Home

Mode d'emploi

1. O 40 M AN DA 1 IA h ji jasa IE y 7 J i o o o G VAL a LAN g A A N o Wi on i 5 sd p 1 T a A Mi ji fn ou ji Mi MA 7e E ii i IN M Wao MONY Un De a ii IIN ADR pi LE M NAW Y KE N P Li Li nl y L A D LA qi D qu Echangeurs qi D HN 0 DA a Ka 1 10 Bi isa Lias A Figure 6 1 Evolution d un profil de temp rature du terrain mesur mi rayon dans le stockage Les mesures de temp rature du terrain permettent de calculer de mani re satisfaisante la temp rature moyenne du stockage Elles permettent galement de calculer ses pertes et de les faire correspondre avec le bilan nerg tique du stockage sur toute la p riode de mesure en les multipliant par un facteur de forme constant Les caract ristiques de chaque cycle du stockage sont d taill es La mauvaise efficacit nerg tique 43 47 montre qu il est mal exploit Les pertes par le toit sont importantes en raison de la temp rature moyenne annuelle lev e du stockage Pendant la saison de chauffage elles contribuent galement au chauffage du b timent Comptabilis es elles feraient passer l efficacit nerg tique environ 60 Les propri t s thermiques du terrain sont d termin es in situ La capacit thermique volumique est estim e 2 3 0 1 MJ m K sur la base de l valuation de la capacit thermique du stockage 50 GJ K et de son volume 21 800 m3 Elle est peu pr s 20 plus faible
2. 8 O Guisan A Mermoud B Lachal O Rudaz Characterization of Evacuated Collectors Arrays and Collection Subsystems Report of the IEA Task VI June 1986 9 O Guisan A Mermoud B Lachal O Rudaz G3 Model IEA Task VI Group of Applied Physics Univ of Geneva June 1986 10 O Guisan B Lachal A Mermoud Universal Daily Input Output Diagrams for Thermal Solar Collection Subsystems parts I and II International Journal of Solar Energy Vol 8 1990 11 A Mermoud O Guisan B Lachal O Rudaz Solarcad 1000 project Final Report Centre Universitaire d tude des probl mes de l nergie et Groupe de Physique Appliqu e de l Universit de Gen ve Universit de Gen ve f vrier 1988 iii 12 B Lachal O Guisan A Mermoud O Rudaz O Kaelin Le programme G3 pour PC description validations et mode d emploi GAP Univ de Gen ve mai 1988 13 Programme ChalComd LENI EPFL Lausanne rapport interne 1991 14 M Rizzo La distribution de chaleur de la chaudi re aux metteurs Chaud Froid Plomberie n 507 Editions Parisiennes pp 151 165 15 J C Hadorn Guide du stockage saisonnier de la chaleur Documentation SIA OFEN D028 SIA Soci t suisse des ing nieurs et des architectes Postfach 8039 Z rich mars 1988 16 J F Sacadura Initiation aux transferts thermiques C A S T INSA de Lyon Ed Technique et Documentation Lavoisier 1982 17 G Hellstr m Ground Heat Stora
3. C 1 2 Table A2 2 Caract ristiques du 10 cycle de fonctionnement du stockage calcul es avec DST pour une utilisation normale L utilisation du programme DST pour autant que l on puisse disposer de conditions de charge et de d charge suffisamment d taill es permet de confirmer les performances du stockage tablies avec des programmes simplifi s GHE et QPERGHS On dispose maintenant d une information plus compl te notamment sur les temp ratures moyennes et extr mes du fluide caloporteur dans l changeur souterrain L nergie annuelle consomm e par les pompes des capteurs solaires la boucle de production basse temp rature est estim e 25 MWh an sur la base de la puissance lectrique de chaque pompe et de leur temps de marche Elle correspond 4 de la production annuelle de la PAC Cette nergie lectrique prise en compte dans le COP annuel le fait passer de 1 6 1 5 cette valeur correspond au coefficient de travail annuel de la PAC 34 La chaleur soutir e du stockage repr sente le 99 de la chaleur prescrite soutirer La puissance thermique extraire a du tre limit e quelque fois pour ne pas risquer le gel dans l changeur souterrain Le stockage peut difficilement tre mieux exploit puisque le fluide caloporteur c toie les temp ratures limites admissibles aussi bien en charge qu en d charge Pourtant la temp rature moyenne du stockage ne varie qu entre 9 et 29 C signifiant que l
4. 1000 m de capteurs solaires Pourtant cette voie est prometteuse sans toucher la taille du stockage il pourrait fonctionner sans pompe chaleur avec la m me efficacit nerg tique que le stockage actuel 45 simplement par quelques optimisations La valorisation du stockage utilis sans pompe chaleur passe par trois points essentiels abaisser au maximum la temp rature d utilisation chauffage basse temp rature minimiser les pertes du stockage taille forme isolation sup rieure et am liorer l change thermique entre le fluide caloporteur et le terrain plus de 30 de la chute de temp rature a lieu dans un forage changeur D autre part il semble utile de raccorder les capteurs solaires au stockage par le biais d un stockage tampon eau pour limiter les puissances de pointe transf rer dans le stockage diffusif et les chutes de temp rature correspondantes 23 Annexe 1 Programmes de calculs simplifi s Le programme DST 23 bien qu il d crive un stockage de type diffusif de mani re relativement simplifi e sym trie cylindrique r sistance thermique de l changeur constante etc permet un calcul d taill de son exploitation typiquement sur une base horaire L optimisation n est pas ais e partir de cette version de base On peut signaler l existence de deux autres versions de DST qui ont t d velopp es pour tre ins r es dans des programmes de calculs plus lourds destin s val
5. 30 Les performances de la double peau sont tudi es en fonction de sa ventilation ou de la vitesse de l air qui la traverse Une grande sensibilit des pertes sp cifiques totales et de la surface quivalente des gains indirects est mise en vidence Les performances nerg tiques de la double peau sont tr s vite diminu es avec l augmentation de sa ventilation Une vitesse moyenne de l air de 0 6 m s dans un module ouvert augmente ses pertes sp cifiques de 80 ou rapport es par la surface du module augmentent de 1 4 2 5 W m2K et diminue les gains indirects de 80 La vitesse de l air dans la double peau est mesur e sur une courte p riode elle varie de 0 1 1 4 m s puis elle est mod lis e par effet chemin e 28 Cet effet est induit par les pertes du b timent et par les gains solaires qui contribuent tous les deux chauffer l air dans la double peau Il s ajoute encore l effet du vent qui augmente en moyenne la vitesse de l air Cet effet de l ordre de 10 sur les vitesses moyennes mensuelles n est pas tr s important puisque le b timent n est pas situ dans une r gion tr s vent e Recalcul e en moyennes mensuelles pendant la saison de chauffage la vitesse de l air est proche de 0 6 m s avec une dispersion des valeurs mensuelles inf rieure 0 05 m s L effet principal reste l cart de temp rature int rieur ext rieur En t malgr les plus forts ensoleillements la vitesse moyenne de l air est plus
6. Les performances obtenues pour le 10 cycle sont r sum es dans la table A4 1 Energie inject e dans Energie extraite du Energie extraite des stockage stockage capteurs directement 397 MWh 31 MWh 41 MWh 560 MWh Demande satisfaire Pertes haut stockage Pertes lat rales Pertes fond stockage Pertes totales stockage 183 MWh 50 132 MWh 36 50 MWh 14 365 MWh 100 Temp rature moyenne pond r e du fluide caloporteur Efficacit nerg tique en charge 46 C en d charge 33 C 8 Temp rature moyenne du stockage Nbr cycle quivalent annuelle 33 C minimum 27 7 C maximum 38 4 C 0 21 Table A4 1 Caract ristiques du 10 cycle de fonctionnement du stockage calcul es avec DST pour une utilisation sans PAC Les pertes du stockage deviennent beaucoup trop importantes avec la mont e de sa temp rature moyenne annuelle et ruine les possibilit s de l exploiter sans pompe chaleur Le stockage exploit comme ci dessus pr sente des pertes par le toit excessives Les possibilit s de r duire les pertes ne manquent pas commencer par une bonne isolation de son toit A4 3 Optimisations possibles du stockage et de son exploitation Dans cette section on apporte trois am liorations successives qui font passer l efficacit nerg tique du stockage au 10 cycle de 8 46 Le volume du stockage l espacement des forages leur r sistance thermique et les propri t s thermiques du terrain s
7. ades en double peau Les caract ristiques thermiques des vitrages et des contrecoeurs isol s sont indiqu es dans la table A5 1 Les cadres des vitrages sont inclus dans les valeurs donn es pour le coefficient K moyen des pertes thermiques Coefficient K moyen Coefficient g de transmission W m2K global rayonnement solaire 1 6 0 6 0 7 0 4 0 4 Table A5 1 Caract ristiques thermiques des vitrages et du contrecoeur isol Double vitrage s lectif Vitrage HIT Contrecoeur isol Les gains solaires calcul s par une surface quivalente pour chaque orientation sont calcul s de la m me mani re que les double vitrages ordinaires avec les param tres correspondants 26 A l exception des porte fen tres le facteur de r duction des cadres de fen tres est fix 0 8 par analogie aux fen tres de la peau int rieure La somme des surfaces des fen tres porte fen tres et fen tres de la peau int rieure est effectu e fa ade par fa ade cf table AS 2 Ces surfaces correspondent la version statu quo Pour la version diff renci e la surface des fen tres est d termin e partir de la surface de sol habitable associ e chaque fa ade Pour les orientations nord elle est fix e 10 de la surface de sol et au minimum 20 pour les orientations sud 48 Surface totale de fen tre m2 Version statu quo Version diff renci e Fa ade nord est Fa ade nord ouest Fa ade sud oues
8. chaleur L tat du stockage actuel ne permet pas de l exploiter moyenne ou haute temp rature les pertes deviennent dominantes d s que sa temp rature augmente annexe 1 Avec les 1000 m de capteurs sur le toit du b timent son efficacit annuelle en utilisation directe reste inf rieure 10 Trois am liorations successives annexe 4 montrent qu il est primordial de minimiser au mieux les pertes du stockage et de lui soutirer l nergie la temp rature la plus basse possible Ces trois am liorations sans toucher la taille du stockage porte l efficacit nerg tique 46 comparable celle du stockage en fonctionnement r el M me si le stockage et les capteurs ne couvrent que 40 de la demande de chauffage du r seau BT b timent avec double peau elles montrent qu il est possible d utiliser le stockage sans l utilisation de pompe chaleur Relativement aux propri t s thermiques du terrain estim es in situ les pertes d un stockage deviennent tr s sensibles sa taille pour des volumes inf rieurs 20 000 m3 La double peau et les fen tres en double vitrages ordinaires sont remplac es par des vitrages performants Diff rentes variantes sont analys es avec des double vitrages s lectifs et des vitrages HIT Geilinger L application de la Norme Europ enne permet d valuer dans chaque cas les caract ristiques thermiques du b timent ainsi que la demande de chauffage mensuelle et annuelle Tout en conse
9. et annexe 2 ce probl me est li l utilisation d une pompe chaleur qui a pour effet de d valoriser la valeur de l nergie extraite la source froide le couple capteur stockage 20 11 QUELQUES SCENARIOS POSSIBLES Trois sc narios sont envisag s b timent sans capteurs et stockage mais toujours avec la pompe chaleur gaz b timent avec stockage saisonnier et capteurs mais en utilisation directe sans pompe chaleur b timent sans double peau mais avec des bons vitrages disponibles sur le march Le Nant d Avril cours d eau coulant en galerie 700 m du b timent repr sente une v ritable source froide pour la pompe chaleur Malgr le peu d information disposition le cours d eau semble pr senter des temp ratures en moyennes mensuelles annexe 3 comparables celles de l eau dans l changeur souterrain exploit en fonctionnement normal annexe 2 La pompe chaleur fonctionnerait avec un COP annuel comparable Dans la mesure o les dispositions l gales et le captage de l eau du Nant d Avril sont possibles et r alisables les capteurs solaires et le stockage saisonnier deviennent superflus D s lors les pertes par le sol du b timent ne sont plus compens es par les pertes du stockage Cet effet n est pas significatif Il induit une augmentation de la demande de chauffage du b timent d environ 20 MJ m2an Le syst me solaire actif est analys sans le maillon faible de la pompe
10. fructueuses discussions notre quipe de travail plus particuli rement A Mermoud et E Pampaloni pour leurs pr cieuses collaborations MM Rey et Franchetti et l entreprise Jean Sieber SA pour l int r t constant port notre tude la mise disposition d un emplacement dans leurs locaux ainsi que les facilit s offertes n cessaires un tel projet M Vercauteren ing nieur responsable de la gestion de l entreprise Jean Sieber SA et de l immeuble pour sa disponibilit permanente r soudre les probl mes pratiques de notre installation M B Matthey Ing nieur Conseil concepteur des syst mes techniques de production de chaleur capteurs stockage appoints pour la fructueuse collaboration qu il a su d velopper avec notre quipe M C A Roulet auteur du concept des fa ades en double peau dont les avis et les conseils m ont permis l analyse globale du b timent M G Hellstr m de l Universit de Lund en Su de qui m a g n reusement accueilli dans son universit et m a ouvert aux programmes de calculs relatifs aux stockages saisonniers et bien s r Mme L Evans qui a tap la majeure partie de cette th se tous ceux dont le nom n a pas t cit mais qui se sentent galement concern s par ce travail Le financement de cette campagne de mesures et de l tude des performances de l immeuble a t pris en charge en grande partie par l Office F d ral de l Energie Ta
