Thermo-hydro-mechanical behavior of an embankment to store thermal energy

Nowadays, thermal energy storage in geostructures like embankments can be possible by installing the horizontal heat exchangers in different layers of compacted soil. In this system, the thermal energy is stored in summer via a fluid, circulating in the heat exchangers, to be extracted in the demand period. When the serviceability of embankment as a medium to store the thermal energy starts, the compacted soil will be subjected to the daily and seasonally temperature variations. These seasonal temperature variations could modify the thermo-hydro-mechanical performance of the compacted soil. Thus, the aim of this study is to investigate the thermal and mechanical performances of a compacted soil when it is subjected to monotonic and cyclic temperature variations. The studied soil is a sandy lean clay that is frequently used in embankment constructions in France. The thermal and mechanical behavior of the soil are investigated at a compaction state corresponding to the optimal thermal properties. However, this compacted soil is unsaturated and the estimation of its thermal properties is complex. In this study, an inverse analytical model is proposed to estimate the thermal properties of the soil using temperature monitoring in the range of 20 to 50 °C in a soil compacted in a large container. The estimated thermal parameters were compared to classical laboratory measurements (transient and steady-state methods). The comparison showed that the estimated values were close to the results obtained in transient laboratory method. Using this method, the thermal efficiency of the compacted soil can be verified in the lifetime of the storage system. To ensure the structure stability, long-term mechanical response of these systems subjected to monotonic and cyclic temperature variations should be investigated. To achieve this aim, using temperature-controlled oedometric and direct shear devices, consolidation and shear parameters of the studied soil at different monotonic (5, 20, and 50 °C) and cyclic (5 to 50 °C) temperatures were investigated. The results of temperature-controlled oedometric tests showed that the effect of the temperature variation is more pronounced under vertical pressures higher than the preconsolidation pressure. The compression and swelling indexes could be considered independent of temperature variations. Therefore, the overall settlement of the embankment due to thermal variation near the heat exchangers could be considered negligible. The results of temperature-controlled direct shear tests showed that the temperature variations (monotonic heating or cooling, or temperature cycles) increased the cohesion which is beneficial for the bearing capacity and slope stability of embankments. These results can be directly used in the design of embankments to store thermal energy exposed to similar thermo-mechanical paths. Finally, the thermal performance of the compacted soil is verified using a numerical simulation considering the soil atmosphere interaction. Different depths installation of heat exchanger loops and different heat storage scenarios were simulated. The results showed that the compacted soil increases 8.5% the systems performance compared to the horizontal loop installation in the local soil. The results of two different scenarios show that an inlet fluid temperature of 50 °C in summer increases highly the system performance (13.7% to 41.4%) while the improvement is less significant (0% to 4.8%) for the ambient inlet temperature. Moreover, a deeper installation of horizontal loops increases the system performance. From the numerical simulation results can be concealed that the embankment is in interaction with the atmosphere from its upper and lateral surfaces, the thermal efficiency of the structure could be affected due to heat losses. Therefore, it is preferable to place the heat exchangers away from the top and side surfaces.
Le stockage de chaleur dans des géostructures énergétiques telles que des remblais est réalisable en installant des échangeurs horizontaux au sein des différentes couches de sol compacté. Dans ce système, l'énergie thermique qui est injectée en été via un fluide caloporteur circulant dans les échangeurs de chaleur, peut être extraite en période hivernale. Dans ces conditions, lors de la mise en service, le sol compacté est soumis à des variations de température quotidiennes et saisonnières. Ces variations pourraient modifier les performances thermo-hydro-mécaniques du sol compacté. Ainsi, le but de cette étude est d'étudier les performances thermiques et mécaniques d'un sol compacté lorsqu'il est soumis à des variations de température monotones et cycliques. Le sol étudié est un limon fréquemment utilisé dans les constructions de remblais en France. Le comportement thermique et mécanique du sol est étudié à un état de compactage correspondant aux propriétés thermiques optimales. Dans cet état, le sol compacté est non saturé ce qui complexifie l'estimation de ses propriétés thermiques. Pour pallier à ces difficultés, dans cette étude, un modèle inverse est proposé pour estimer les propriétés thermiques du sol compacté. L’efficacité du modèle est testée sur un jeu de données acquises dans la gamme de 20 à 50 °C dans un modèle réduit en laboratoire. Les valeurs obtenues sont ensuite comparées à des mesures classiques en laboratoire (méthodes en régime transitoire et en régime permanent). Cette méthode pourrait permettre de suivre l’évolution des propriétés thermiques du stockage et ainsi assurer son efficacité tout au long de sa durée de vie. La question de la stabilité à long terme de ces structures soumises à des variations thermiques monotones (5, 20 et 50 °C) et cycliques (5 à 50 °C) est ensuite abordée à l'aide d'essais oedomètriques et d’essais de cisaillement direct à température contrôlée. Les résultats des essais de compressibilité ont montré que l'effet de la variation de température est plus prononcé sous une contrainte verticale supérieure à la pression de préconsolidation. Les indices de compression et de gonflement peuvent être considérés comme indépendants des variations de température. Donc le tassement global du remblai dû aux variations thermiques pourrait être considéré comme négligeable. Les résultats des essais de cisaillement direct ont montré que les variations de température (monotones ou cycliques) augmentent la cohésion ce qui est avantageux pour la capacité portante et la stabilité des pentes des remblais. Dans la phase de conception d'un remblai de stockage, ces résultats seraient utiles au dimensionnement du système si des trajectoires thermomécaniques similaires à celles de cette étude sont respectées. Dans une dernière partie, une simulation numérique prenant en compte l'interaction sol-atmosphère est réalisée afin d’évaluer la performance thermique de ce sol compacté en conditions naturelles. Différentes profondeurs d'installation de boucles d'échangeurs de chaleur sont testéss ainsi que différents scénarios de stockage. Les résultats ont montré que le sol compacté augmente de 8.5% les performances du système par rapport à l'installation d'une boucle horizontale dans le sol naturel (non compacté). Les résultats de deux scénarios différents ont montré qu’en été avec un fluide ayant une température d'entrée de 50 °C augmente significativement la performance du système. De plus, une installation plus profonde des boucles horizontales améliore également la performance du système. Il convient de noter que le remblai est en interaction avec l'atmosphère depuis ses surfaces supérieure et latérale, l'efficacité thermique de la structure pourrait être affectée en raison des pertes de chaleur. Par conséquent, il est préférable de placer les échangeurs de chaleur loin des surfaces supérieures et latérales.