L'influence des flux hydriques et thermiques dans la zone non-saturée sur les performances énergétiques des échangeurs géothermiques

Influence of the hydraulic and thermal flows in unsaturated soil on the thermal performances of shallow ground heat exchangers

• Auteur / Autrice : Margot Dupuis
• Direction : Mohamed Azaroual
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISTO - Institut des Sciences de la Terre d'Orléans

Mots clés

Mots clés libres

Couplage thermo-hydrauliques

Zone non saturée

Géothermie de surface

Hydrothermal coupling

Unsaturated soil

Shallow geothermal energy

Résumé

Actuellement les méthodes de dimensionnement des échangeurs géothermiques de surface sont basées sur un modèle purement conductif. Le transfert thermique en zone non-saturée (ZNS) est fortement dépendant de la dynamique hydrogéologique (flux hydriques) et au taux de saturation du terrain et de ses variations. Le couplage entre ces phénomènes peut avoir un impact sur la performance des échangeurs géothermiques superficiels en boucle fermée qu'il est nécessaire d'évaluer en prenant en compte la dimension convective de la zone non saturée (ZNS). L'objectif de la thèse est de déterminer dans quelle mesure la prise en compte des interactions complexes dans la ZNS entre le champ de température, le déplacement de l'eau interstitiel et le taux de saturation, ainsi que la géochimie du milieu, permet d'améliorer la précision du dimensionnement des échangeurs géothermiques en boucle fermée soumis à des sollicitations thermiques cycliques. La thèse s'appuiera sur des modélisations basées sur les résultats de campagnes de mesures sur l'Observatoire des transferts dans la Zone Non Saturée « O-ZNS » et la plateforme géothermie du BRGM, mettant en relation et en synergie les connaissances respectives des hydrogéologues et géochimistes spécialistes de la zone non-saturée, et des énergéticiens.

Calculations for the installation of shallow ground heat exchangers generally assume that heat transfer in the ground is purely conductive. However they are often installed in unsaturated soils where heat transfer is strongly related to water displacement and saturation variation. The impact of these thermo-hydraulic couplings on closed-loop shallow geothermal heat exchangers can be important. The thesis will determine the pertinence of taking into consideration the complex interactions between the temperature field, heat transfer dynamics, interstitial flow and saturation variation, as well as the geochemistry of the soil and fluid, in order to improve the dimensioning method of the shallow ground heat exchangers. Experimental campaigns will be performed on the BRGM Geothermal Heat Exchangers Test Facility and on the observatory of transfers in the vadose zone “O-ZNS” platform, therefore bringing together the modelling approaches of the unsaturated soil from energetics, hydrogeology and geochemistry.