11. 15 Energie inject e MWh an Energie soutir e MWh an Pertes MWh an Efficacit nerg tique Puissance inject e moyenne KW amplitude K d phasage jour Temp rature du stockage moyenne C amplitude K d phasage jour la temp rature moyenne de l air est prise gale la temp rature initiale du terrain Table A1 2 Param tres d entr e du programme QPERGHS et r sultats obtenus Les valeurs nominales et les valeurs ajust es donnent des r sultats compl tement diff rents simplement par le fait que le stockage n est pas exploit de la m me mani re Les valeurs nominales sont optimistes en faisant travailler le stockage entre 5 et 31 C tandis que les valeurs ajust es qui correspondent l exploitation r elle du ROUES lors du 4e cycle le fait travailler entre 17 et 31 C 27 On peut remarquer que l paisseur attribu e l isolation ne correspond pas la valeur r elle mais tient compte galement des diff rentes couches de mat riaux plac es sur le toit du stockage dont une paisseur de terrain correspondant 1 longueur de p n tration d une onde de chaleur annuelle La valeur ajust e est par hasard la m me que la valeur nominale puisque deux effets se compensent dans cette situation l paisseur doit tre diminu e pour tenir compte d un facteur de perte plus grand mais galement augment e pour tenir compte du fait que la temp rature en surface est plus lev e que
12. La pompe chaleur gaz soutire l nergie du stockage quand les gains solaires sont insuffisants ou nuls La r gulation du noeud solaire stock PAC largement d crite 6 7 privil gie les gains solaires en faisant fonctionner les capteurs la plus basse temp rature possible La PAC quip e d un condenseur de 12 KW fonctionne trois allures diff rentes et d livre 110 180 ou 215 kW sur la boucle de production de basse temp rature Les performances de la PAC sont tudi es en d tail durant deux hivers successifs de 1990 1992 7 Les diff rents modes de fonctionnement du noeud solaire stock PAC sont soigneusement examin s L nergie extraite directement des capteurs solaires reste inf rieure 10 de l nergie totale soutir e par la PAC au cours d une saison de chauffage Les pannes de la PAC sont tr s fr quentes et parfois prolong es La quasi totalit sont provoqu es par des l ments externes la pompe chaleur proprement dite par des d faillances d organes de commande ou de gestion D autre part elle peut fonctionner avec un mauvais COP suite au d r glement de certains composants par exemple la soupape d expansion Son utilisation exige un suivi continu de ses performances tout en tant capable de ma triser ses pannes et de g rer les probl mes de maintenance Les performances de la PAC sont enti rement d termin es par ses pertes de transformation et son COP Les pertes de transformation sont im
13. MJ m2an ou 560 MWh an 4 COP saisonnier de la PAC gaz et nergie soutir e l vaporateur Les performances de la PAC sont enti rement d termin es par ses pertes de transformation et son coefficient de performance Les pertes de maintien sont n gligeables Les deux relations suivantes tablies sur les p riodes de fonctionnement normal de la PAC 7 permettent de mod liser son comportement 0 8 FGPAC QPAC QBTTOT A2 1 cop 2BTTOT L227 0 028 AT A2 2 FGPAC FGAC nergie du gaz consomm par la PAC selon PCI GJ an QPAC nergie soutir e l vaporateur de la PAC GJ an QBTTOT nergie produite par la PAC y compris le r cup rateur des gaz d chappement GJ an COP coefficient de performance AT cart de temp rature moyen pond r dans le temps avec le flux de gaz consomm entre les temp ratures moyennes du fluide caloporteur du condenseur et de l vaporateur de la PAC K Le COP a t lin aris en fonction de AT bien qu en principe il est exprim en fonction de la temp rature de l vaporateur pour diff rentes temp ratures du condenseur donn es Mais le COP lin aris permet son calcul pour n importe quelle p riode donn e pour autant que l cart de temp rature AT soit tabli comme prescrit dans la relation A2 2 La temp rature de l vaporateur a vari entre 10 et 20 C et celle du condenseur entre 30 et 50 C On peut douter de la validit de la relation A2 2 po
14. centaine de capteurs mesurer et enregistrer et des logiciels de traitement des donn es 5 Les mesures sont enregistr es sur de longues p riodes minimum un an pour le b timent et 2 3 ans pour le stockage saisonnier Elles doivent permettre d exhiber toutes les caract ristiques essentielles des syst mes tudi s Au besoin elles sont compl t es par des mesures compl mentaires sur une p riode de temps limit e 2 L analyse des mesures conduit la compr hension et l valuation des performances de chaque syst me et de leurs influences mutuelles Le bilan thermique global est effectu apr s avoir quantifi tous les flux nerg tiques dans le b timent La comparaison avec les pr visions est alors possible 3 La mod lisation de chaque syst me par des mod les existants ou d velopp s permet leur optimisation Inversement l utilisation de mod les existants fournit une validation suppl mentaire dans les conditions d exploitation rencontr es 4 La mod lisation d bouche sur l laboration de mod les simplifi s et doit permettre de reproduire leurs performances pour diverses conditions d exploitation D s lors diff rents sc narios peuvent tre envisag s afin de confronter diff rents choix et diff rents types d exploitation possibles des technologies mises en oeuvre Tous les syst mes nerg tiques destin s au chauffage du b timent sont analys s en d tail Ce sont l ensemble des installations te
15. champ CC 530 m2 alimente le stockage saisonnier depuis mai 1989 et le reste 410 m en service depuis ao t 1989 champ CECC doit servir la pr paration de l eau chaude sanitaire ECS Mais leur production est galement d riv e sur le stockage saisonnier puisque le r seau de distribution ECS n est toujours pas install Les deux champs de capteurs et leur r gulation respective sont largement d crits Les mesures en continu permettent le suivi complet de leur fonctionnement Ils sont analys s dans le d tail de juin 89 mai 90 6 Les effets d incidence les ombrages et les r flexions dans le plan des capteurs sont montr s et quantifi s Les ombrages importants en hiver sont domin s par les r flexions en t mais globalement sur une ann e l ensoleillement dans le plan des capteurs est r duit de 2 3 Les param tres fondamentaux des champs de capteurs sont tablis par diff rentes m thodes Pour le champ CC le diagramme d efficacit horaires livre une efficacit optique de 0 74 0 02 et un facteur de pertes de 5 1 0 3 W m2K la capacit calorifique est tablie et fix e 28 kJ m2K Une exp rience de nuit consistant au chauffage de la boucle du champ CC d attendre le r gime stationnaire avant de d buter sa relaxation permis d valuer le facteur de pertes thermiques 4 9 0 2 W m2K et la capacit thermique de la boucle capteurs et plomberie 29 1 5 kJ m2K Enfin des mesures de stagnati
16. chaque ann e par m tre cube de stockage pour le maintenir 40 C est trac en fonction de la taille du stockage cf figure A4 3 36 30 25 Pertes KWh m3an 559 0 25 000 50 000 76 000 100 000 126 000 150 000 175 000 200 000 Volume du stockage m3 Figure 4 3 Energie par m tre cube de stockage investir chaque ann e pour maintenir la temp rature du stockage 40 C Pour les volumes inf rieurs 20 000 m3 les pertes deviennent tr s sensibles la taille du stockage caract ris comme ci dessus 47 Annexe 5 Alternative aux fa ades en double peau Dans cette annexe on calcule les performances thermiques du b timent en rempla ant la double peau les fen tres ordinaires et les portes fen tres par des vitrages de bonne qualit disponibles sur le march Les contrecoeurs en b ton sont isol s l ext rieur par environ 10 cm d isolation On consid re deux types de vitrage double vitrage avec couche s lective vitrage HIT Geilinger Pour chaque vitrage utilis on tudie deux r partitions possibles des fen tres statu quo la proportion de vitrage correspond celle de la peau int rieure additionn e des fen tres actuelles diff renci e les surfaces de vitrage des orientations nord sont diminu es et celles des orientations sud augment es si possible Quatre situations sont donc calcul es et compar es aux performances du b timent dot de fa
17. de la temp rature int rieure de 2 C est obtenue avec utilisation de rideaux Mais elle s av re insuffisante pour abaisser des temp ratures int rieures qui peuvent monter jusqu 34 C Cette analyse tr s grossi re ne permet pas de diff rencier les deux situations avec rideaux plac s l int rieur dans la pi ce et plac s dans la double peau contre la peau int rieure Toutefois il appara t essentiel que la ventilation de la double peau s effectue entre la protection solaire et la peau int rieure Cette situation qui n a malheureusement pas pu tre tudi e permet de court circuiter la partie qui absorbe pr s de 50 du rayonnement solaire incident La mise en oeuvre d une fa ade en double peau doit avant tout passer par la ma trise de ses surchauffes estivales et n cessite une tude pouss e pour r soudre la fois les probl mes thermiques et techniques 14 8 CARACT RISATION DE LA DEMANDE DE CHAUFFAGE DU B TIMENT L impact de la double peau sur le b timent est valu avec l utilisation de la nouvelle Norme Europ enne 27 En s inspirant de la proc dure propos e dans la norme l tablissement des pertes sp cifiques et des surfaces quivalentes solaires est effectu sur la base de l inventaire d taill des composants de l enveloppe 26 et de leurs propri t s thermiques 29 La demande d nergie de chauffage est calcul e en moyennes mensuelles calcul simplifi effets dynamiques pris e
18. diagramme H M effectu pour chacun des hivers tudi s les pertes sp cifiques totales du b timent sont valu es 18 1 kW K en 90 91 et 19 3 kW K en 91 92 Quant la surface effective de captage elle passe de 740 m2 en 90 91 650 m2 en 91 92 Ces diff rences s expliquent par la proportion de modules double peau ouverts qui a t augment e d un hiver l autre L impact sur la demande de chauffage du b timent et ses caract ristiques thermiques est montr avec la figure 8 1 15 Demande de chauffage Lo m e s sp cifiques Surface effective SDS E I RMRRRRES ECEPEEE 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Fraction ouverte de modules double peau Figure 8 1 Impact du pourcentage de modules double peau ouverts sur les pertes sp cifiques la surface effective de captage et la demande annuelle de chauffage du b timent Les caract ristiques thermiques du b timent l hiver 90 91 sont suppos es repr sentatives de son fonctionnement normal 16 9 LE B TIMENT EN FONCTIONNEMENT REEL Les parts d nergie qui contribuent au chauffage du b timent sont d taill es sur les deux hivers tudi s 7 Le bilan nerg tique global est effectu La demande d nergie de chauffage est mesur e 126 MJ m an l hiver 90 91 et 138 MJ m2 an l hiver suivant Les flux nerg tiques dans le b timent sont tous quantifi s sur les deux ann es successives La fig
19. duites d environ 40 cf annexe 5 ce qui r duit d autant la puissance de pointe La temp rature de d part du chauffage basse temp rature peut tre r duite en cons quence On ex cute les calculs en fixant la demande de chaleur 60 MJ m2an soit 300 MWh an cela correspond 75 de la demande de chauffage du b timent La temp rature de d part du chauffage BT est abaiss e de la fa on suivante elle varie de 28 35 C de fa on lin aire avec la temp rature ext rieure 28 C quand Text 16 C et 35 C quand Text 5 C la temp rature de consigne plafonne 35 C pour les temp ratures ext rieures inf rieures 5 C Les r sultats sont expos s dans la table A4 5 Energie inject e dans Energie extraite du Energie extraite des stockage stockage capteurs directement 415 MWh 190 MWh 26 MWh 300 MWh Pertes haut stockage Pertes lat rales Pertes fond stockage Pertes totales stockage 28 MWh 12 163 MWh 73 33 MWh 15 224 MWh 100 Demande satisfaire Temp rature moyenne pond r e du fluide caloporteur Efficacit nerg tique en charge 52 C en d charge 35 C 46 Temp rature moyenne du stockage Nbr cycle quivalent annuelle 40 C minimum 32 1 C maximum 47 3 C 0 90 Table A4 5 Caract ristiques du 10 cycle de fonctionnement du stockage utilisation sans PAC pour une demande de chauffage r duite d un facteur 2 46 Les r sultats sont comparables ceux de la table A4 4
20. moyenne des temp ratures d part et retour du r seau de distribution BT trac e en fonction de la temp rature ext rieure en valeur horaires Mesures du 1 6 90 au 1 6 91 Temp rature aller et consigne distribution BT Temp rature chauffage BT C Moyenne aller retour distribution BT 20 10 5 15 20 D 5 _ 10 Temp rature ext rieure C Figure A4 1 Temp rature moyenne aller retour mesur e de l eau du r seau de distribution basse temp rature trac e en fonction de la temp rature ext rieure moyennes horaires La courbe pleine est la temp rature de consigne de d part du r seau BT et correspond la temp rature aller La temp rature moyenne aller retour varie de 27 36 C alors que la temp rature de d part est prescrite entre 30 et 45 C Comme remarqu dans le rapport final 7 le d bit dans le r seau de distribution est insuffisant environ 9 m3 h Avec un d bit fix 25 m3 h il est quasiment tripl ce qui diminue d un facteur 3 environ l cart de temp rature aller retour Afin de conserver la m me mission de chaleur la temp rature moyenne aller retour doit tre maintenue au m me niveau en premi re approximation La r gulation peut tre modifi e en cons quence la temp rature aller est abaiss e de mani re la faire varier de 28 39 C quand la temp rature ext rieure varie de 16 5 C Cette modification de temp rature de consigne permet une meille
