Formulation of a 1D finite element of heat exchanger for accurate modelling of the grouting behaviour: Application to cyclic thermal loading

This paper presents a comprehensive formulation of a finite element for the modelling of borehole heat exchangers. This work focuses on the accurate modelling of the grouting and the field of temperature near a single borehole. Therefore the grouting of the BHE is explicitly modelled. The purpose of this work is to provide tools necessary to the further modelling of thermo-mechanical couplings. The finite element discretises the classical governing equation of advection-diffusion of heat within a 1D pipe connected to ground nodes. Petrov-Galerkin weighting functions are used to avoid numerical disturbances. The formulation is able to capture highly transient and steady-state phenomena. The proposed finite element is validated with respect to analytical solutions. An example consisting of a 100 m depth U-pipe is finally simulated. A first continuous heating simulation highlights the nonsymmetric distribution of temperature inside and near the borehole. An estimation of the error on the results as a function of the resolution parameters is also carried out. Finally simulations of cyclic thermal loading exhibit the need to take into account all daily variations if the grouting behaviour must be modelled. This is true especially in case of freeze-thaw damaging risk.Geotherwa

Vue du Port-de-Paix, l\u27un des plus anciens établissements français à Saint-Domingue, d\u27après une gravure de Partenay datée de 1687 ( Bibliothèque Nationale, Cabinet des estampes )

Gravur

Développement d'une méthodologie d'évaluation des performances de systèmes de pompes à chaleur géothermiques

L'évaluation précise des performances de systèmes de pompes à chaleur géothermiques est un facteur clé pour justifier l'intérêt du déploiement de cette technologie parmi les nombreux systèmes de chauffage, refroidissement et production d'eau chaude sanitaire disponibles. Bien qu'au niveau de la pompe à chaleur même il existe des méthodes permettant de caractériser son efficacité en conditions nominales, l extrapolation aux performances annuelles du système global composé de la pompe à chaleur, du bâtiment, de la sonde géothermique, du climat et de la régulation associée reste très approximative. Afin de prendre en compte les effets dynamiques à plus ou moins long terme inhérents à un tel système, l objectif de cette thèse est de proposer une nouvelle méthodologie d'évaluation des performances de systèmes de pompes à chaleur géothermiques basée sur la technique de l'émulation. Cette technique permet d'incorporer une pompe à chaleur réelle dans un environnement de simulation dans lequel les possibilités de modélisation de systèmes sont multiples. Dans un premier temps, un état de l'art des méthodes d'évaluation existantes est réalisé, puis dans un deuxième temps, la modélisation de sondes géothermiques abordée à travers un recensement des modèles existants, le développement d'un modèle et une étude expérimentale. Enfin, le principe de la nouvelle méthodologie d'essai développée est présenté et mis en application à l'aide d'un banc d'essai adapté.The accurate evaluation of performance of ground coupled heat pump systems is a key factor for a broader exploitation of this technology among other various available systems for heating, cooling and domestic hot water production. Although there exist methods allowing to assess the efficiency of the heat pump itself in nominal conditions, the extrapolation to annual performances of the global system composed of the heat pump itself, the building, the ground heat exchanger, the climate and the associated controller, remains quite approximative. In order to take into account dynamic effects that are inherent to such a system, the objective of the thesis is to present a new methodology for the evaluation of performance of ground coupled heat pump systems, based on the emulation technique. The latter allows to integrate a real heat pump in a simulated environment that offers multiple system configurations. First, a state of the art of the existing methods is realized. Then the ground heat exchanger modelling is dealt with through a litterature review of existing models, the development of a new model and its experimental comparison. Finally, the principle of the developed methodology is presented and a first application is performed on an adapted test bench.CHAMBERY -BU Bourget (730512101) / SudocSudocFranceF

Choix parcimonieux de modélisation pour la simulation des réseaux de chaleur

International audienceIn district energy simulation, new models are developed to address the issues arising in the urbanscale. These models can be at different levels of detail, which can influence the simulation time but also the multiple outputs in different ways. A new methodology that can tackle the issues of parsimonious modelling is then useful to know the influence and the necessity of such model complexity. This methodology is here applied to district heating networks. The global network model is divided in several sub-models for which several level of details are used. The individual and inter-effects of these sub-models are studied on several outputs, showing variable deviations following different district characteristics. It is then possible to choose parsimonious combinations of models complexity, taking into account the number of necessary parameters, simulation time and model complexity.De nouveaux modèles sont développés pour répondre aux problématiques que soulève la modélisation énergétique à l'échelle du quartier par rapport à celle d'un unique bâtiment. La complexité de ces modèles influence la précision du résultat mais aussi le temps de calcul. Une méthodologie d'analyse de la parcimonie de ces modèles est proposée pour en connaître l'influence et la nécessité au vu de la problématique étudiée. Cette méthodologie est ici appliquée au cas des réseaux de chaleur, un des systèmes clés à l'échelle quartier. Pour cela le réseau est divisé en plusieurs sous-modèles pour lesquels différents niveaux de détail sont proposés. Les effets individuels et les inter-effets des sous-modèles sur différentes sorties de simulation sont étudiés, montrant des écarts variables suivant les types et caractéristiques de quartiers. Des choix parcimonieux de combinaisons de modèles par type de quartiers peuvent alors être déterminés suivant le nombre de paramètres utilisés, le temps de simulation ou la complexité des modèles

Solar shading and multi-zone thermal simulation: Parsimonious modelling at urban scale

International audienc

Urban-scale energy simulation: A development of a novel method for parsimonious modelling -The example of solar shading model calculation

International audienceIn district energy simulation, new models are developed to address the issues arising in the urban-scale. These models can be at different levels of detail, which can influence the simulation time but also the multiple outputs in different ways. In this paper we present the development of a new methodology that can tackle the issues of parsimonious modelling, namely find a trade-off between the available data, the different modelling levels of detail, the expected output and the simulation time. More particularly, this paper focuses on one specific phenomenon, solar shading models at a district scale, and aims to analyse its influence on different performance indicators, such as the building energy needs, power demand or the thermal comfort, following multiple district's morphologies. The comparison's results on 3 types of districts show that static models are not always sufficient to assess accurately the heating demand or power needs. A more sophisticated model can be used without more computational time needed for simple districts. To choose the adapted models for a given context, a first table is given using the criteria D * H (density*height)