Etude du comportement thermique d’un échangeur ...eprints2.insa-strasbourg.fr/870/1/Synthèse_Charlotte_BECMEUR.pdf · Etude du comportement thermique d’un échangeur ... Cependant,

GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE

SYNTHESE

Etude du comportement thermique d’un échangeur géothermique compact de type corbeille

Projet de fin d’étude réalisé au BRGM dans le département géothermie

Par Charlotte Becmeur

Tuteur : JJ. Lenotte

Structure d’accueil : BRGM département GTH, Orléans

Responsable entreprise : A. Vrain

MAI 2011

2 Etudiant : Becmeur Charlotte Etude de corbeilles géothermiques Tuteur : Lenotte Jean-Jacques Mai 2011

REMERCIEMENTS Tout d’abord je tiens à remercier le BRGM de m’avoir accueilli, Hervé Lesueur pour m’avoir proposé ce sujet ainsi qu’Alexandre Vrain de m’avoir encadré. Ensuite j’adresse mes sincères remerciements à Mickaël Philippe pour ses conseils avisés et ses remarques critiques. Je remercie au passage Charles Maragna pour son aide. Je remercie également Romain Vernier et Alain Desplan, les responsables du département géothermie, ainsi que toute l’équipe du département pour son bon accueil et la très bonne ambiance qui y règne. Enfin je remercie Jean-Jacques Lenotte, tuteur COSTIC, de m’avoir suivi tout au long de ce projet de fin d’étude.

FICHE D’OBJECTIFS

Etude des corbeilles géothermiques sur la plateform e expérimentale ECLIPSE

1) Mise en route du programme expérimental Eclipse devant exprimer les aptitudes des

corbeilles au stockage périodique d’origine solaire - Recherches bibliographiques sur les échangeurs compacts - Réaliser un mode opératoire officiel d’Eclipse pour lancer les expériences - Réalisation des tests - Modélisation des corbeilles sous COMSOL ou sous un autre logiciel - Interprétation des résultats - Publication de certains résultats ou sur la mise en œuvre/installation des

corbeilles

2) Réaliser la phase de préfaisabilité de l’installation de la géothermie au Gymnase du

BRGM en fonction des résultats d’ECLIPSE - Se familiariser avec les logiciels suivants

o DPE (français) o PEB (belge) o RETscreen o Energieplus

- Faire une analyse critique de ces logiciels - Prendre le cas du gymnase pour modéliser et simuler actuellement

(chauffage gaz, …) et en prévision de la géothermie.


« Etude du comportement thermique d’un échangeur géothermique compact de type corbeille » Résumé Une corbeille géothermique est un type d’échangeur géothermique nouveau sur le marché. Cet échangeur est constitué d’un tuyau enroulé sous la forme d’un ressort et enterré à une profondeur de quelques mètres à une dizaine de mètres. Ce projet a pour but d’étudier le comportement thermique des corbeilles géothermiques et d’évaluer leurs performances en termes d’échange de chaleur avec le sol dans différentes configurations d’implantation, notamment la possibilité de relier les corbeilles en série ou en parallèle. L’influence de leur profondeur d’enfouissement et du matériau du tuyau est également évaluée. Afin d’obtenir ces résultats, une plate-forme expérimentale a été mise en place sur le site du BRGM où sept corbeilles géothermiques ont été implantées. Les expériences réalisées sur les différentes corbeilles ainsi que leurs résultats sont présentés dans cette synthèse. En complément de ces mesures, un modèle simplifié de corbeille géothermique a été développé et a été validé par des mesures expérimentales sur une corbeille en polyéthylène enfouie à 4 m de profondeur. Ces résultats expérimentaux et le modèle de corbeille mis au point dans ce travail pourront permettre à l’avenir d’affiner les règles de dimensionnement encore très imprécises jusqu’à présent. Mots clés : Corbeille géothermique, échangeur compact, plate-forme expérimentale, modélisation. “Study of the thermal behavior of a compact geothermal heat exchanger of spiral type” Abstract A spiral ground heat exchanger is a new type of compact heat exchanger appearing on the market. This exchanger consits of a long pipe rolled so as to form a spring shape and buried at a depth of a few meters to about ten meters. This project aims to study the thermal behavior of spiral ground heat exchangers and to assess the performances in the various configurations, in particular possibility of linking the ground heat exchangers in a series or parallel arrangement. The influence of the burying depth and the pipe material is also evaluated. To obtain such results, an experimental facility has been implemented at the BRGM equipped with seven spiral ground heat exchangers. The experimental results obtained by using this test facility in different configurations are shown in this report. In addition, a simplified model of spiral ground heat exchanger has been developed and experimentally validated by measurements carried out on a polyethylene spiral ground heat exchanger buried at a 4 m depth. The experimental results and the proposed new model of spiral ground heat exchanger can be used in the future to establish new sizing rules for such ground heat exchangers, those being yet approximate. Keywords: Spiral ground exchanger, compact heat exchanger, test facility, modelling.