21. une isolation de 20 cm sur son toit On d cide de minimiser les pertes du stockage sur ses dix premi res ann es de fonctionnement La profondeur optimale est valu e 30 m avec le programme QGHS On suppose que les propri t s thermiques sont les m mes en zone satur e et que les changes thermiques sont toujours domin s par la diffusion de la chaleur La surface du toit du stockage est r duite d un facteur de 2 mais l isolation occupe une surface plus grande en d bordant de 2 m tres sur les bords sup rieurs Les r sultats sont donn s dans la table A4 3 Energie inject e dans Energie extraite du Energie extraite des stockage stockage capteurs directement 397 MWh 155 MWh 41 MWh 560 MWh Pertes haut stockage Pertes lat rales Pertes fond stockage Pertes totales stockage 31 MWh 13 175MWh 72 35 MWh 15 241 MWh 100 Demande satisfaire Temp rature moyenne pond r e du fluide caloporteur Efficacit nerg tique en charge 54 C en d charge 38 C 39 Temp rature moyenne du stockage Nbr cycle quivalent annuelle 42 C minimum 35 0 C maximum 48 9 C 0 80 Table A4 3 Caract ristiques du 10 cycle de fonctionnement du stockage utilisation sans PAC mais avec 20 cm d isolation foamglass sur sa face sup rieure et une profondeur de 30 m tres 43 Enfin la derni re am lioration consiste r duire la temp rature de d part du chauffage basse temp rature La figure A4 1 montre la
22. 00 21 800 Conductivit thermique du terrain W mK 2 4 2 8 Type d changeur souterrain Forage Double U Forage Double U Arrangement des changeurs Quadratique Quadratique Longueur d change des changeurs m 14 5 14 5 Espacement des changeurs m 2 31 2 45 R sistance thermique fluide mat riau de 0 09 0 09 remplissage K W m i Rayon du forage m 0 057 0 057 Rayon du tube en U m 0 016 0 016 Espacement des tubes formant le U m 0 066 0 066 Capacit thermique volumique du terrain J m3K 2 8 106 2 2 106 Conductivit thermique mat riau remplissage 1 5 1 5 W mK Capacit thermique volumique du mat riau de e m K R sistance thermique changeur terrain K W m Capacit de transfert de chaleur volumique W m3K Capacit de transfert de chaleur de l changeur souterrain KW K Cette r sistance thermique est calcul e selon la d marche qui a t expos e dans la section 8 7 1 du rapport final 7 Un deuxi me cran de saisie de donn es permet d entrer les param tres correspondants dimensions propri t s thermiques d bit etc Table A1 1 Param tres d entr e du programme GHE et r sultats obtenus La capacit de transfert de chaleur de l changeur souterrain est sensiblement la m me dans les deux cas et peut tre compar e la valeur mesur e de 16 1 KW K 7 Cette valeur a t mesur e en p riode de soutirage et s av re environ 10 plus faible notamment par le fait q
23. 9 1 06 90 1 06 91 1 06 92 1 06 93 1 06 94 Figure A4 2 Evolution de la temp rature moyenne du stockage au cours des 5 premi res ann es fonctionnement sans PAC calcul avec DST 45 L nergie lectrique consomm e par les pompes des capteurs solaires la boucle de distribution basse temp rature correspondrait environ 15 MWh an soit 7 de l nergie livr e par le syst me sur le r seau BT lors du dixi me cycle Mais la taille du stockage et la surface des capteurs ne sont pas dimensionn es pour une utilisation directe de m me que leurs dimensions relatives Un calcul de sensibilit montre que l augmentation de 10 de la production solaire permet d augmenter de 20 l nergie totale restitu e par le stockage sur les dix premi res ann es Le prix payer est une augmentation de 2 3 K sur la temp rature moyenne de travail des capteurs Selon une tude de sensibilit effectu e avec le programme G3 6 cette hausse de temp rature entra ne une baisse de leur production annuelle de 5 7 M me si le syst me peut couvrir la quasi totalit de la demande un appoint est n cessaire les premi res ann es Un optimum doit tre trouv entre le taux de couverture du syst me solaire actif et l appoint A4 4 Demande de chauffage r duite On aimerait valuer les performances du stockage si la demande de chauffage est r duite 80 MJ m2an Dans cette situation les pertes sp cifiques du b timent sont r
24. 94 34 Chauffage basse temp rature Office f d ral des questions conjoncturelles 3003 Berne l re dition f vrier 1985 35 J L Lods D partement des travaux publics Station d A re 1219 Aire communications priv es 1 INTRODUCTION Ce travail concerne l analyse nerg tique du Centre Industriel et Artisanal Marcinh s Il est pr sent sous la forme d un r sum synth tique qui r capitule tous les travaux effectu s et retrace la d marche suivie Ce travail s appuie sur les documents suivants d j r alis s par l auteur le rapport partiel 6 l application d une Norme Europ enne sur le b timent 26 le rapport final 7 les 5 annexes du pr sent travail qui compl tent les travaux effectu s Le cadre du travail est bri vement introduit Le centre Industriel et Artisanal Marcinh s a t con u sur des bases enti rement priv es Sa conception nerg tique 1 2 3 fait intervenir 940 m2 de capteurs solaires plans chauffage et eau chaude sanitaire un stockage saisonnier de chaleur utilisant 20 000 m3 de moraine sous le b timent une pompe chaleur gaz de 215 KW trois chaudi res auxiliaires gaz mazout et bois totalisant 640 KW ainsi que 3 400 m2 de fa ades double peau responsables de gains solaires passifs importants L immeuble est destin tre lou par lots de petites ou moyennes entreprises pour un usage d ateliers ou de locaux de production Avec une surfac
25. AC sont reconstruites avec des valeurs ad quates Pour simplifier le fonctionnement de la PAC on lui attribue un COP constant de 1 6 Sur la base de cette ann e standard des conditions de charge et d charge horaires du stockage sont calcul es de mani re satisfaire la demande de chauffage voulue par le biais de la PAC et la production des capteurs choisies R p t es dix fois le comportement du stockage est ensuite calcul avec DST sur les 10 premi res ann es de fonctionnement Le mod le DST a t cal sur plus de trois ans de mesures du stockage 7 Les nergies inject es ou soutir es sont prescrites au stockage avec toutefois une restriction sur la temp rature de l eau l entr e du stockage qui ne peut pas descendre en dessous de 1 C Les calculs sont effectu s en amplifiant la demande de chaleur de 20 et en augmentant la production des capteurs de 30 relativement aux mesures du 1 6 90 au 1 6 91 Les caract ristiques du 10 cycle sont r sum es dans la table A2 2 34 Energies Production Inject au Soutir du Efficacit capteurs stockage stockage nerg tique 435 MWh 406 MWh 324 MWh 0 80 Pertes Haut Lat rales Fond Totales 23 MWh 28 42 MWh 51 17 MWh 21 82 MWh 100 Temp rature Moyenne en Moyenne en Maximum Minimum fluide charge d charge caloporteur 32 9 C 11 6 C 51 C 1 C Temp rature Annuelle Minimum Maximum Nombre de cycle moyenne du quivalent stockage 19 C 9 3 C 28 6
26. IBUTION DE CHALEUR Deux chaudi res gaz de 230 kW chacune deux allures assurent la demande de chaleur du r seau de distribution haute temp rature HT Un condenseur de 23 kW branch sur la boucle de production basse temp rature BT quipe la chaudi re la plus utilis e La chaudi re bois n est pas en service Les chaudi res gaz peuvent relayer la PAC quand elle tombe en panne Les chaudi res gaz et leur r gulation sont d crites en d tail Leur performances sont mesur es les deux hivers tudi s 90 91 et 91 92 7 La condensation des gaz d chappement est bien tudi e et les performances du condenseur sont recalcul es gr ce au programme Chalcomb 13 Les performances des chaudi res sont caract ris es de mani re simple par le rendement de combustion valu par la relation de Siegert et les pertes de maintien Le rendement de combustion d pend de la chaudi re utilis e et de l allure de marche Les pertes de maintien comprennent les pertes de chaleur dans la chaufferie de la tuyauterie Elles sont estim es sur le relev de longueur de tuyau paisseur d isolation vannes brides etc et les valeurs usuelles de d perdition de chaleur 14 Conform ment aux valeurs mesur es la production annuelle des chaudi res est recalcul e 1 pr s en adoptant des pertes de maintien de 0 4 GJ jour 5 kW un rendement de combustion de 95 et une efficacit du condenseur de 7 relativement au PCI L
27. La conductivit et la diffusivit thermique du terrain mesur es in situ apparaissent 20 40 plus grandes que pr vues et augmentent les pertes du stockage de 20 efficacit nerg tique d environ 50 apr s le premier cycle La pompe chaleur gaz a tr s mal fonctionn elle est souvent tomb e en panne et son COP n a pas toujours t acceptable COP de 1 1 1 8 PCI Elle pr sente des pertes de transformation importantes 20 du PCI du gaz consomm additionn de l nergie extraite de la source froide On peut les comparer aux pertes annuelles des chaudi res largement inf rieures 10 Avec une efficacit annuelle de 93 en 90 91 et 97 en 91 92 PCI les chaudi res gaz et le condenseur des fum es donnent enti re satisfaction L inach vement de la double peau a permis de montrer les probl mes et la complexit qu une telle fa ade implique Sa propre ventilation naturelle doit tre soigneusement contr l e puisque l impact sur la demande de chauffage annuelle est consid rable 40 entre la situation sans ventilation et ventilation maximum par l ouverture de tous les modules double peau Le probl me des surchauffes estivales est bien r el et remet en question l usage de ce type de fa ade Le b timent inachev et partiellement occup ne rend pas facile l analyse globale et le bilan nerg tique h t rog n it des temp ratures int rieures IL est n anmoins caract ris par deux pa
28. UNIVERSITE DE GENEVE FACULTE DES SCIENCES SECTION DE PHYSIQUE Groupe de Physique Appliqu e Prof O Guisan Analyse nerg tique de l immeuble industriel Marcinh s Meyrin GE THESE pr sent e la Facult des Sciences de l Universit de Gen ve pour obtenir le grade de docteur s Sciences mention Physique par Daniel Pahud de Satigny GE THESE N 2645 GENEVE Atelier d impression de la Section de Physique 1993 La Facult des Sciences sur le pr avis de Messieurs O GUISAN professeur ordinaire et directeur de th se Groupe de Physique Appliqu e GAP M GUENIN professeur ordinaire Groupe de Physique Appliqu e GAP B MATHEY docteur G ologue conseil Mont zillon C A ROULET docteur EPF Lausanne B LACHAL docteur CUEPE J C HADORN expert Chef de programme OFEN BSI Lausanne et P BREMER expert Chef de programme OFEN SEDE SA Vevey autorise l impression de la pr sente th se sans exprimer d opinion sur les propositions qui y sont nonc es Gen ve le 8 d cembre 1993 Th se _ 2645 s D Le Doyen Pierre MOESCHLER Remerciements Je tiens remercier toutes les personnes qui de pr s ou de loin m ont aid mener ce travail de longue haleine qui a abouti l laboration de cette th se le professeur Olivier Guisan qui a bien voulu assurer la direction de cette th se M Bernard Lachal qui a suivi de pr s mes travaux et avec qui j ai pu entretenir de
29. a PAC quand elle fonctionne en premi re allure Le COP r el est plus bas que celui que l on peut attendre de cette machine Il peut tre recalcul en supposant un fonctionnement sans d faillance de la PAC sur la base des temp ratures moyennes des nergies thermiques qui transitent l vaporateur et au condenseur de la PAC On obtiendrait un COP de 1 60 l hiver 90 91 et de 1 64 l hiver 91 92 Les temp ratures moyennes des nergies qui transitent du stockage au r seau de distribution basse temp rature BT sont examin es Elles r v lent un fonctionnement du syst me qui p nalise galement le COP de la PAC Pour la saison de chauffage 90 91 le stockage livre son nergie une moyenne de 16 4 C et la fournit l vaporateur qui la soutire 14 8 C la temp rature d entr e de l vaporateur est limit e 17 C pour des raisons techniques relatives la PAC La PAC d livre sa production d nergie sur la boucle de production BT une temp rature moyenne de 39 C Cette nergie est distribu e sur le r seau BT une valeur moyenne de 33 C Ces chutes de temp rature d favorables sont inh rentes au syst me Toutefois la chute de temp rature observ e sur le r seau BT bien qu il n y ait pas d changeur est amplifi e par le fait que sont d bit est deux fois plus petit que le d bit nominal De ce fait il reste inf rieur au d bit de la boucle de production BT 5 CHAUDI RES GAZ ET BILAN DE DISTR
