The Effect of Thermal Load on the Energy Rate of Ground Heat Exchangers

RÉSUMÉ: Les systèmes de dégivrage géothermique des ponts utilisent l'énergie géothermique renouvelable pour maintenir des conditions de conduite sûres en empêchant la formation de glace sur les tabliers par temps de gel. Les échangeurs de chaleur souterrains (GHE) sont couramment utilisés dans les systèmes géothermiques peu profonds pour échanger l'énergie du sous-sol. Ces systèmes sont souvent associés à des pompes à chaleur géothermiques (GSHP) pour améliorer les performances du système. Le fonctionnement de ces systèmes varie en fonction de la charge thermique déterminée par les conditions environnementales, ce qui influence directement le taux d'extraction d'énergie et la charge thermique du système. Cette étude examine les effets de différents modes de fonctionnement – mode demi-capacité (utilisant la moitié des pompes à chaleur) et mode pleine capacité (utilisant toutes les pompes à chaleur) – sur les performances d'un système de dégivrage de ponts à énergie géothermique peu profonde (SGBDS) installé sur un pont en service dans le nord du Texas. Ces modes imposent différentes charges thermiques au système géothermique peu profond, modifiant ainsi son comportement fondamental. À partir de données de terrain réelles recueillies durant l'hiver 2025, l'étude évalue les principales caractéristiques de l'extraction d'énergie géothermique superficielle dans différentes conditions d'exploitation. Elle vise à identifier l'impact des charges thermiques sur les performances optimales de l'énergie géothermique.

ABSTRACT: Geothermal bridge deicing systems utilize renewable geothermal energy to maintain safe driving conditions by preventing ice formation on bridge decks during freezing weather. Ground heat exchangers (GHEs) are commonly used in shallow geothermal energy systems to exchange energy from the subsurface. These systems are often paired with Ground Source Heat Pumps (GSHP) to enhance the system's performance. The operation of these systems varies with thermal load determined by environmental conditions, directly influencing the energy extraction rate and thermal load on the system. This study investigates the effects of different operational modes—half capacity mode (using half of the heat pumps), and full capacity mode (using all heat pumps)—on the performance of a shallow geothermal energy-supplemented bridge deicing system (SGBDS) installed on an in-service bridge in North Texas. These modes impose different thermal loads on the shallow geothermal energy system, thus changing the fundamental behavior of the system. Using real field data collected during the winter of 2025, the study evaluates key characteristics of shallow geothermal energy extraction under different operational conditions. The study aims to identify the impact of thermal loads that result in optimal GHE performance.