Table des matières INTRODUCTION ................................................................................................................... 5

1. PRESENTATION DU PROJET ECLIPSE .................... .................................................. 6

1.1. OBJECTIFS ............................................................................................................... 6 1.2. CORBEILLES GEOTHERMIQUES ................................................................................... 6

1.2.1. Présentation ..................................................................................................... 6

1.2.2. Bibliographie .................................................................................................... 7 1.2.3. Comparaison des flux ....................................................................................... 9

1.3. INSTALLATION ..........................................................................................................10 1.4. INSTRUMENTATION ...................................................................................................12

2. ESSAIS .........................................................................................................................13

2.1. MODE OPERATOIRE ..................................................................................................13 2.1.1. Etudes préliminaires ........................................................................................13

2.1.2. Essai 1 : Comparaison plastique cuivre (Début 14 mars) ................................15 2.1.3. Essai 2 : influence de la profondeur ................................................................16 2.1.4. Essai 3 : Comparaison série parallèle .............................................................17

2.1.5. Essai 4 : Comparaison d’échangeurs en champs ou empilés ..........................17 2.1.6. Essai 5 : Influence des conditions extérieures .................................................17

2.1.7. Essai 6 : Changement de sens de circulation ..................................................17 2.1.8. Planning des essais ........................................................................................18

2.2. RESULTATS .............................................................................................................20

2.2.1. Mesure de la température du sol .....................................................................20 2.2.2. Essai 1 : Cuivre plastique ................................................................................22

2.2.3. Essai 2 : Test de la profondeur sur les trois corbeilles superposées ................25 a/ Cycles longs .......................................................................................................................... 25 b/ Cycles courts ......................................................................................................................... 29

2.2.4. Essai 3 : Test raccordement parallèle série sur les corbeilles x2 .....................32 2.2.5. Essai 4 : Test des corbeilles empilées ou alignées ..........................................32

2.2.6. Changement du sens de circulation de la pompe ............................................36

3. MODELISATION ...................................... .....................................................................36

3.1. MODELISATION SOUS EXCEL .....................................................................................36

3.2. VALIDATION DU MODELE ...........................................................................................43 3.3. COMPARAISON DES CYCLES LONGS AVEC DES CYCLES COURTS ..................................45

PROBLEMES ET DIFFICULTES RENCONTREES ........... ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.

CONCLUSION ................................................................... ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.

BIBLIOGRAPHIE ..................................... ............................................................................48