30. amme DST et ses possibilit s sont bri vement d crites 7 Les param tres n cessaires au programme sont ajust s en accord avec leur valeur estim es l exception de l isolation sur le toit du stockage Le coefficient de transmission thermique a d tre amplifi d un facteur 3 Le comportement du stockage est correctement recalcul sur pr s de 3 ans et demi avec des param tres constants cf figure 6 2 et 6 3 3500 3000 Mesur Calcul 2500 2000 1500 Bilan cumul GJ 1000 500 1 04 89 30 09 89 1 04 90 30 09 90 1 04 91 1 10 91 31 03 92 30 09 92 Figure 6 2 Evolution du bilan cumul de chaleur inject e et soutir e calcul et mesur 11 Mesur e Calcul e Temp rature C 10 4 1 04 89 30 09 89 1 04 90 30 09 90 1 04 91 1 10 91 31 03 92 30 09 92 Figure 6 3 Evolution de la temp rature moyenne du stockage calcul e et mesur e Finalement des programmes simplifi s 25 permettent d valuer rapidement les performances d un stockage capacit de transfert de chaleur efficacit nerg tique pertes etc Ils sont test s sur le stockage Marcinh s cf annexe 1 12 7 LES FA ADES EN DOUBLE PEAU Les 3 700 m de fa ade double peau sont r partis sur les 4 faces de l difice dont l axe principal est orient su
31. ble des mati res Remerciements Bibliographie 1 Introduction 2 Objectifs 3 Les capteurs solaires 4 Pompe chaleur gaz 5 Chaudi res gaz et bilan de distribution de chaleur 6 Le stockage saisonnier 7 Les fa ades en double peau 8 Caract risation de la demande de chauffage du b timent 9 Le b timent en fonctionnement r el 10 Le b timent en fontionnement normal 11 Quelques sc narios possibles 12 Conclusion Annexe 1 Programmes de calculs simplifi s A1 1 Le programme GHE A1 2 Le programme QPERGHS A1 3 Le programme QGHS Annexe 2 Le syst me solaire actif en fonctionnement normal A2 1 Approche simplifi e A2 2 Calcul d taill du fonctionnement du stockage A2 3 Evaluation du syst me solaire actif Annexe 3 Alternative l utilisation du stockage saisonnier comme source froide pompe chaleur Annexe 4 Utilisation du syst me solaire actif sans pompe chaleur A4 1 D marche g n rale A4 2 Utilisation du stockage dans sa forme actuelle A4 3 Optimisations possibles du stockage et de son exploitation A4 4 Demande de chauffage r duite Annexe 5 Alternative aux fa ades en double peau pii p1 p2 p3 p5 p7 p9 p13 p15 p17 p19 p21 p22 p24 p28 p31 p 34 p 37 de la p40 p4i p42 p42 p46 p48 Bibliographie 1 B Matthey C A Roulet A Passive Solar Industrial Building Combined with a 20 000 m3 Seasonal Storage at Meyrin Gene
32. chniques de transformation et de distribution d nergie thermique capteurs solaires PAC gaz chaudi res gaz distribution BT et HT etc le stockage saisonnier de chaleur et les fa ades en double peau Ces tudes aboutissent au bilan nerg tique global du b timent et l valuation des choix technologiques effectu s Quelques sc narios proposent des alternatives aux technologies mises en oeuvre Une tude de confort initialement pr vue n a pas t men e Le b timent inachev et moiti occup pendant la campagne de mesures pr sentait des sources d inconfort videntes L analyse des co ts n est pas entreprise La prise en charge de la plupart des travaux par l entreprise du propri taire de l immeuble ainsi que leur dur e dans le temps rendent difficiles toutes transpositions des co ts On rappelle simplement que l immeuble a t construit sur des bases enti rement priv es et n a pas b n fici de subvention quelconque 3 LES CAPTEURS SOLAIRES Les capteurs solaires alimentent le stockage saisonnier principalement en t et occasionnellement en hiver quand leur production exc de la quantit de chaleur extraite l vaporateur de la PAC gaz Ils sont constitu s de 940 m2 de capteurs plans simple vitrage l absorbeur s lectif est choisi comme surface de r f rence dont la structure en sheds d aluminium constitue la couverture de l immeuble Inclin s 45 et orient au sud ouest le
33. ci Pertes sp cifiques 18 1 kKW K 14 1 kW K 13 3 KW K 11 4 KW K 11 2 kW K Ann e 145 MJ m2an 94 MJ m2an 91 MJ m2an 76 MJ m2an 79 MJ m2an Table A5 3 Caract ristiques thermiques du b timent et demande de chauffage mensuelle pour chaque situation Si la double peau est compl tement ferm e et parfaitement herm tique la demande de chauffage baisse 130 MJ m an Mais l utilisation de bons vitrages la place de la double peau permet de descendre sous la barre des 100 MJ m2an Diminuer les vitrages au nord ouest et au nord est n a pas un effet significatif sur la demande de chauffage annuelle et s av re m me d favorable avec les vitrages HIT Si le taux de renouvellement d air est doubl 0 4 h t la demande de chauffage annuelle avec double vitrage s lectif est comparable celle du b timent dot de la double peau Avec un taux de 0 6 ht elle reste inf rieure 200 MJ m2an valeur cible donn e pour les ateliers par la recommandation 380 1 32 Les surchauffes estivales engendr es par les gains solaires sont plus facilement g r es pour autant que les protections solaires soient plac es l ext rieur Plus l enveloppe du b timent est bonne plus l nergie thermique pi g e l int rieur gains internes et solaires est difficile vacuer Seul un syst me de ventilation indispensable avec des vitrages HIT permet de la rejeter par rafra chissement nocturne des locaux si
34. d ouest Les fa ades double peau sont d taill es fa ade par fa ade de leur structure leur importance relative surfaces Le 80 de la fa ade double peau en modules de 1 5 m de largeur peut tre ventil de bas en haut par circulation naturelle de l air Au cours de la p riode de mesure 1990 1992 les vents d admission d air n taient pas contr l s les modules taient soit ouverts soit ferm s et les protections solaires devant prendre place dans la double peau n taient pas install es Les performances nerg tiques de la double peau sont valu es en la mod lisant comme une serre non chauff e Les pertes sp cifiques travers la double peau sont estim es sur la base des propri t s thermiques de leur composants et de la ventilation entre les deux peaux 26 Les gains solaires passifs sont la somme des gains solaires directs d finis comme la fraction du rayonnement solaire qui traverse directement la double peau et les gains solaires indirects d finis comme la fraction d nergie transmise dans le b timent suite l chauffement de la double peau Cette derni re est donc caract ris e par deux param tres un coefficient de pertes sp cifiques global entre l int rieur du b timent et l ext rieur et une surface quivalente pour chaque orientation Elles sont calcul es en s inspirant de la m thode propos e par la nouvelle Norme Europ enne 27 et sont valid es par l tablissement d un diagramme H M
35. dement chaudi res Chaleur 1142 PCS avec condenseur haute 1928 PCI 0 84 temp rature 0 23 610 74 C Pertes PAC Pertes chaudi res 369 938 188 17 276 32 T4 7 Figure 5 1 Flux nerg tiques des productions basse et haute temp rature hiver 1990 1991 6 LE STOCKAGE SAISONNIER Le stockage utilise environ 20 000 m3 de moraine sous le b timent L changeur souterrain est form de 258 forages de 15 m de profondeur et espac s de 2 3 m Le fluide caloporteur circule en circuit ferm dans les tubes plac s en double U dans chaque forage La g om trie du stockage est largement d crite 6 7 Afin de suivre dans le d tail le comportement du stockage une cinquantaine de mesures de temp rature du terrain relev es hebdomadairement compl tent les mesures de flux nerg tiques relatives l injection et l extraction de chaleur Le stockage est analys sur les quatre premi res ann es de fonctionnement Le suivi de l volution des temp ratures du stockage est soigneusement effectu Les gradients de temp rature l int rieur stratification radiale et autour du stockage sont montr s Un ph nom ne de brassage convectif est observ deux reprises lors du 3 cycle mais sans incidence sur les performances du stockage La figure 6 1 montre l volution du profil de temp rature mesur mi rayon dans le stockage
36. e de plancher de 18 400 m2 et un volume int rieur de 68 000 m3 il se pr sente comme un bloc rectangulaire 69 x 45 m de six niveaux plus un demi niveau de parking sous le rez inf rieur Le stockage saisonnier de chaleur est plac sous l autre moiti du rez inf rieur Le syst me de chauffage est compos d un chauffage de base basse temp rature 30 45 C dalles chauffantes et d un chauffage d appoint haute temp rature 70 80 C radiateurs et a rothermes L indice de d pense d nergie thermique gaz chaudi res et PAC ne devrait pas exc der 120 MJ m2an Le Groupe de Physique Appliqu e de l Universit de Gen ve int ress par l originalit de cette entreprise et la nouveaut des technologies mises en oeuvres a t mandat par l Office F d ral de l Energie pour une campagne de mesures de deux ans d s 1988 Des retards dans la construction de l immeuble ont prolong la campagne de mesures jusqu l t 1992 Dans la foul e le suivi d taill du stockage souterrain s est poursuivi jusqu en mai 1993 2 OBJECTIFS Les objectifs ont t largement d finis 4 6 7 et sont r sum s par les quatre points suivants 1 mesures 2 analyses 3 mod lisations 4 valuations des choix technologiques 1 Il s agit d abord de d finir un syst me de mesure 4 conforme l tude que l on s est fix e Il a n cessit le d veloppement d une cha ne d acquisition de mesures cons quente une
37. e stockage ne serait plus en zone non satur e D autre part si les pertes stationnaires sont les plus faibles pour ce stockage le r gime transitoire est plus important On peut recalculer la profondeur optimale pour minimiser les pertes sur les 10 premi res ann es de fonctionnement Cette fois elle vaudrait 35 m tres et les pertes cumul es sur les 10 ans seraient r duites de 15 relativement au stockage actuel 29 On peut galement calculer les pertes du stockage d fini par les param tres ajust s en fonction de sa temp rature moyenne annuelle cf figure A1 2 700 5 600 M Pertes partie isol e C z e E Pertes partie non isol e 5 5 gt 400 co 300 0 200 L g 100 15 20 25 30 35 40 45 50 Temp rature du stockage C Figure A1 2 Pertes annuelles du stockage en r gime stationnaire calcul es en fonction de sa temp rature moyenne annuelle les param tres du stockage sont maintenus leur valeur ajust e Pour des temp ratures de stockage lev es les pertes par le toit partie isol e deviennent aussi importantes que les pertes dans le terrain partie non isol e Pour un stockage fonctionnant 50 C on peut de nouveau chercher minimiser ses pertes Avec une paisseur d isolation de 10 cm au lieu de 5 cm les pertes stationnaires seraient minimis es et r duites de 40 avec une profondeur de 60 m Pour minimiser les pertes transitoires sur les 10 premi re
38. e stockage ne travaille pas uniquement en mode saisonnier en raison de la mi saison Le nombre de cycle quivalent NCE est donc sup rieur 1 et vaut 1 2 pour le 10 cycle L nergie extraite par la PAC en provenance des capteurs 29 MWh an repr sente pr s de 10 de l nergie soutir e au stockage Cette valeur est conforme au rapport observ en fonctionnement r el de la PAC L efficacit de 50 des capteurs est r aliste compte tenu d une temp rature moyenne l injection relativement lev e dans l changeur souterrain 33 C comparable celle qui a t mesur e la premi re ann e de fonctionnement des capteurs 35 C dont l efficacit moyenne annuelle a t de 47 35 L volution de la temp rature moyenne du stockage est trac e les 5 premi res ann es de fonctionnement cf figure A2 1 Les nergies soutir es annuellement ainsi que les efficacit s nerg tiques correspondantes sont galement indiqu es 323 MWh 10 L 318 MWh 321 MWh Temp rature C 80 78 79 303 MWh 5 75 5N Energie soutir e par ann e Efficacit nerg tique SE SRE EE ES OC ER a 1 06 89 1 06 90 1 06 91 1 06 92 1 06 93 1 06 94 Figure A2 1 Evolution de la temp rature moyenne du stockage au cours des 5 premi res ann es en supposant un fonctionnement normal calcul avec DST Les nergies mensuelles inject es et soutir es lors de la 10 ann e de fonctionnement sont report es sur le g
39. es rendements mensuels des chaudi res sont d taill s pour les deux hivers tudi s Le taux de charge des chaudi res est tr s faible En fonctionnement normal quand elles ne relayent pas la PAC le gaz consomm par les chaudi res r parti sur la dur e de marche correspond 20 de la puissance nominale d une seule chaudi re N anmoins elles fonctionnent avec un bon rendement annuel Il s l ve 0 86 en 90 91 et 0 88 en 91 92 PCI La contribution du condenseur le fait passer respectivement 0 93 et 0 97 La figure 5 1 montre les diff rents flux nerg tiques relatifs aux productions basse et haute temp rature hiver 90 91 Un bilan de substitution de gaz par le syst me solaire actif est tabli sur la base des performances r elles mesur es de la PAC et des chaudi res Le gaz conomis se monte 470 GJ l hiver 90 91 et 330 GJ l hiver 91 92 soit 800 GJ 200 MWh ou l quivalent de 22 000 m3 de gaz En divisant cette nergie par celle qui a t extraite du stockage et des capteurs on obtient un facteur de 0 6 Ce rapport montre que la valeur de l nergie extraite par la PAC est d valoris e d un facteur de presque 2 Energies en GJ Stockage Capteurs saisonnier solaires 695 58 COP PAC avec condenseur Chaleur basse 1 40 1 55 temp rature 1694 33 C Condenseur PAC Condenseur ch A Gaz PAC 33 67 g66 PCS 3 4 3 8 5 7 6 5 873 PCI Gaz chaudi res Ren
