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Conception, dimensionnement et fonctionnement d'une pompe à chaleur géothermique à assistance solaire pour les communautés nordiques du Nunavik

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Date
2022
Auteurs
Maranghi, Florian
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Résumé
Le Nunavik compte 14 communautés autochtones isolées dépendant massivement de la combustion du diésel pour générer leur électricité et répondre aux besoins en chauffage de leurs habitations et de leurs bâtiments publics. Le présent mémoire évalue la capacité des pompes à chaleur géothermique à assistance solaire à réduire la consommation de diésel associée au chauffage, en milieu nordique, au sein des réseaux autonomes. Pour ce faire, une configuration de ce système incluant une assistance solaire photovoltaïque a été proposée afin de répondre aux besoins en chauffage d'un logement situé dans la communauté de Whapmagoostui-Kuujjuarapik, au Nunavik. Un modèle numérique du système de chauffage a été développé sous TRNSYS et les simulations ont permis de connaître l'évolution de ses performances pendant dix années d'exploitation, pour une configuration particulière incluant un échangeur géothermique d'une longueur totale de 260 m et des panneaux photovoltaïques d'une puissance installée de 9 kW. Le fonctionnement du système, les flux d'énergie et la température du fluide dans les différents composants ont également été détaillés. Une étude sensibilité a ensuite permis de montrer l'influence de cinq paramètres de conception sur les performances globales du système au bout de dix années d'exploitation. Les conceptions dotées d'une assistance solaire permettent de réaliser des économies de diésel de 48 à 69% au bout de dix années d'exploitation. En revanche, une analyse économique a révélé que ces systèmes sont très coûteux en raison des batteries et des panneaux photovoltaïques, et qu'ils nécessitent un horizon d'au moins 50 ans et des conditions économiques favorables pour devenir rentables. Enfin, une modification de la méthode de dimensionnement de l'ASHRAE a été proposée. Elle permet de prédire la longueur requise d'échangeurs géothermiques avec une précision de ±31% pour l'ensemble des systèmes simulés, pour une durée d'exploitation de dix ans.
Nunavik has 14 isolated indigenous communities that heavily rely on diesel fuel to generate electricity and meet the heating needs of their homes and public buildings. This thesis evaluates the ability of solar-assisted ground-coupled heat pumps to reduce diesel consumption for heating purposes in a northern environment within autonomous networks. For this purpose, a configuration including a solar-assisted photovoltaic system was proposed to meet the heating needs of a dwelling in the community of Whapmagoostui-Kuujjuarapik, in Nunavik. A numerical model of the heating system was developed in TRNSYS, and the simulations were carried out to know the evolution of its performances during a ten-year operation, for a particular configuration including a ground heat exchanger of a total length of 260 m and photovoltaic panels of an installed capacity of 9 kW. The operation of the system, the energy flows, and the temperature of the fluid in the different components were also evaluated. A sensitivity study then showed the influence of five design parameters on the overall performance of the system after ten years of operation. Designs with solar assistance achieved diesel savings of 48 to 69 percent after ten years of operation. On the other hand, an economic analysis revealed that these systems are very expensive due to the batteries and photovoltaic panels and require a time horizon of at least 50 years and favorable economic conditions to become cost-effective. Finally, a modification to the ASHRAE sizing method was proposed. It predicts the required length of ground heat exchangers with an accuracy of ±31% for all simulated systems, for a ten-year operating life.
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