SOMMAIRE DES ANNEXES .............................. .................................................................49


INTRODUCTION Dans un contexte actuel de développement durable et de recherche d’énergies alternatives, la géothermie fait de plus en plus l’objet d’études. L’énergie basse et très basse température est disponible à faible profondeur et peut être valorisée par l’intermédiaire de dispositifs thermodynamiques (pompes à chaleur). Différents types d’échangeurs géothermiques sont utilisés pour extraire cette énergie. Parmi eux les plus courants sont les sondes verticales et les échangeurs horizontaux. Les sondes verticales présentent l’avantage de nécessiter peu de place contrairement aux échangeurs horizontaux qui occupent une surface pouvant représenter jusqu’à deux fois la surface habitable à chauffer ou climatiser. Les sondes verticales impliquent cependant un coût important dû au forage. Une solution intermédiaire est ainsi proposée depuis quelques temps sur le marché en proposant des échangeurs géothermiques compacts (corbeilles géothermiques par exemple). Dans le but de diversifier l’offre des échangeurs géothermiques pour favoriser l’intégration des pompes à chaleur dans l’habitat, un projet de recherche a ainsi été lancé en 2008. Ce projet présente plusieurs volets réalisés par l’ensemble des partenaires :

- Conception (prédéfinition de l’échangeur et prédéfinition des systèmes) - Modélisation et simulations (modélisation fine de l’échangeur ; modélisation simplifiée

de l’échangeur ; modélisation et simulation de systèmes couplés à une habitation individuelle ; analyse technico-économique)

- Expérimentation : (analyse expérimentale de l’échangeur et analyse expérimentale du système globale)

- Valorisation et diffusion

Le BRGM (Bureau de Recherche Géologique et Minière) intervient donc dans ce projet principalement dans la partie expérimentation. Il a donc mis en place une zone appelée ECLIPSE, comportant trois types d’échangeurs innovants compacts. Le premier type d’échangeur est la corbeille géothermique, qui a déjà été installée. Les deux autres échangeurs sont les micro-pieux métalliques ainsi que les sondes géothermiques inclinées implantées sous forme de parapluie. Ces deux derniers sont encore en projet. Les corbeilles géothermiques ont fait l’objet de travaux exploratoires dés les années 1980. Cependant, il existe peu de règles de dimensionnement de ces échangeurs en vue d’une intégration à une pompe à chaleur, car leurs comportements thermiques sont assez mal décrits. Dans le cadre du projet de recherche ECLIPSE, j’ai donc participé à la mise en place et à la réalisation d’expériences ayant pour but de mieux connaitre le comportement thermique des corbeilles géothermiques en fonction de diverses configurations d’implantation et de deux matériaux de natures différentes. Cette synthèse fait donc, dans les deux premières parties, référence au projet ECLIPSE, avec les différents essais réalisés sur la plate-forme. Elle apporte les différents résultats de ce projet, qui vont être utilisés pour la suite du projet de recherche par les autres partenaires. La dernière partie de cette synthèse ne fait pas partie du projet ECLIPSE. Etant donné que de plus en plus de projet de recherche autour des corbeilles géothermiques sont en cours au BRGM, des modélisations fines de corbeilles vont être développées. J’ai ainsi mis au point une modélisation simplifiée d’une corbeille géothermique, me permettant de comparer avec les résultats d’expérience et de proposer des premiers résultats avant les prochains travaux plus détaillés qui vont être réalisés au BRGM.

Etudiant : Becmeur Charlotte Tuteur : Lenotte Jean-Jacques

1. Présentation d

1.1. Objectifs ECLIPSE (= Echangeur géothermique Compact pour le Logement Individuel et Performance du Système Energétique associé)Recherche), basé sur les échangeurs compacts. Sur ce projet, le BRGM travaille en partenariat avec :

- le CEA-INES pour la modélisation et la simulation des échangeurs compacts de la plate-forme INCA,

- le CSTB pour la créatioinstallations géothermiques,

- le LOCIE (Polytech’Savoie) pour la création d’un modèle fin de l’échangeur, - ECO’Alternative (EDF) pour la mise en œuvre très concrète auprès des cl- RYB pour la fourniture des raccords pour les échangeurs.