40. estim es en moyennes mensuelles partir des graphes disposition et compar es celles qui correspondent la source froide capteur et stockage calcul es avec DST table A3 1 Energie extraite Temp moyenne Temp moyenne des MWh changeur stock C rejets C 25 9 gt 17 20 8 gt 17 13 2 Table A3 1 Temp ratures moyennes mensuelles dans l changeur souterrain et des rejets eau de refroidissement du CERN dans le Nant d Avril Les temp ratures moyennes annuelles sont relativement proches les unes des autres Le Nant d Avril en supposant que sa temp rature est proche de celle des rejets pourrait procurer une source froide de qualit comparable au couple capteur stockage Une baisse de 2 K sur la moyenne saisonni re induit une baisse de COP de 0 06 selon la relation A2 2 Mais son utilisation doit satisfaire aux exigences l gales et son captage doit tre r aliste et conomiquement viable 40 Annexe 4 Utilisation du syst me solaire actif sans pompe chaleur A4 1 D marche g n rale On aimerait calculer les performances du syst me solaire actif sans le maillon faible de la PAC Le r seau de distribution basse temp rature BT est raccord directement la place de l vaporateur de la PAC sans changeur interm diaire Pour autant que cette op ration soit possible il faut supposer que la pression hydraulique r sultante engendr e dans les tubes changeurs du stockage soit supp
41. faible environ 0 5 m s Elle peut tre encore diminu e si la temp rature moyenne du b timent est abaiss e par climatisation Le probl me des surchauffes estivales est abord Les temp ratures dans un module ferm mesur es sont examin es Elles peuvent monter 55 C et entra nent une temp rature de surface int rieure inconfortable m me en coupant les gains directs 35 C La figure 7 1 montre l volution des temp ratures environ mi hauteur d un module double peau ferm 13 50 A U Y i j wi M o E 40 LA Q 2 T 5 30 D il o 20 M J ns D o 10 E Co Temp rature moyenne interigurne l vu Il Wi 1 07 90 1 09 90 2 11 90 3 01 91 6 03 91 7 05 91 Figure 7 1 Evolution de la temp rature de l air environ mi hauteur 8 m tres dans un module double peau ferm de la fa ade sud ouest La temp rature int rieure du b timent galement report e est donn e en moyennes journali res Des essais avec des rideaux r fl chissants sont exp riment s Trois situations sont tudi es par diff rentes mesures Une analyse simplifi e 1 noeud effectu e en utilisant les mesures en moyennes journali res permet de recalculer la temp rature int rieure en valeurs horaires pour chaque situation et de les comparer Une baisse moyenne
42. fournies par les capteurs intenses mais de dur e limit e sur une journ e A2 3 Evaluation du syst me solaire actif Afin d avoir une vue simple mais claire du syst me solaire actif on reconstruit une cha ne nerg tique quivalente en pla ant les capteurs solaires le stockage et la PAC en s rie L efficacit du stockage doit tenir compte galement de l nergie qui transite directement des capteurs la PAC Mais la correction est n gligeable puisqu elle fait passer l efficacit du stockage de 0 80 0 81 se r f rer aux valeurs de la table A2 2 On obtient le diagramme de la figure A2 3 La production conventionnelle de chaleur avec les chaudi res gaz est galement montr e pour comparaison avec le rendement annuel mesur l hiver 90 91 suppos repr sentatif d un fonctionnement normal des chaudi res 37 Solaire Gaz Gaz actif PAC chaudi res PCI PCI Unit s arbitraires 100 40 40 Collecteurs solaires Efficacit 0 5 Stockage souterrain Efficacit 0 8 Pertes Chaudi res gaz 16 S efficacit 8 0 93 Chauffage basse Chauffage haute temp rature temp rature Figure A2 3 Production de chaleur par le syst me solaire actif recalcul e pour un fonctionnement normal et comparaison avec la production des chaudi res gaz Quarante unit s de gaz consomm es par les chaudi res cr ent 37 unit s de chaleur ou 64 par la PAC La diff rence 27 donne
43. ge Thermal Analyses of Duct Storage Systems Theory Department of Mathematical Physics University of Lund Sweden April 1991 18 J Bennet J Claesson G Hellstr m Multipole Method to Compute the Conductive Heat Flows to and between Pipes in a Composite Cylinder Notes on Heat Transfert 3 1987 Dep of Building Technology and Mathematical Physics University of Lund Box 118 S 22100 Lund Sweden 1987 19 J Claesson G Hellstr m Theoretical and Experimental Study of the Local Heat Transfer in a Borehole with Heat Exchanger Pipes Jigastock 88 Proceeding 1988 Versailles France Volume 1 1988 pp 139 143 20 Daniel Pahud Stockage souterrain de chaleur calculs de diffusion mesures et comparaisons Travail de dipl me GAP Univ de Gen ve sept 1989 21 O Guisan B Lachal B Matthey A Mermoud D Pahud A 20 000 m3 Solar Seasonal Heat Store Under an Industrial Building at Meyrin Geneva Measurements and Calculations Workshop on Seasonal Thermal Energy Storage in Duct System Technische Universit t M nchen June 1990 pp 35 55 22 O Guisan B Lachal B Matthey A Mermoud D Pahud Stockage saisonnier de 20 000 m3 sous un immeuble industriel Meyrin Gen ve Journ es d information de l OFEN 18 19 octobre 1990 Berne 231 G Hellstr m Duct Ground Heat Storage Model DST Manual for Computer Code Department of Mathematical Physics University of Lund Sweden mars 1989 24 D Pahud O Gui
44. ivent produire 420 MWh an En supposant un rendement annuel de 50 la surface requise quivaut 650 m2 de collecteur Cette surface est l g rement sup rieure la surface non couverte actuelle 635 m2 33 Avec une telle surface de capteurs le stockage peut difficilement d passer les 30 C sans cr er des probl mes de surchauffe dans la boucle des capteurs 7 en raison de la limite sup rieure 50 C de l eau dans l changeur souterrain En cons quence la taille et la configuration du stockage font que l on ne peut pas lui extraire plus de 320 MWh par an En d autres termes le stockage ne peut pas fournir assez d nergie la PAC si la demande de chauffage est plus importante si la temp rature int rieure du b timent est sup rieure 18 C ou si la PAC fonctionne avec un COP annuel sup rieur 1 6 L amplitude de travail du stockage qui d termine sa capacit et son exploitation est conditionn e par les puissances inject es et soutir es A2 2 Calcul d taill du fonctionnement du stockage Une ann e standard est tablie partir des mesures Elles sont choisies du 1 6 90 au 1 6 91 Parmi les mesures s lectionn es se trouvent les nergies produites par les capteurs ainsi que la demande de chaleur du r seau basse temp rature en valeurs horaires La production annuelle des capteurs peut tre amplifi e par un facteur multiplicatif de m me que la demande de chaleur annuelle Les p riodes de panne de la P
45. l on ne veut pas recourir la climatisation Les fen tres en double vitrages s lectifs sont pr f r es au vitrage HIT compte tenu de la qualit du reste de l enveloppe La demande de chauffage annuelle n est pas r duite de mani re significative avec l utilisation de vitrages HIT D autre part la mise en oeuvre de fen tres en double vitrages s lectifs n implique pas forc ment un syst me de ventilation compliqu Les occupants ont toujours la possibilit de g rer leur propre confort en ouvrant les fen tres 50
46. la temp rature initiale du terrain prise par le programme pour le calcul des pertes On montre facilement que pour une temp rature de surface sup rieure la temp rature initiale du terrain l paisseur quivalente de l isolation doit tre corrig e par la relation suivante Tm Fi T erre e e molk diee Al 1 Tmstk Tin e paisseur d isolation quivalente m e paisseur d isolation quivalente corrig e m T nst temp rature moyenne annuelle du stockage C Terre temp rature initiale du terrain C Tint temp rature moyenne annuelle de l air sur le toit du stockage C Outre ces remarques techniques on s aper oit que les performances d un stockage sont essentiellement gouvern es par sa temp rature moyenne annuelle qui d termine ses pertes et son amplitude de travail qui d termine son taux d utilisation Mais on verra dans l annexe 2 que les temp ratures du stockage sont born es pour respecter les temp ratures extr mes tol r es dans l changeur souterrain induites par les puissances maximum soutir es ou inject es A1 3 Le programme QGHS Ce programme calcule les pertes annuelles transitoires ann e apr s ann e et stationnaires d un stockage d fini de la m me mani re que pour le programme QPERGHS La temp rature du stockage est constante sur ses bords et la temp rature initiale du terrain est gale celle de l air en surface prise constante au cours de l ann e Ce programme
47. n compte avec un facteur d utilisation et la comparaison avec la demande mesur e permet d ajuster les calculs Simultan ment les pertes sp cifiques totales et les gains solaires passifs sont valid s par un diagramme H M Les temp ratures int rieures du b timent varient beaucoup d un endroit l autre suivant que l on se trouve dans une zone occup e et chauff e ou un espace inoccup et non chauff le b timent est moiti occup Pendant la saison de chauffage elles sont mesur es entre 10 C et 23 C Mais sur les deux hivers tudi s les temp ratures des espaces non chauff s n ont t mesur es que lors du deuxi me hiver La Norme Europ enne bri vement d crite est utilis e avec l approche multi zone La d marche suivie permet de recalculer les temp ratures des espaces non chauff s le premier hiver et de mieux d terminer la temp rature moyenne int rieure du b timent L application de la Norme Europ enne avec l approche de la zone unique permet de caract riser le b timent par deux param tres un coefficient de pertes sp cifiques total H KW K et une surface effective de captage Aeff m2 d finie en divisant les gains solaires passifs par l ensoleillement vertical sud est La concordance entre les calculs et les mesures impose un taux de renouvellement d air tr s bas de 0 2 h t il est expliqu par les grandes hauteurs sous plafond 3 5 4 m et les espaces inoccup s non ventil s Compatibles un
48. n d bit de 25 m3 h dans l changeur souterrain cr ent une diff rence de temp rature moyenne de 2 4 K En premi re approximation la temp rature de l eau l entr e de l changeur souterrain est 1 2 K plus basse que la temp rature moyenne de l eau dans l changeur souterrain Finalement pour garantir une temp rature de l eau sup rieure 0 C la temp rature moyenne du stockage ne peut pas descendre en dessous de 6 C Il s agit d une limite physique La conception du syst me peut cr er une limite encore plus lev e par une r gulation qui ne tient pas compte du temps d ouverture d une vanne ce qui cr e un r gime transitoire qui peut abaisser la temp rature de l eau des valeurs inacceptables risque de gel et arr t d urgence de la PAC Pour la suite on suppose que la r gulation est id ale 6 nergie fournir au stockage et surface de capteurs Il s agit d extraire 320 MWh du stockage sans que sa temp rature passe sous les 6 C L utilisation du programme QPERGEHS permet de d finir les conditions de travail et le comportement du stockage table A2 1 Minimum Maximum Moyenne 18 C 6 C 30 C Inject e Soutir e Perdue Energie 390 MWh an 320 MWh an 70 MWh an Table A2 1 Conditions de travail et performances du stockage en fonctionnement normal Temp rature du stockage Comme 30 MWh an de la production des capteurs transitent directement dans la PAC ces derniers do
49. on permettent galement d valuer le facteur de pertes mais pour un capteur seul sans la plomberie et haute temp rature AT 120 K Les valeurs obtenues sont conformes aux donn es du fabriquant ainsi qu aux relev s de plomberie des boucles compl tes Le suivi des performances des capteurs jusqu en octobre 92 7 montre qu ils fonctionnent avec des caract ristiques stables des pannes quasi inexistantes Mais certains capteurs ont t sujets des probl mes d encrassement et de surchauffes La figure 3 1 montre les performances mensuelles mesur es de l installation solaire Le champ de capteur CC fonctionn avec un rendement global de 47 soit l quivalent de 620 kWh m2an de chaleur produite une temp rature moyenne de fonctionnement de 40 C Donn es mensuelles Mesures Marcinh s 187 6 89 au 317 5 90 Tenp moyenne capteurs 39 C ext capteurs ON et tenp ratures 22 JS SS SSS Le Global plan capteurs R Chanp cece A Chanp CC MI b charge stock gt Pac Energie mensuelle GJI Figure 3 1 Bilans mensuels du fonctionnement de l installation solaire Les performances journali res des boucles solaires sont montr es par le diagramme d entr e sortie I O Mais ce dernier ne peut pas tre tabli avec les param tres fondamentaux des champs 8 et ne permet pas une mod lisation acceptable de leur performances Pour r aliser cette t che le diagramme journalier I O universel est constr
50. ont maintenus leur valeurs qui caract risent le stockage actuel La production des capteurs est toujours prescrite et voisine de 440 MWh par ann e bien qu en r alit leur temp rature moyenne de production diff re de quelques degr s d une am lioration l autre La demande de chauffage satisfaire est fix e 560 MWh an 42 La premi re am lioration consiste isoler davantage le toit du stockage L paisseur d isolation foamglass est port e de 5 cm 20 cm On suppose que l isolation est soigneusement pos e et recouvre int gralement la surface sup rieure du stockage L ex cution des calculs donne les r sultats expos s dans la table A4 2 Energie inject e dans Energie extraite du Energie extraite des stockage stockage capteurs directement 397 MWh 105 MWh 41 MWh 560 MWh Pertes haut stockage Pertes lat rales Pertes fond stockage Pertes totales stockage 57 MWh 20 173MWh 59 61 MWh 21 291 MWh 100 Demande satisfaire Temp rature moyenne pond r e du fluide caloporteur Efficacit nerg tique en charge 52 C en d charge 37 C 27 Temp rature moyenne du stockage Nbr cycle quivalent annuelle 40 C minimum 33 1 C maximum 45 8 C 0 60 Table A4 2 Caract ristiques du 10 cycle de fonctionnement du stockage utilisation sans PAC mais avec 20 cm d isolation foamglass sur sa face sup rieure L tape suivante consiste optimiser la profondeur du stockage compte tenu d
