Geotechnical considerations in the design of borehole heat exchangers

The use of ground source heat pumps to transfer heat to and from the ground via borehole heat exchangers (BHEs) is among the most energy efficient techniques for space heating and cooling. Broader applications in urban environments require more careful evaluation of hydro-mechanical behavior of soil to ensure their reliable long-term performance and to minimize adverse effects on adjacent structures. An advanced soil model has been integrated within a finite difference (FD) framework, to solve coupled thermo-hydro-mechanical (THM) problems in an axisymmetric space. The FD simulator is applied to a prototype project and the ground conditions represent typical stress history profiles found in Geneva, Switzerland. An extensive parametric study is undertaken to study the long-term THM response of clay for a broad range of heat exchanger design parameters. The results show that significant settlements can be induced due to the long-term operation of BHEs (i.e., over periods from 10 to 50 years). The parametric study gives useful guidelines for heat exchanger design and identifies a design space of optimum solutions that meet pre-specified foundation settlement criteria. The study provides a qualitative investigation and a systematic framework for analyzing the long-term THM response of clay to seasonal heating and cooling. Key words: ground heat exchangers, ground source heat pumps, finite difference methods, constitutive modeling, parametric study. L'utilisation de pompes geothermiques pour transferer la chaleur vers et depuis le sol via des echangeurs de chaleur de forage (BHE) est l'une des techniques les plus efficaces sur le plan energetique pour le chauffage et le refroidissement des locaux. Des applications plus larges en milieu urbain necessitent une evaluation plus minutieuse du comportement hydro-mecanique des sols afin de garantir leur performance fiable a long terme et de minimiser les effets negatifs sur les structures adjacentes. Un modele de sol avance a ete integre dans un cadre des differences finies (FD), pour resoudre les problemes thermo-hydro-mecaniques (THM) couples dans un espace axisymetrique. Le simulateur FD est applique a un projet prototype et les conditions du sol representent les profils typiques des contraintes deja subies que l'on trouve a Geneve, en Suisse. Une etude parametrique approfondie est entreprise pour etudier la reponse THM a long terme de l'argile pour un large eventail de parametres de conception des echangeurs de chaleur. Les resultats montrent que des tassements importants peuvent etre induits en raison du fonctionnement a long terme des BHE (c'est-a-dire sur des periodes allant de 10 a 50 ans). L'etude parametrique donne des directives utiles pour la conception des echangeurs de chaleur et identifie un espace de conception de solutions optimales qui repondent a des criteres predefinis d'implantation des fondations. L'etude fournit une investigation qualitative et un cadre systematique pour analyser la reponse THM a long terme de l'argile au chauffage et au refroidissement saisonniers. [Traduit par la Redaction] Mots-cles : echangeurs de chaleur geothermiques, pompes geothermiques, methodes des differences finies, modelisation constitutive, etude parametrique.
1. Introduction The use of ground source heat pumps (GSHPs) to transfer heat to and from the ground is among the most energy efficient techniques for space heating and cooling. [...]