Dans le cadre de ce projet, différentes configurations de corbeilles géothermiques ont été installées au BRGM afin de tirer quelques résultats expérimentaux sur ce type d’échangeur Le but de ce projet est de caractériser les comportements du sol en fonction des sollicitations transférées via les corbeilles géothermiques, en tenant compte de plusieurs paramètres

- Niveau de température / puissance- Fréquence des sollicitations- Nature des matériaux (tubes et remplissage)- Aptitude au stockage temporaire (déphasage) ou saisonnier

Les expérimentations réalisées dans le cadre d’ECLIPSE s’appuient sur l’infrastructure de la plate-forme de recherche sur les échangeurs enterrés des pompes à chaleur ducofinancé par la région Centre et les Fonds européens. Les échangeurs horizontaux, verticaux et compacts sont tous trois raccordés à un dispositif thermodynamique, permettant de reproduire les comportements de toutes les pompes à chaleur et de tous les bâtiments. Ce disporégulation (débit et température) et sur 2 plages de température: froide (jusqu’à chaude (jusqu’à +50 °C).

1.2. Corbeilles géothermique

1.2.1. Présentation Les différentes données présentées dans ce paragraphe sont tirées de la source bibliographique [3]

Les corbeilles géothermiques font parties des échangeurs compacts à haute performance énergétique. Elles constituent une bonne alternative aux sondes géothermiques verticapas réalisable pour des raisons administratives (zone de protection autour des captages d’eau potable par exemple) ou géologiques et hydrogéologiques,l’emprise au sol plus faible.

Ce type de système consiste en un faisceau de tube conique ou cylindrique

Figure 1 Corbeille géothermique

Etude de corbeilles géothermiques Mai 2011

Présentation d u projet ECLIPSE

Echangeur géothermique Compact pour le Logement Individuel et Performance du Système Energétique associé) est le nom d’un projet ANR (Association Nationale de la Recherche), basé sur les échangeurs compacts. Sur ce projet, le BRGM travaille en

INES pour la modélisation et la simulation des échangeurs compacts de la

le CSTB pour la création d’un nouveau type TRNSYS et le dimensionnement des installations géothermiques, le LOCIE (Polytech’Savoie) pour la création d’un modèle fin de l’échangeur, ECO’Alternative (EDF) pour la mise en œuvre très concrète auprès des clRYB pour la fourniture des raccords pour les échangeurs.

différentes configurations de corbeilles géothermiques ont été installées au BRGM afin de tirer quelques résultats expérimentaux sur ce type d’échangeur

de caractériser les comportements du sol en fonction des sollicitations les corbeilles géothermiques, en tenant compte de plusieurs paramètres

Niveau de température / puissance Fréquence des sollicitations

riaux (tubes et remplissage) Aptitude au stockage temporaire (déphasage) ou saisonnier

Les expérimentations réalisées dans le cadre d’ECLIPSE s’appuient sur l’infrastructure de la forme de recherche sur les échangeurs enterrés des pompes à chaleur du

cofinancé par la région Centre et les Fonds européens.

Les échangeurs horizontaux, verticaux et compacts sont tous trois raccordés à un dispositif thermodynamique, permettant de reproduire les comportements de toutes les pompes à

les bâtiments. Ce dispositif permet de travailler sur deuxrégulation (débit et température) et sur 2 plages de température: froide (jusqu’à

géothermiques

présentées dans ce paragraphe sont tirées de la source

Les corbeilles géothermiques font parties des échangeurs compacts à haute performance énergétique. Elles constituent une bonne alternative aux sondes géothermiques verticales, pas réalisable pour des raisons administratives (zone de protection autour des captages d’eau potable par exemple) ou géologiques et hydrogéologiques, et également aux capteurs horizontauxemprise au sol plus faible.