51. ortable pour ces derniers que le d bit nominal dans le r seau BT corresponde au d bit dans l changeur souterrain il doit passer de 20 valeur nominale actuelle au moins 25 m3 h que la temp rature maximum tol r e dans l changeur souterrain ne soit pas limit e 50 C puisque le stockage doit fonctionner moyenne voir haute temp rature que l immeuble puisse supporter la dilatation thermique engendr e par les temp ratures lev es du stockage L ann e standard tablie dans l annexe 2 est red finie la demande de chaleur soutirer du stockage tant directement la demande de chaleur du r seau BT d duction faite des apports du condenseur des fum es de la chaudi re A n gligeables Au soutirage la temp rature de l eau la sortie de l changeur souterrain ne peut pas descendre en dessous de la temp rature de d part du r seau BT prescrite par la r gulation Si cette condition ne peut pas tre v rifi e la puissance soutir e est nulle ou insuffisante En p riode de soutirage les gains solaires mesur s sont fournis une temp rature de travail qui n est pas forc ment celle du chauffage basse temp rature Afin d estimer plus pr cis ment les gains qui transitent directement dans le r seau BT une correction est effectu e pour tenir compte de la diff rence de niveau de temp rature de travail Cette correction ne tient pas compte des effets capacitifs mais se base sur un facteur de per
52. panne elle a fonctionn avec un COP plus bas que pr vu Il en r sulte une mauvaise exploitation du stockage saisonnier qui se traduit par une 17 basse efficacit nerg tique environ 45 Un rendement global de captage stockage est tabli 17 Le couple capteurs stockage est analys comme la source froide de la pompe chaleur Un bilan de substitution de gaz par la PAC montre que chaque kWh soutir du stockage ou des capteurs permet de r aliser une conomie de 0 6 KWh de gaz Ce faible rapport d valorise la valeur de l nergie extraite la source froide Les fa ades double peau sont globalement valu es La recommandation SIA 180 1 311 permet de mettre en vidence la faiblesse des fa ades double peau des orientations nord ouest et nord est dans l enveloppe du b timent D autre part ces fa ades apportent des gains solaires principalement en t et contribuent aux surchauffes estivales Toujours en cours d ach vement l tat de la double peau a permis de montrer les effets d sastreux occasionn s par le non contr le de ce type de fa ade Il montre aussi qu il y a un vide total entre la conception et la r alisation Ce type de fa ade engendre une complexit difficile ma triser aussi bien sur le plan thermique surchauffes estivales que technique r alisation et contr le 18 10 LE B TIMENT EN FONCTIONNEMENT NORMAL La demande de chauffage du b timent est recalcul e sur la base de ses carac
53. permet d optimiser la forme d un stockage en choisissant la profondeur qui minimise ses pertes pour un volume et une isolation sup rieure donn s Les propri t s thermiques du terrain n influencent pas la forme optimale du stockage En revanche elles influencent ses pertes Pour un stockage comme celui de Marcinh s 20 C les propri t s thermiques du terrain mesur es in situ 7 relativement aux valeurs donn es pour la moraine 15 font augmenter ses pertes d environ 20 28 On peut valuer la profondeur id ale du stockage Marcinh s caract ris par les param tres ajust s et une temp rature moyenne annuelle de 20 C En utilisant les artifices mentionn s dans la section A1 2 on tient compte d une temp rature de l air diff rente de la temp rature initiale du terrain Les pertes du stockage sont calcul es pour diff rentes profondeurs tout en maintenant son volume constant figure A1 1 120 100 3c o OS 80 5 2 o 60 5 D g o 40 E 2 M Pertes partie isol e 0 20 Pertes partie non isol e 0 lo ig ire N ie te lo Te 10 y N mM lt kos oO N o e gt Profondeur du stockage m Figure A1 1 Pertes annuelles du stockage en r gime stationnaire calcul es en fonction de sa profondeur volume constant et temp rature moyenne annuelle de 20 C Le stockage creus 60 m aurait des pertes r duites de 25 Mais il s agit de nuancer ce r sultat cette profondeur l
54. portantes et se chiffrent 20 de l nergie qui entre dans la PAC nergie du gaz comptabilis e selon le PCI et nergie soutir e l vaporateur Le COP est analys en fonction de l cart de temp rature condenseur vaporateur de la PAC Il varie entre 1 4 et 1 8 gaz PCI mais peut tomber vers 1 0 suite un mauvais fonctionnement de la PAC Les pertes de maintien sont valu es par une exp rience de chauffage relaxation de la boucle de production basse temp rature Elles repr sentent 1 de la production totale de la PAC et sont n glig es Les performances de la PAC sont montr es par la figure 4 1 a Mesures du 1 10 90 au 31 5 92 Mesures du 1 10 90 au 31 5 92 P E harria pA ordkp otor a a ii et aiea EE Ajustement sur 260 points Pente 0 77 Sigma 0 03 Sortie PAC production PAC GJ jour 5 55 60 5 30 as 40 45 50 dT condenseur vaporateur K 5 40 45 20 Entr e PAC Gaz PAC PCS chalour extraite GJfjour Figure 4 1 Pertes de transformation a et COP de la PAC b relativement au PCS Un bilan mensuel des performances de la PAC est tabli sur les deux hivers tudi s Le coefficient de performance annuel de la PAC en fonctionnement r el se chiffre 1 55 l hiver 90 91 et 1 45 l hiver 91 92 La contribution du condenseur est incluse dans le COP Elle est modeste puisque la part r cup r e reste inf rieure 4 du gaz consomm par la PAC PCI Les gaz d chappement condensent d j dans l
55. pplication de la Norme Europ enne sur la base des caract ristiques thermiques du b timent et des variables m t orologiques tabul es pour Gen ve permet de calculer la demande d nergie de chauffage 150 MJ m2an ou 760 MWh an 7 2 parts des nergies distribu es sur le r seau BT basse temp rature et HT haute temp rature Sur une saison de chauffage le rapport des chaleurs distribu es sur le r seau BT et HT est d environ 3 Cette valeur est conforme aux valeurs de conception 1 3 production de chaleur de la PAC Les trois quarts de la demande d nergie de chauffage sont distribu s sur le r seau BT soit 110 MJ m2an ou 580 MWh an La production de chaleur de la PAC est connue en d duisant la contribution du condenseur de la chaudi re A qui fournit l nergie r cup r e sur le r seau BT Cette contribution est connue en calculant le gaz consomm par les chaudi res et en connaissant l efficacit annuelle du condenseur Les chaudi res sont caract ris es par un rendement de combustion de 95 et des pertes de maintien de 0 4 GJ jour La dur e de la saison de chauffage est valu e 170 jours pour Gen ve sur la base de la valeur limite de chauffage de 10 C L efficacit moyenne du condenseur relativement au gaz consomm PCI par les deux chaudi res est valu e 7 7 La 31 correction reste inf rieure 20 MWh an Elle n est pas significative sur la production de la PAC qui est valu e 110
56. puissance nominale Cette puissance entra ne une diff rence de temp rature de 11 K entre l eau l entr e du stockage et sa temp rature moyenne 10 La r sistance thermique forage plus terrain de l changeur souterrain est calcul e en suivant la d marche d velopp e l universit de Lund 17 18 Les calculs sont men s de mani re mettre en vidence les param tres influents La r sistance thermique totale calcul e est compatible la valeur mesur e Celle d un forage seul repr sente 30 de la valeur totale en d autres termes 30 de l cart de temp rature entre le fluide caloporteur et le terrain a lieu dans le forage m me La mod lisation des transferts thermiques dans le stockage a t entreprise en laborant le mod le du Simple puits 20 sur la base de la r solution analytique de l quation de diffusion de la chaleur en g om trie cylindrique La prise en compte des pertes du stockage dans le terrain a conduit au mod le du Double puits 21 22 6 Le mod le DST 23 est galement utilis La concordance entre les mesures et les mod les est satisfaisante 24 ce qui permet de les valider mutuellement Le mod le du Simple puits reste un outil de calcul int ressant pour calculer la r ponse du terrain face une sollicitation journali re donn e par une volution arbitraire de puissance inject e et p riodique Le mod le du Double puits est laiss de c t au profit de DST Le progr
57. que celle qui est donn e pour la moraine 15 La diffusivit thermique du terrain est d termin e selon deux m thodes L une fait appel au facteur d amortissement et l autre l quation de diffusion de la chaleur Elle est valu e 1 3 0 2 10 6 m2 s et se trouve 40 50 plus lev e que celle de la moraine 15 La conductivit thermique du terrain est d riv e des deux grandeurs pr c dentes et se chiffre 2 9 0 3 W mK Elle est 20 plus grande que celle de la moraine 15 Pour la conductivit et la diffusivit l augmentation peut s expliquer par un mode de transfert thermique qui s additionne la diffusion de chaleur migration de vapeur d eau convection etc En ce qui concerne la capacit elle peut tre plus faible en raison d une teneur en eau plus basse puisque le stockage n est pas situ en zone satur e L impact des connexions en surface de l changeur est tudi L analyse des mesures montre que 1 m de connexion peut tre assimil 0 6 m de forage La longueur d change totale des forages est donc augment e d environ 10 Cet effet montre qu il est important de bien isoler le toit du stockage En r alit l augmentation de la longueur d change des forages est plus ou moins compens e par la mise hors service d une s rie de forages fuite du fluide caloporteur Elle est estim e 3 700 m ou 255 forages Il est donc utile de pr voir une longueur d change l g rement plus grande q
58. qui correspondent une demande de chauffage peu pr s 2 fois plus grande et une temp rature d exploitation plus lev e Une faible demande de chauffage a pour effet de rendre le stockage v ritablement saisonnier en le faisant fonctionner essentiellement pendant les mois sans gains solaires L nergie d stock e doit tre en moyenne de meilleure qualit et le fait travailler plus haute temp rature Cet effet d favorable l exploitation du stockage est compens par l abaissement de la temp rature de d part de l nergie soutir e du stockage Une demande de chauffage r duite du b timent n est pas incompatible avec l utilisation d un stockage saisonnier de chaleur tant que le volume de ce dernier reste suffisamment important tant que les pertes restent supportables Un effet de taille est montr avec la figure A4 3 On calcule les pertes d un stockage avec le programme QGHS dont les caract ristiques sont les suivantes propri t s thermiques du terrain conductivit thermique 2 8 W mK capacit thermique volumique 2 2 MJ m K 20 cm d isolation sur sa face sup rieure temp rature non perturb e du terrain 11 C temp rature moyenne annuelle du stockage 40 C Le volume est pris comme param tre variable La profondeur du stockage est chaque fois valu e pour minimiser les pertes du stockage sur les dix premi res ann es de fonctionnement Le nombre de KWh moyen sur dix ans qu il faut investir
59. ram tres fondamentaux un coefficient de pertes sp cifiques total de 18 1 kW K et une surface effective de captage de 740 m relativement l ensoleillement vertical sud est La demande d nergie de chauffage 126 MJ m an en 90 91 et 138 MJ m2an en 91 92 appara t beaucoup plus faible que pr vu en raison d un taux de renouvellement d air tr s bas 0 2 h t et de la temp rature moyenne int rieure basse 17 8 C en 90 91 et 16 8 C en 91 92 Corrig e de l effet du climat et de la temp rature int rieure fix e constante 18 C la demande de chaleur est recalcul e 150 MJ m2an avec la Norme Europ enne toujours avec un taux de renouvellement d air de 0 2 h1 Si la demande de chaleur est basse ce n est pas en raison de la double peau Le b timent b n ficie galement d un bon facteur de forme Substitu e par des fen tres en double vitrages s lectifs contrecoeur isol l ext rieur avec 10 cm d isolation la demande de chaleur passe sous la barre des 100 MJ m an M me avec un taux de renouvellement d air de 0 6 ht elle resterait inf rieure 200 MJ m an Contrairement au b timent avec double 22 peau elle satisferait toujours la valeur cible donn e par la recommandation 380 1 pour des ateliers Les fen tres en double vitrages s lectifs beaucoup plus simple mettre en oeuvre sont donc une meilleure solution On s pargne la complexit et les probl mes engendr s par une fa ade en double peau La ba
