude à la fois théorique et expérimentale de ces échangeurs mène à différents modèles, numériques comme analytiques, permettant de prévoir le comportement en température du sous-sol comme du fluide caloporteur. Des résultats de simulation intégrant le couplage aux bâtiments sont présentés, et des outils logiciels ont été créés pour aider au dimensionnement d'installations. De surcroît, un "test de réponse thermique" adapté à ces échangeurs a été développé, afin de permettre d'estimer les propriétés thermiques moyennes du sous-sol et la résistance thermique liée à l'installation de l'échangeur. Enfin, des conseils pratiques sont donnés, dont le but est d'obtenir les températures d'utilisation les mieux adaptées aux pompes à chaleur, et en conséquence d'améliorer les coefficients de performance du système.

This thesis consists in a study of geothermal helical heat exchangers buried in the close underground. These objects belong to the compact exchangers kind and may be used instead of borehole heat exchanger or geothermal horizontal exchangers to cope with the needs in heating and cooling buildings with a heat pump. A theoretical and experimental study of these exchangers leads to numerical and analytical models which can be used to estimate the temperatures in the underground and in the exchanger over years. Results of simulations including a building are given, and softwares were developed to help with the sizing of installations. Moreover, a specific "thermal response test" for helical heat exchangers was developed, in order to estimate the mean thermal properties of the underground and the thermal resistance between the heat transfer fluid and the underground. At least, practical advices are given, which goal is to get more valuable temperatures at the heat pump and as a consequence better coefficients of performance of the geothermal system.