Ce type de système consiste en un faisceau de tube conique ou cylindrique. Les corbeilles sont généralement implantées à

6

Echangeur géothermique Compact pour le Logement Individuel et Performance est le nom d’un projet ANR (Association Nationale de la

Recherche), basé sur les échangeurs compacts. Sur ce projet, le BRGM travaille en

INES pour la modélisation et la simulation des échangeurs compacts de la

dimensionnement des

le LOCIE (Polytech’Savoie) pour la création d’un modèle fin de l’échangeur, ECO’Alternative (EDF) pour la mise en œuvre très concrète auprès des clients,

différentes configurations de corbeilles géothermiques ont été installées au BRGM afin de tirer quelques résultats expérimentaux sur ce type d’échangeur.

de caractériser les comportements du sol en fonction des sollicitations les corbeilles géothermiques, en tenant compte de plusieurs paramètres :

Les expérimentations réalisées dans le cadre d’ECLIPSE s’appuient sur l’infrastructure de la forme de recherche sur les échangeurs enterrés des pompes à chaleur du BRGM,

Les échangeurs horizontaux, verticaux et compacts sont tous trois raccordés à un dispositif thermodynamique, permettant de reproduire les comportements de toutes les pompes à

sitif permet de travailler sur deux modes de régulation (débit et température) et sur 2 plages de température: froide (jusqu’à -6 °C) et

présentées dans ce paragraphe sont tirées de la source

Les corbeilles géothermiques font parties des échangeurs compacts à haute performance énergétique. Elles constituent une bonne

les, si le forage n’est pas réalisable pour des raisons administratives (zone de protection autour des captages d’eau potable par exemple) ou géologiques et

lement aux capteurs horizontaux due à

Ce type de système consiste en un faisceau de tube spiralé en forme ralement implantées à


environ 1 m de profondeur et ont le plus souvent une hauteur de 3 m. Grâce à la profondeur d’installation des corbeilles, les variations saisonnières de la température du sol ne sont pas synchrones avec la température de surface. Ainsi, la température du sol au niveau de la corbeille sera plus élevée en novembre, c'est-à-dire en début de saison de chauffe, et sera plus faible en été, lorsque le chauffage du bâtiment n’est pas nécessaire. Le principe de cet échangeur géothermique est de faire circuler dans les spirales un fluide caloporteur. En mode chauffage, il va capter le maximum de chaleur. L’eau remonte ensuite par le tube situé généralement au centre de la corbeille, pour éviter toute perte de chaleur. Les corbeilles sont installées chez les particuliers avec ce sens de circulation de l’eau. Il serait toutefois intéressant de tester cet échangeur dans le sens inverse de circulation (descente du fluide par le tube central et remontée par les spirales). Toutes les corbeilles fabriquées en Europe sont en polyéthylène. La question s’est donc posée de la rentabilité d’une corbeille en cuivre par rapport à ses performances et à son coût en comparaison avec une corbeille en plastique. Malgré la possible meilleure efficacité des corbeilles, elles ne sont pas encore très développées, seulement quelques constructeurs mettent en place ce type de système (particulièrement en Suisse, en Allemagne et en France). De plus quelques rares études ont été menées, ne donnant que très peu d’informations sur ce nouveau type d’échangeur compact.

1.2.2. Bibliographie Très peu de documents concernant les corbeilles géothermiques sont disponibles. L’essentiel des documents scientifiques traitant de ce sujet ont pour but la modélisation des corbeilles. La bibliographie présentée ci-dessous référence les données techniques disponibles en fonction des fabricants de corbeilles géothermiques, d’après la source bibliographique [4].

Entreprise profondeur

max

Hauteur

sonde

diamétre

corbeille

longueur

tube

diamètre

int tube

diamètre

ext tube

Puissance

max

extraite

[m] [m] [m] [m] [mm] [mm] [kW]

Calox 4,4 3 0,35

Energyresources 8 à 25 0,6 à 0,8

Enregis 7 2,0 à 6,0 0,4 à 1,0 20,4 25

Hekia Spiral 3,5 2,5 1,3 100 20,4 25 1,2

Rehau - Helix 4 3 0,38 40 20,4 25

Sano France 4,5 à 6,5 3 à 5 0,38 50 à 75 20 0,9 à 1,1

Zerob 1,1 à 2,3 2 100

RYB - Terra Spiral 4 2,4 1,2 20,4 25 0,7 à 1,2


Les fabricants Calox, Energyresources, Enregis et Hekia Spiral ont des corbeilles de forme cylindrique. RYB fabrique des corbeilles de forme conique.

