Caractérisation des interactions entre géostructures thermiques au sein d'un écoulement

Characterization of interactions between energy geostructures within ground water flow

• Auteur / Autrice : Badr Ouzzine
• Direction : Philippe Reiffsteck, Jean Gauthier De Sauvage
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géotechnique
• Date : Soutenance le 12/10/2023
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Laboratoire Sols, Roches et Ouvrages géotechniques - Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Laboratoire Sols, Roches et Ouvrages géotechniques
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Reiffsteck, Jean Gauthier De Sauvage, Cristina Tsuha, Fleur Loveridge, Anh-Minh Tang, Gopal Madabhushi, Giulia Viggiani, Sahar Hemmati
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Cristina Tsuha, Fleur Loveridge

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Géothermie

Eaux souterraines -- Écoulement

Échangeurs de chaleur

Mots clés libres

Géostructures thermiques

Modélisation en centrifugeuse

Écoulement souterrain

Interactions

Éléments finis

Energy geostructures

Centrifuge modeling

Ground water flow

Interactions

Finite Elements

Résumé

L'évolution des villes et le contexte énergétique et environnemental actuel nécessite de développer encore les énergies renouvelables et de réduire les émissions de gaz à effet de serre. Les géostructures thermiques, qui se développent depuis les années 80, permettent de répondre à ces deux objectifs en utilisant les ouvrages géotechniques comme des échangeurs thermiques, leur donnant ainsi une seconde utilité. Le principe consiste à placer des tubes échangeurs dans les pieux, les parois moulés, ou encore les voussoirs des tunnels pour profiter de la constance de la température dans le sol à partir d'une certaine profondeur et puiser de la chaleur en hiver ou de la fraicheur en été grâce à une pompe à chaleur réversible. Ce faisant, le champ de température est localement modifié dans le sol, et l'on nomme cette modification: anomalie thermique. La présence d'écoulement d'eau souterrain favorise les échanges thermiques et dissipe les anomalies thermiques qui se créent dans le sol en fonction du fonctionnement des géostructures. Cependant, l'écoulement déplace l'anomalie thermique dans l'espace et le panache thermique qui se crée est susceptible d'interférer énergétiquement et mécaniquement avec d'autres ouvrages géotechniques, qu'ils soient géothermiques ou non. L'objectif de cette thèse est de caractériser ces interactions au sein d'une structure ou entre différentes structures. Pour cela, un premier travail expérimental en centrifugeuse sur des modèles réduits a été mené au Schofield Centre, University of Cambridge. L'objectif était de caractériser le transfert thermique dans le sol ainsi que le comportement d'un groupe de pieux géothermique au sein d'un écoulement. Par la suite, l'influence de l'écoulement sur l'efficacité d'un système géothermique a été étudiée numériquement. Enfin, sur la base des résultats expérimentaux, un modèle numérique hydro-thermo-mécanique a été réalisé sur un logiciel de calcul en éléments finis afin d'extrapoler les résultats à différents scénarios

Urban development and the current energy and environmental context require the development of renewable energies and the reduction of greenhouse gas emissions. Energy geostructures, which have been developing since the 1980s, help to achieve these two objectives by using geotechnical structures as heat exchangers, giving them an energetic use in addition to the mechanical one. The principle is to place heat exchanger tubes in the piles, formwork or tunnel segments to exploit the constant temperature of the ground from a certain depth, extracting heat in winter and cooling in summer using a reversible heat pump. The temperature field is locally modified, and this modification is known as a thermal anomaly. The presence of groundwater flow promotes heat exchange and dissipates the thermal anomalies created in the ground by the operation of the geostructures. However, the flow displaces the thermal anomaly in the ground and the resulting thermal plume is likely to interfere energetically and mechanically with other geotechnical structures, whether geothermal or not. The aim of this thesis is to characterise these interactions within a structure or between structures. To achieve this, initial experimental work using a centrifuge on reduced scale models was carried out at the Schofield Centre, University of Cambridge. The aim was to characterise heat transfer in the ground and the behaviour of a group of energy piles in a flow. The influence of flow on the efficiency of a geothermal system was then studied numerically. Finally, based on the experimental results, a hydro-thermo-mechanical numerical model was developed using finite element software to extrapolate the results to different scenarios