PERMAFROST STABILIZATION USING CLOSED LOOP THERMALLY BALANCED GEOTHERMAL COOLING SYSTEMS

ABSTRACT: The adverse effects of global climate warming on infrastructure in (sub-)arctic regions are unprecedented and accelerating. The design, construction and operation of climate-resilient northern infrastructure requires efficient and cost-effective cooling systems for permafrost stabilization. Thermosyphon systems are commonly employed to extract heat passively from the permafrost to protect permafrost foundations from thawing. However, these systems being passive face limitations in terms of effectively cooling permafrost foundations when compared to efficient and powerful active geothermal stabilization components. Closed loop geothermal cooling systems are one of the most promising techniques to effectively stabilize permafrost. Closed loop geothermal systems are constructed of polyethylene piping installed by horizontal, directional drilling techniques with pipe lengths up to 400 m and potentially longer at varying depths. These systems are well-suited for stabilizing permafrost beneath critical infrastructure such as railways, buildings, lagoons, and other essential structures. By circulating the heat transfer fluid through pipes, excessive heat can be removed from the permafrost foundation in winter using fancoils to chill the circulating fluid to -10°C to -30°C, thereby stabilizing the permafrost degradation. The powered components are the circulating pumps and fancoil system using grid power if available or a simple wind and solar/battery storage off-grid option using prefabricated Sea-Can based structures. A prefabricated greenhouse in a Sea-Can in Gjoa Haven, Nunavut operates using wind and solar power for year around operation. In this paper, it will be demonstrated how the proposed geothermal cooling system could be practically applied to lagoons and buildings that are pre-existing or under construction. Two case studies are used to compare the performance of thermosyphon and active geothermal systems. The results showed that the active geothermal freeze back system demonstrates superior cooling efficiency compared to the passive thermosyphon system.

RÉSUMÉ: Les effets négatifs du réchauffement climatique mondial sur les infrastructures dans les régions (sub)arctiques sont sans précédent et s'accélèrent. La conception, la construction et l'exploitation d'infrastructures nordiques résilientes au climat nécessitent des systèmes de refroidissement efficaces et économiques pour la stabilisation du pergélisol. Les systèmes à thermosiphon sont couramment utilisés pour extraire passivement la chaleur du pergélisol afin de protéger les fondations contre le dégel. Toutefois, en tant que systèmes passifs, ils présentent des limites en matière d'efficacité de refroidissement par rapport aux composants actifs de stabilisation géothermique, plus puissants et performants. Les systèmes de refroidissement géothermiques à boucle fermée figurent parmi les techniques les plus prometteuses pour stabiliser efficacement le pergélisol. Ces systèmes sont constitués de tuyaux en polyéthylène installés par forage directionnel horizontal, avec des longueurs pouvant atteindre 400 m, voire plus, à différentes profondeurs. Ils conviennent particulièrement à la stabilisation du pergélisol sous des infrastructures critiques telles que les voies ferrées, les bâtiments, les lagunes et autres structures essentielles. En hiver, le fluide caloporteur circulant dans les tuyaux peut être refroidi à des températures comprises entre -10 °C et -30 °C à l’aide de ventilo-convecteurs, permettant ainsi d’extraire l’excès de chaleur des fondations et de ralentir la dégradation du pergélisol. Les composants alimentés sont les pompes de circulation et les ventilo-convecteurs, fonctionnant soit sur le réseau électrique lorsque disponible, soit via une solution hors réseau simple combinant énergie éolienne, solaire et stockage par batteries, intégrée dans des structures préfabriquées de type conteneur maritime. Une serre préfabriquée à Gjoa Haven, au Nunavut, fonctionne déjà toute l’année grâce à l’énergie éolienne et solaire. Cet article démontre comment le système de refroidissement géothermique proposé peut être appliqué de manière pratique à des lagunes et bâtiments existants ou en construction. Deux études de cas sont utilisées pour comparer les performances des systèmes à thermosiphon et des systèmes géothermiques actifs. Les résultats montrent que le système géothermique actif de recongélation offre une efficacité de refroidissement supérieure à celle du système passif à thermosiphon.