� Betatherm

L’entreprise Betatherm est spécialisée dans la production de système géothermique. C’est une entreprise allemande, qui est également implantée en Suisse, en Italie, au Luxemburg, au Pays Bas et au Danemark.

La nouvelle corbeille de Betatherm est de forme conique. L’entreprise Betatherm a innové dans différentes variantes :

- « Groβkorbe », la grande corbeille avec 200 m de tuyau et une profondeur d’installation d’environ 3,7 à 4 m.

- « ECO-Korbe », la corbeille ECO avec un maximum de 150 [m] de tube. La profondeur d’installation est de 3 à 3,2 m.

- « Basis-Korb », la corbeille basic avec 75 m de tuyau polyéthylène haute densité.

Figure 2 Corbeille Betatherm

La profondeur d’utilisation de ces corbeilles est entre 1 et 4 m. Les corbeilles sont installées dans des trous jusqu’à 2,5 m de profondeur. Il est recommandé de laisser 120 cm sous la limite du gel pour une meilleure régénération du sol. L’énergie géothermique est ainsi captée de manière uniforme. Pour la régénération du sol, la forme des corbeilles permet de capter l’énergie de surface et également l’énergie des couches plus profondes. Le rayon de captage est quasi illimité grâce à la forme ronde et à la finition conique vers le bas. En cas de surcharge extrême il est possible que de la glace se forme sur les côtés des corbeilles.

� REHAU / sondes Helix

Les sondes Helix fabriquées par Rehau, sont transportées sous leur forme compacte, pour optimiser les coûts de transports et de stockage. La hauteur de ces sondes conditionnées est de 1,1 m. Elle peut atteindre 3 m en hauteur utile. Rehau a choisi comme matériau le polyéthylène réticulé, pour assurer la pérennité de ces tubes. La tenue en température de ces tubes peut aller jusqu’à 95 °C. Cela permet un possible raccordement avec un système solaire thermique. La puissance extraite par sonde peut aller jusqu’à 700 W.

Figure 3 Corbeille géothermique ; Marque : Helix ; Fabricant : REHAU

Cette sonde est celle choisie pour la plate-forme ECLPSE.


� SANO

Les corbeilles de SANO servent à installer des champs de sondes géosolaires, qui auront trois fonctions :

- Source d’énergie pour une pompe à chaleur - Source de refroidissement pour une climatisation - Réservoir saisonnier pour une surproduction de chaleur provenant de capteurs

solaires.

� ZEROB

La corbeille géothermique de l’entreprise Zerob, en Autriche, est fabriquée et commercialisée depuis 2010. Il existe deux types de sondes : type A et type B. Le type B se distingue du type A par une hauteur de 1,1 m au lieu de 2,3 m. Les corbeilles de chez Zerob ont été conçues pour répondre aux besoins en énergie pour l’eau chaude et pour le chauffage, d’un bâtiment d’habitation. Le nombre d’heures de fonctionnement par an est limité à 2000 h. Données pour l’utilisation d’une corbeille géothermique Zerob, en fonction du type de sol : Caractéristiques du sol Puissance de chauffe Conclusion Sol sec imperméable à l’eau Impossible Impossible Sable sec, cailloux, sol glaiseux, perméable

600 [W] Pas recommandé

Sol sableux ou glaiseux humide, perméable

1000 [W] Recommandé

Sol glaiseux, sableux, humide, très perméable

1200 [W] Très recommandé

Nappes phréatiques 1500 [W] Très recommandé

1.2.3. Comparaison des flux Pour les corbeilles REHAU, installée sur la plate-forme ECLIPSE la puissance maximale extraite est de 700 W. En partant de cette valeur maximale, il est possible de faire une comparaison avec les différentes valeurs données pour les collecteurs horizontaux et verticaux. Pour les corbeilles géothermiques nous avons les valeurs suivantes :

