Numerical simulation of a freeze–thaw testing procedure for borehole heat exchanger grouts: Fid-Bau Portal

Numerical simulation of a freeze–thaw testing procedure for borehole heat exchanger grouts

Anbergen, Hauke

Les travaux de recherche portant sur l’énergie géothermique utilisée à des fins de chauffage ou de refroidissement de bâtiments et pour la production d’électricité a se sont beaucoup multiplié au cours des dernières décennies. La simulation du gel et du dégel est importante dans le cadre des applications géothermiques où l’on utilise des pompes à chaleur couplées au sol. La recherche s’intéresse en particulier à la conception de coulis cimentaires destinés aux échangeurs de chaleur souterrains verticaux (borehole heat exchangers ou BHE). Dans de nombreux cas, les BHE sont utilisés à des températures inférieures à 0 °C pour de multiples raisons. La simulation des cycles de gel et de dégel (CGD) est donc importante dans le cadre de ces applications géothermiques, en particulier dans les régions froides. On a récemment mis au point un dispositif d’essai pour mesurer et quantifier l’influence des contraintes liées aux CGD sur l’intégrité mécanique et les propriétés hydrauliques des coulis cimentaires destinés aux BHE (Anbergen, publié en 2014). La procédure d’essai simule l’environnement souterrain in situ, la pression de confinement radiale exercée par le sol et la direction de propagation du front de gel et de dégel de l’intérieur vers l’extérieur, en conditions saturées. La conductivité hydraulique peut être mesurée dans la direction axiale. On peut alors tirer des conclusions sur la vulnérabilité des coulis cimentaires aux contraintes des CGD. Ces résultats contredisent nettement les observations faites précédemment, les conditions limites in situ n’ayant pas été correctement simulées. Afin de vérifier le processus thermique au cours de la procédure, des mesures de la température ont été effectuées à l’aide de thermocouples et de l’imagerie thermographique. Le processus thermique a été simulé grâce au logiciel FEFLOW de modélisation hydrogéologique des transferts de chaleur et de masse basé sur la méthode des éléments finis (MEF). FEFLOW est un logiciel couramment utilisé dans les applications thermohydrauliques et hydrogéologiques impliquant des transferts de masse et dans les applications géothermiques. Cependant, jusqu’à présent, le programme ne pouvait pas simuler les changements de phase (solide–liquide et liquide–solide). Pour permettre à ce programme d’effectuer de telles simulations, un module complémentaire a été développé. Pour ce faire, une application en langage C++ a été conçue et couplée à la simulation normale effectuée par le logiciel utilisant la MEF. Cette application est basée sur la modification des paramètres matériels du fluide et l’intégration des effets de la chaleur latente à la capacité calorifique d’un fluide. Une méthode linéaire et exponentielle appliquée à la libération de chaleur latente a été mise en œuvre et étalonnée. L’application C++ a été mise à l’essai à l’aide de différentes solutions analytiques et d’autres codes C++ basés sur la MEF. Enfin, les résultats expérimentaux de la procédure d’essai ont pu être calculés avec succès à l’aide du nouveau module complémentaire. Ainsi, il est désormais possible de calculer les changements de phase au moyen du logiciel FEFLOW dans le cadre d’applications géothermiques et d’autres domaines d’application tels que la recherche sur le pergélisol. [Traduit par la Rédaction]

The amount of research conducted on geothermal energy as a source for heating and cooling demands of buildings, as well as for electrical energy production, has increased substantially in the past decades. The simulation of freezing and thawing is important for geothermal applications involving ground coupled heat pumps. One area of research is the development of grout cements for borehole heat exchangers (BHE). In many cases, BHEs are operated at temperatures below 0° C due to manifold reasons. Hence, the simulation of freezing and thawing cycles (FTC) is important for such geothermal applications, especially in cold regions. Recently, a testing device for measuring and quantifying the influence of FTC stresses on the mechanical integrity and hydraulic properties of BHE grouts was developed (Anbergen, published in 2014). The testing procedure simulates the downhole in situ conditions as confining radial earth pressure, freezing, and thawing directions from the inside to the outside and under saturated conditions. The hydraulic conductivity can be measured in axial flow direction. Thus, statements regarding the susceptibility of grouts against cyclic freezing and thawing stresses can be made. These results differ substantially from earlier findings, as in situ boundary conditions were not simulated sufficiently. For the verification of the procedure’s thermal process, temperature logs were recorded using thermocouples and thermography imaging. The thermal process was simulated using the finite element method (FEM) groundwater, heat, and mass modeling software FEFLOW. FEFLOW is a common software solution for thermohydraulic coupled groundwater applications with mass transport, as well as geothermal applications. However, up until now, the program could not yet simulate phase changes between solid and liquid phases. To enable the program for such simulations, a plug-in was developed. To do this, a C++ code was written and coupled to the simulation routine of the FEM software. The code is based on a modification of the material parameters of fluid and the incorporation of the latent heat effects in the fluid heat capacity. A linear and an exponential approach for the latent heat release were implemented and benchmarked. The code was verified using different analytical solutions and other FEM codes. Finally, the experimental results of the test procedure could be successfully computed using the new plug-in. Thus, it is now possible to compute phase changes with FEFLOW for geothermal applications as well as other applications like permafrost research.