60. raphe de la figure A2 2 Les temp ratures moyennes correspondantes dans l changeur souterrain sont galement report es On observe une baisse de niveau de temp rature importante entre les nergies inject es et soutir es 36 Energie inject e __ Energie soutir e i Temp moyenne injection Temp moyenne soutirage Temp moyenne stockage Energie MWh ou temp rature C L E amp mai f vrier eee juin juillet ao t septembre octobre novembre d cembre Figure A2 2 Energies mensuelles inject es et soutir es ainsi que les temp ratures moyennes pond r es par les flux nerg tiques correspondantes de l eau dans l changeur souterrain pour la 10 ann e de fonctionnement La temp rature moyenne du stockage est galement report e L nergie fournie la PAC le mois d octobre et de novembre est de trop bonne qualit puisque l eau l vaporateur est limit e 17 C pour des raisons techniques propres la PAC Le mois le plus critique est le mois de f vrier avec la temp rature l vaporateur la plus basse 4 5 C A l injection la temp rature moyenne du fluide caloporteur est lev e relativement la temp rature moyenne du stockage Pour la m me nergie mensuelle transf r e cet cart de temp rature est 2 3 fois plus grand l injection qu au soutirage Il est caract ristique des puissances thermiques
61. res la boucle de production basse temp rature est estim e 25 MWh an Prise en compte elle fait passer le COP annuel de la PAC de 1 6 1 5 Le stockage fonctionne basse temp rature entre 9 et 29 C avec une efficacit nerg tique de 80 Il peut difficilement tre mieux exploit puisque le fluide caloporteur dans l changeur souterrain c toie les temp ratures limites admissibles aussi bien en charge 50 C qu en d charge 1 C La production annuelle des capteurs correspond 420 430 MWh an Le rendement annuel du champ fix 50 r aliste porte la surface des capteurs solaires environ 650 m2 La figure 10 1 sch matise le syst me solaire actif et permet d tablir un rendement de captage stockage de 27 19 Solaire Gaz Gaz actif PAC chaudi res PCI PCI Unit s arbitraires 100 40 40 Collecteurs solaires Efficacit 0 5 Stockage souterrain Efficacit 0 8 40 Chaudi res gaz Efficacit 0 93 Pertes Chauffage basse Chauffage haute temp rature temp rature Figure 10 1 Production de chaleur par le syst me solaire actif et comparaison avec la production des chaudi res gaz De la m me mani re que pour le syst me en fonctionnement r el un bilan de substitution de gaz par l utilisation de la PAC est effectu Il permet de montrer que 1 kWh extrait du stockage ou des capteurs ne permet d conomiser que 0 7 kWh de gaz D j mentionn 7
62. rvant un taux de renouvellement d air tr s bas l utilisation de double vitrages s lectifs permet de baisser la demande de chauffage sous la barre des 100 MJ m2an avec la double peau elle est tablie 150 MJ m an L utilisation de vitrage HIT la r duit d un facteur 2 moins de 80 MJ m2an Le taux de renouvellement d air de 0 2 ht peut tre justifi avec une ventilation contr l e quip e d une r cup ration de chaleur Dans tous les cas les alternatives propos es la double peau am liorent sensiblement le bilan nerg tique du b timent 21 12 CONCLUSION Les capteurs solaires mesur s sur plus de trois ans pr sentent des caract ristiques stables rendement annuel 40 50 Ils ont fonctionn presque sans panne mais ont n cessit un suivi attentif probl mes d encrassements et de surchauffes La mesure de leurs performances a permis de confirmer la validit du mod le et programme G3 appliqu des capteurs plans Le stockage souterrain a fonctionn sans faille l exception de probl mes mineurs endommagement de 3 tubes de l changeur souterrain Ses caract ristiques sont stables au cours des quatre ann es de mesures et son comportement est correctement mod lis par le programme DST Les puissances transf r es par l changeur souterrain sont limit es par les carts de temp rature importants qu elles cr ent entre le fluide caloporteur et le terrain environ 10 K pour 40 W m de forage
63. s ann es de fonctionnement une profondeur de 35 m permettrait de les r duire de 30 Pour terminer un programme appel SMARTSTORE sera disponible d s l t 1994 Il utilise les routines de calcul des trois programmes mentionn s ci dessus Il permet d tablir le stockage le plus avantageux en minimisant la fois les co ts de construction et le co t de l nergie perdue au cours de sa dur e de vie Il sera accompagn d un guide de l utilisateur largement d taill intitul The SmartStore Model Users Manual 33 30 Annexe 2 Le syst me solaire actif en fonctionnement normal L objectif est d valuer les performances globales que l on peut attendre du syst me solaire actif dont le fonctionnement est conditionn par la bonne marche de la pompe chaleur gaz A2 1 Approche simplifi e Tous les l ments faisant partie du syst me solaire actif capteurs stockage PAC gaz etc ont t analys s en d tail dans le rapport final 7 La d marche suivie ici consiste remonter la cha ne de production d nergie partir de la demande d nergie de chauffage du b timent Chaque l ment est trait s par ment sur la base de ses caract ristiques mesur es en fonctionnement normal Les tapes successives de la d marche sont num r es dans l ordre de proc dure 1 demande d nergie de chauffage Elle est valu e en consid rant une temp rature int rieure moyenne constante de 18 C L a
64. san B Lachal B Matthey A Mermoud 1991 Stockage saisonnier de chaleur de 20 000m3 aliment par des capteurs solaires CISBAT 91 EPFL LESO Lausanne pp 323 328 iv 25 G Hellstr m PC Programs for Ground Heat Systems Department of Mathematical Physics University of Lund Sweden mai 1989 26 D Pahud Etude application et valuation de la nouvelle Norme Europ enne EN sur un b timent industriel Cycle d tudes postgrades en nergie LASEN EPFL Lausanne 1992 27 European Standard Thermal Performance of Buildings Calculation of Energy Use for Heating Residential Buildings European committee for Standardization r Stassart 36 B 1050 Brussels 1992 281 Ashrae Handbook Fundamentals American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers Inc SI Edition 1989 pp 32 1 32 20 29 C A Roulet Energ tique du b timent I Presses polytechniques romandes 1987 30 C A Roulet Energ tique du b timent II Presses polytechniques romandes 1987 31 Recommendation SIA 180 1 Protection thermique des b timents en hiver Soci t suisse des ing nieurs et des architectes Z rich 1980 32 Recommandation SIA 380 1 L nergie dans le b timent Soci t suisse des ing nieurs et des architectes Z rich 1988 33 B Nordell The SmartStore Model Users Manual Division of Water Resources Engineering Lulea University of Technology S 95187 Lulea Sweden para tre t 19
65. sse valeur de la demande de chauffage combin e avec les pannes de la PAC ont conduit une utilisation d cevante de l nergie solaire issue des capteurs Recalcul en supposant un fonctionnement normal et sans panne on peut attendre un rendement annuel de 50 des capteurs et une efficacit nerg tique de 80 du stockage Mais l nergie produite par le couple capteurs stockage est d valoris e par l utilisation de la pompe chaleur Le rendement solaire global chute de 40 27 D autre part le COP annuel attendu de la PAC estim 1 6 baisse 1 5 si l nergie lectrique consomm e par les pompes des capteurs la boucle de production basse temp rature est prise en compte Le couple capteurs stockage est en r alit une source froide artificielle Elle est concurrenc e par une v ritable source froide le Nant d Avril un cours d eau coulant 700 m du b timent Une tude comparative montre que les deux sources froides pourraient tre de qualit comparable et conduiraient un COP annuel de la PAC analogue En d autres termes le Nant d Avril pourrait substituer les capteurs solaires et le stockage Mais l utilisation m me de la pompe chaleur peut tre remise en question compte tenu de sa mauvaise fiabilit et des probl mes associ s En supposant que le stockage puisse fonctionner moyenne temp rature le syst me solaire actif ne pourrait pas fonctionner sans PAC dans sa forme actuelle m me avec les
66. surface du terrain Elle est recouverte d une couche d isolation d finie par l utilisateur Parmi les r sultats fournis par le programme on trouve la temp rature moyenne annuelle du stockage et l amplitude qui caract rise sa variation annuelle Le programme calcule galement les pertes annuelles en r gime stationnaire l nergie inject e et soutir e ainsi que l efficacit nerg tique du stockage Parmi les param tres d entr e au programme figure la capacit de transfert de chaleur volumique Cette derni re peut tre calcul e avec le programme GHE Les param tres nominaux et ajust s du stockage Marcinh s sont num r s dans la table A1 2 La temp rature du fluide caloporteur ainsi que sa variation annuelle sont ajust es de mani re faire correspondre l nergie extraite la valeur attendue conception ou mesur e 4 cycle 26 INPUT Valeurs ajust es Volume stockage m3 20 000 21 800 Profondeur du stockage m 14 5 14 5 Conductivit thermique du terrain W mK 2 4 2 8 Capacit thermique volumique du terrain J m3K 2 8 106 2 2 106 Isolation profondeur sur le c t vertical m 2 2 conductivit thermique W mK 0 04 0 04 paisseur m 0 1 0 1 Capacit de transfert de chaleur volumique 0 85 0 83 W m3K i Temp rature de l air moyenne C 11 11 amplitude K 10 10 d phasage jour 0 0 Temp du fluide caloporteur moyenne C 19 25 amplitude K 18 9 d phasage jour 15
67. t Fa ade sud est Table A5 2 Surfaces des fen tres pour les deux versions tudi es fa ade par fa ade La Norme Europ enne est appliqu e chaque situation Les caract ristiques du reste de l enveloppe restent inchang es Le taux de renouvellement d air est toujours fix 0 2 h t La demande de chauffage est calcul e sur la base d une temp rature int rieure de 18 C et des variables m t os catalogu es en valeurs mensuelles pour Gen ve temp rature ext rieure ensoleillements verticaux Les quatre situations d finies ci dessus sont calcul es et compar es avec le b timent actuel cf figure AS 1 L tat de la double peau correspond l hiver 90 91 Il est suppos repr sentatif des performances normales que l on peut attendre des fa ades double peaux 150 125 100 Demande de chauffage MJ m2an 0 double double double HIT HIT peau s lectif s lectif statu quo diff renci statu quo diff renci Figure A5 1 Demande de chauffage calcul e pour le b timent actuel et les quatre situations d finie ci dessus sans l usage de la double peau Les caract ristiques thermiques du b timent ainsi que la demande de chaleur mois par mois sont report es dans la table AS 3 pour chaque situation 49 Double peau Double s l Double s l HIT HIT tat 90 91 statu quo diff renci statu quo diff ren
68. t ristiques thermiques celles de l hiver 90 91 d une temp rature int rieure de 18 C et des variables m t os catalogu es en valeurs mensuelles pour Gen ve 7 L application de la Norme Europ enne permet de l tablir 150 MJ m2an La m thode de calcul propos e par la recommandation SIA 380 1 32 utilis e en imposant un taux de renouvellement d air de 0 2 h1 permet de la calculer 160 MJ m2an sur la base des degr jours 18 10 Ces valeurs se situent sous la valeur cible donn e par la recommandation SIA 380 1 pour les ateliers 200 MJ m an Elles sont possibles gr ce des pertes par le sol n gligeables compens es par les pertes du stockage et surtout un taux de renouvellement d air extr mement bas 0 2 h t Les nergies l entr e de la chaufferie gaz PCI et chaleur en provenance du stockage et des capteurs correspondent 170 180 MJ m2an que l on peut comparer aux 220 MJ m2an pr vus par la conception nerg tique du b timent 1 Les performances du syst me solaire actif sont recalcul es sur la base de la demande de chauffage tablie ci dessus 150 MJ m2an et d une marche sans panne et satisfaisante de la pompe chaleur gaz cf annexe 2 On suppose qu elle fonctionne avec un COP saisonnier raisonnable de 1 6 Elle produit environ 75 de la demande de chauffage soit 560 MWh an et extrait 320 MWh an du stockage et 30 MWh an des capteurs La consommation lectrique des pompes des capteurs solai
69. te des capteurs de 5 W m2K et un facteur d change de l changeur solaire de 35 kW K pour 600 m2 de capteurs Les gains solaires qui transitent directement dans le r seau BT sont donc valu s en construisant l ann e standard Cette derni re sert de base pour calculer les performances du stockage durant 10 ans On suppose implicitement que le stockage utilis moyenne voir haute temp rature est mod lis avec les m mes param tres que ceux qui le d crivent basse temp rature Comme pr c demment la demande de chauffage et la production des capteurs peuvent tre amplifi es par un facteur constant 41 A4 2 Utilisation du stockage dans sa forme actuelle La forme et la taille du stockage actuel n est pas pr vue pour fonctionner sans PAC Mais disposant de pr s de 1000 m de capteurs on est tent de calculer malgr tout les performances de ce syst me Dans tous les sc narios calcul s par la suite la production des capteurs est fix e 440 MWh par ann e Relativement leur surface totale le rendement annuel vaudrait environ 35 Un rendement annuel plus faible quivaudrait une surface de collecteurs plus grande L nergie extraire du stockage est ajust e la production calcul e de la PAC annexe 2 Elle se chiffre 560 MWh an et contribue satisfaire environ 75 de la demande de chauffage du b timent tablie selon ses caract ristiques thermiques 7 et une temp rature int rieure de 18 C
70. tout de suite ce que l on a gagn avec l utilisation de la PAC et correspond la part d nergie produite par les capteurs On peut dire que le syst me solaire actif fonctionne au mieux avec un rendement global de 27 On peut le comparer au fonctionnement r el du syst me qui correspond un rendement global de 17 7 Le syst me solaire actif est regard sous un angle diff rent en tablissant nouveau un bilan de substitutions du gaz On calcule le gaz consomm si la production du syst me solaire actif est substitu e par celle des chaudi res gaz en utilisant les caract ristiques des chaudi res donn es dans l tape n 3 de la section A2 1 Le gaz conomis est la diff rence de consommation entre les deux alternatives sans et avec syst me solaire actif L nergie issue du stockage et des capteurs divis e par l nergie contenue dans le gaz conomis PCI livre un rapport de 0 7 En fonctionnement r el on avait obtenu 0 6 7 Comme mentionn dans le rapport final 7 c est le probl me li l utilisation d une pompe chaleur Le prix de l nergie puis e dans une source froide est d valoris et doit tre inf rieur dans la situation de Marcinh s de 30 celui du gaz achet sur le r seau de distribution Ce prix doit couvrir la plus value du syst me solaire actif entier relativement des chaudi res gaz surco t d achat d installation et de maintenance 38 Le but n est pas d effec
71. tuer une analyse conomique mais de rappeler que le couple capteurs solaires et stockage ne repr sentent qu une source froide de la pompe chaleur Il entre en concurrence avec tous les autres types de source froide possible dont les plus prometteuses auraient d faire l objet d une valuation au moment de la conception nerg tique du b timent 39 Annexe 3 Alternative l utilisation du stockage saisonnier comme source froide de la pompe chaleur 700 m du b timent coule le Nant d Avril cours d eau dont le lit a t recouvert par des dalles en b ton Il a l avantage de couler en galerie et de recevoir des eaux de refroidissement en provenance du CERN Il constitue une v ritable source froide dont l abondance ne n cessite pas de recharge estivale Les temp ratures et d bits des eaux de rejet sont mesur es et communiqu es au service des contr les de pollution du D partement des Travaux Publics Ce dernier m a communiqu les mesures effectu es les ann es 1989 et 1990 351 Chaque ann e l volution de la temp rature et du d bit des eaux de rejets issues du CERN sont trac es Les d bits fluctuent beaucoup mais restent importants entre 20 et 800 litre s Les temp ratures des rejets varient de 6 C en janvier 20 C en juillet La temp rature du Nant d Avril n est pas mesur e mais l essentiel de son d bit semble provenir des rejets Pour valuer la qualit de la source froide les temp ratures sont
72. ue les transferts thermiques sont l g rement moins bons au soutirage Ce programme permet d obtenir tr s rapidement la r sistance thermique forage plus terrain de l changeur souterrain ainsi que sa capacit de transfert de chaleur totale ou volumique correspondante Mais le concept de r sistance thermique effective d un changeur vertical 17 n est pas pris en compte par le programme Ce concept permet d valuer la d gradation de l change thermique cr par l change d nergie d favorable entre le fluide montant et le fluide descendant dans un changeur Cet effet peut devenir 25 important avec un faible d bit du fluide caloporteur ou un forage profond Un changeur en double U du stockage Marcinh s aurait une r sistance thermique augment e de 40 si sa longueur atteignait 100 m tres 7 Mais cet effet resterait inf rieur 15 sur la r sistance forage plus terrain A1 2 Le programme QPERGHS Le programme calcule le comportement d un stockage de type diffusif dont la temp rature du fluide caloporteur qui traverse l changeur souterrain varie de mani re sinuso dale autour d une valeur constante au cours de l ann e Les performances du stockage sont calcul es en exploitation purement saisonni re avec une p riode d injection et de soutirage bien distincte Le stockage est suppos de forme cylindrique dont l axe de sym trie est vertical La partie sup rieure du stockage est en contact avec la
73. ue pr vue Les changes entre le fluide caloporteur et le terrain sont tudi s de mani re exp rimentale Les carts de temp rature entre le fluide caloporteur dans l changeur souterrain et dans les capteurs et le stockage sont examin s en d tails Les transferts thermiques sont analys s ensuite avec l tude du facteur d change propre aux changeurs de chaleur 16 Les puissances inject es et soutir es sont trait es diff remment A l injection les puissances thermiques souvent tr s intenses sont suivies d une p riode de repos nocturne Le facteur d change report en fonction de l nergie inject e depuis le d but du jour d cro t rapidement vers une valeur de 15 20 kW K En revanche les puissances thermiques soutir es beaucoup plus faibles demeurent des jours ou des semaines enti res Un r gime stationnaire obtenu apr s quelques jours permet l valuation de la capacit de transfert de chaleur de l changeur souterrain 16 1 kW K Elle correspond une r sistance thermique par m tre de forage de 0 23 0 02 K W m forage changeur et terrain Les puissances de transfert sont limit es par les diff rences de temp rature importantes qui apparaissent entre le fluide caloporteur et le terrain Inversement la temp rature du stockage est limit e en fonction des temp ratures extr mes que peut supporter l changeur souterrain Par exemple la PAC extrait 150 KW ou 40 W m de forage du stockage
74. uer et optimiser les performances d un syst me nerg tique complet Il s agit des programmes TRNSYS et MINSUM Dans le but d valuer rapidement les performances que l on peut attendre d un stockage trois outils de calculs simplifi s sont bri vement pr sent s et appliqu s au stockage Marcinh s Ces outils de calculs font galement partie de l ensemble de programmes 25 d velopp s par le Lund Group for Thermal Analysis of Ground Heat Systems A1 1 Le programme GHE Ce programme permet de calculer la capacit de transfert de chaleur de l changeur souterrain en r gime stationnaire en kW K Cette grandeur caract rise les puissances que l on peut transf rer au stockage Elle tient compte aussi bien des performances des changeurs verticaux que de l effet du terrain touch par chaque changeur Diff rents types d changeurs sont trait s y compris la configuration des tubes en double U utilis e Marcinh s Les param tres utilis s par le programme dans le cas de l changeur en double U sont num r s dans la table A1 1 Les valeurs nominales et ajust es sont donn es ce qui permet de juger l impact sur la capacit de transfert de chaleur de l changeur souterrain Les valeurs ajust es ont t d termin es dans le rapport final 7 et permettent de recalculer l volution du stockage sur pr s de trois ans et demi l aide du programme DST 24 INPUT Valeurs ajust es Volume stockage m3 20 0
75. uit conform ment au mod le G3 9 10 Ce dernier d j valid sur un champ de capteurs tubulaires sous vide 11 permet de reproduire fid lement les performances journali res des champs on observe un biais annuel inf rieur 0 15 MJ m2jour environ 4 et une dispersion quotidienne sigma de 0 5 MJ m2jour Au niveau d un champ de capteurs les pr dictions du mod le G3 sont v rifi es de mani re tr s satisfaisante Afin de pouvoir tudier le syst me solaire avec le stockage saisonnier les changes thermiques travers l changeur solaire contre courant et l changeur souterrain sont valu s de mani re empirique 6 Ils permettent d appliquer le mod le et le programme G3 12 qui comprend diff rents types de syst mes complets diff rents stades de complexit de la boucle solaire seule au syst me complet avec stockage Les pr dictions annuelles restent dans des limites acceptables inf rieures 10 Enfin une tude de sensibilit sur les param tres physiques du syst me solaire est effectu e gr ce au programme G3 Pour une temp rature de travail des capteurs de 40 C elle permet d identifier l efficacit optique comme le param tre le plus sensible avec une lasticit de 1 4 L augmentation de 1 de l efficacit optique augmente de 1 4 la chaleur annuelle produite L l vation de la temp rature de travail des capteurs de 1K diminue la production annuelle de 2 4 POMPE CHALEUR GAZ
76. ur des temp ratures l vaporateur inf rieures 10 C Mais d faut d information plus pr cise cette relation sera suppos e v rifi e Pour une temp rature moyenne annuelle de 35 C au condenseur le COP vaudrait 1 7 pour une temp rature moyenne annuelle de 15 C l vaporateur 1 6 pour 10 C et 1 4 pour 5 C On suppose que le stockage travaille correctement basse temp rature et fournit l nergie d stock e une temp rature moyenne annuelle de 10 C et conduit un COP saisonnier de 1 6 L nergie soutir e l vaporateur se chiffre 70 MJ m2an ou 350 MWh an avec les relations A2 1 et A2 2 32 5 nergie extraire et temp ratures minimum de travail du stockage Sur la totalit de l nergie extraite par l vaporateur de la PAC environ 10 provient directement des capteurs L nergie soutirer du stockage quivaut 60 MJ m2an ou 320 MWh an La temp rature minimum du fluide caloporteur dans l changeur souterrain est fix e 0 C pour viter le gel et des COP trop bas A bas r gime la PAC extrait 70 KW du stockage ou 20 W m de forage La r sistance thermique forage plus terrain a t mesur e 0 23 K W m 7 et cr e en r gime stationnaire une chute de temp rature de 4 6 K entre le fluide caloporteur et le stockage Cette r sistance thermique peut tre calcul e avec le programme GHE et donne un r sultat environ 10 plus faible cf annexe 1 1 Les 70 kW combin s avec u
77. ure 9 1 les montre pour l ann e qui s tend du 1 7 90 au 1 7 91 Energies GJ Solaire Gaz Gaz Solaire Electricit actif PAC chaudi res passif 4 400 Po POD 940 Pertes 3 200 Collecteurs solaires 940 m2 1 200 41 9 C Variation capacit 290 1 140 Stockage souterrain 20 000mS3 TmStkCh 25 6 C TmStkDe 21 8 C Partas 530 5 340 Pertes T5 270 Pertes Double peau 4150 3400 m2 Fen tres 1 090 m2 210 1 700 610 1 190 630 Distribution Distribution Gains solaires 310 basse temp rature haute temp rature passifs et intemes Rejets surchauffes Chauffage b timent 20 Rez inf rieur Figure 9 1 Flux nerg tiques dans le b timent mesur s du 1 7 90 au 1 7 91 Les temp ratures moyennes qui accompagnent certains flux nerg tiques montrent comment l nergie thermique est d grad e apr s chaque transfert suite un changeur de chaleur un m lange etc L insertion de la pompe chaleur dans la cha ne de production basse temp rature BT se paie par des chutes de temp rature l vaporateur et au condenseur Au condenseur la chute de temp rature est amplifi e par un d bit insuffisant dans le r seau BT Le syst me solaire actif est valu globalement des capteurs solaires la production de la PAC Les performances globales ne sont pas satisfaisantes Ind pendamment du fait que la PAC est souvent tomb e en
78. ure exploitation du stockage cf table A4 4 44 Energie inject e dans Energie extraite du Energie extraite des stockage stockage capteurs directement 399 MWh 182 MWh 42 MWh 560 MWh Pertes haut stockage Pertes lat rales Pertes fond stockage Pertes totales stockage 27 MWh 12 157 MWh 73 32 MWh 15 216 MWh 100 Demande satisfaire Temp rature moyenne pond r e du fluide caloporteur Efficacit nerg tique en charge 52 C en d charge 35 C 46 Temp rature moyenne du stockage Nbr cycle quivalent annuelle 39 C minimum 32 0 C maximum 46 7 C 0 89 Table A4 4 Caract ristiques du 10 cycle de fonctionnement du stockage utilisation sans PAC mais avec 20 cm d isolation foamglass sur sa face sup rieure une profondeur de 30 m tres et une temp rature d exploitation pour le chauffage abaiss e L efficacit nerg tique du stockage est comparable celle du stockage actuel fonctionnant basse temp rature mais mal exploit Mais le r gime transitoire est beaucoup plus important Il faut attendre 5 ans pour passer la barre des 40 et 8 ans pour celle des 45 L volution de la temp rature moyenne du stockage et les efficacit s nerg tiques correspondantes sont montr es par la figure A4 2 165 MWh 41 155 MWh 133 MWh 39 33 82 MWh 21 Temp rature C Energie soutir e par ann e Efficacit nerg tique 10 L 1 L 4 4 1 1 i 1 1 1 4 1 1 1 1 06 8
79. va Third International Congress On Building Energy Management Ecole Polytechnique F d rale de Lausanne 1987 pp 197 203 2 B Matthey Accumulateur saisonnier de chaleur solaire de 20 000 m3 par sondes verticales sous un b timent industriel Meyrin Gen ve Jigastock 88 IV mes Conf rence Internationale sur le stockage de l nergie pour le chauffage et le refroidissement des b timents octobre 88 Versailles pp 561 565 3 B Matthey C A Roulet Centre Industriel et Artisanal Marcinh s Meyrin Gen ve Revue de la SSES SonnenEnergie Energie Solaire f vrier 1986 pp 37 39 4 O Guisan B Lachal A Mermoud Immeuble Industriel Marcinh s proposition pour une tude thermique globale et d finition d un syst me de mesures Groupe de Physique Appliqu e de l Universit de Gen ve novembre 1987 5 A Mermoud Syst me d acquisition de donn es pour des mesures nerg tiques dans le b timent Groupe de physique Appliqu e document interne f vrier 1990 6 A Mermoud D Pahud O Guisan B Lachal Etude du Centre Industriel et Artisanal Marcinh s Meyrin GE Rapport partiel Groupe de Physique Appliqu e et Centre Universitaire pour l Etude des Probl mes de l Energie Uni GE septembre 1991 7 D Pahud Etude du Centre Industriel et Artisanal Marcinh s Meyrin GE Rapport final Groupe de Physique Appliqu e et Centre Universitaire pour l Etude des Probl mes de l Energie Uni GE septembre 1993

Mode d'emploi

Contents

Download Pdf Manuals

Related Search

Related Contents