- Puissance maximale : 700 W - Diamètre extérieure du tube : 25 mm - Longueur du tube : 40 m - Diamètre extérieure de la corbeille : 380 mm - Hauteur de la corbeille : 3 m

� 223 W/m² de surface extérieure en contact avec le sol � 17,5 W/m de tube

Pour les collecteurs horizontaux : - Diamètre extérieure du tube : 20 mm

� 195 W/m² de surface extérieure en contact avec le sol � 15 W/m de tube


Pour les collecteurs verticaux : - Hauteur : 100 m - Diamètre extérieure du tube : 10 mm

� 159 W/m² de surface extérieure en contact avec le sol � 50 W/m de tube

Ces puissances sont comparables selon la longueur ou la surface de référence que nous prenons. Par exemple si on compare par rapport à la longueur de tube, les échangeurs verticaux seront les plus performants. Alors que si on prend la surface extérieure de l’échangeur en contact avec le sol, les corbeilles sont les plus performantes. On pourra donc dire qu’un échangeur géothermique est plus performant selon les disponibilités du terrain dans lequel on veut les installer. Le tableau ci-dessous indique les puissances réelles maximales extraites des différentes corbeilles, lorsqu’elles sont sollicitées à puissance maximale, pour les différents essais, qui vont être explicités par la suite. Nous pouvons voir que la puissance maximale extraite des corbeilles est largement supérieure à la valeur donnée par le constructeur, or ces corbeilles sont sollicitées à une température de départ qui ne sera jamais aussi élevée chez un particulier. La valeur de 700 W est donc cohérente pour le dimensionnement des corbeilles.

1.3. Installation La plate-forme ECLIPSE du BRGM est composée de différentes configurations de corbeilles, toutes de marque REHAU ayant chacune une hauteur de 3 m, un diamètre extérieur de 380 mm et implantées à une profondeur de 1 m :

- Une corbeille REHAU seule, entre -1 et -4 m de profondeur ; - Une corbeille en cuivre, de fabrication BRGM, entre -1 et -4 m ; - Deux corbeilles REHAU superposées, entre -1 et -7 m de profondeur, pouvant être

reliées en série ou en parallèle ; - Trois corbeilles REHAU superposées, reliées en parallèle, entre -1 et -10 m de

profondeur.

cuivre x1 x2 I x2 II x3 I x3 II x3 III

débit

qv en [m3/h] 0,66 0,66 0,67 0,67 0,96 0,92 0,9

DT en [K] 3,27 2,07 1,77 1,95 1,15 1,77 1,96

flux chaleur en [W] 2487,18 1574,45 1366,67 1505,65 1272,28 1876,62 2032,89

source chaleur en

[W/m] 62,18 39,36 34,17 37,64 31,81 46,92 50,82


Toutes ces corbeilles constituent le circuit secondaire, qui est relié au circuit primaire grâce à un échangeur à plaque et un échangeur brasé. Pendant toute la durée des essais, j’ai choisi de n’utiliser que l’échangeur brasé, pour une question d’efficacité de l’échangeur. Toutefois la mise en parallèle ou en série de ces deux échangeurs pourra faire l’objet d’une comparaison pour obtenir les meilleures performances possibles. Le circuit primaire est directement relié à un groupe froid et à un réchauffeur électrique. La liaison entre le secondaire et le primaire permet

donc d’injecter du chaud (jusqu’à 36 °C) ou du froi d (jusqu’à 1 °C) dans les corbeilles. Il a été choisi de faire les essais sur les corbeilles en mode froid (simulation de la climatisation d’un bâtiment), c'est-à-dire en injectant du chaud, pour produire du froid, notamment à cause du choix de l’eau claire et non de l’eau glycolée dans le circuit secondaire. Dans tous les essais, les corbeilles sont sollicitées au maximum en injectant une température maximale d’environ 36 °C. La Figure 5, ci-dessous illustre l’installation d’ECLIPSE, avec notamment la disposition des corbeilles et l’emplacement des différentes vannes et sondes de températures. Au début de mon stage, l’installation d’ECLIPSE n’était pas encore finie. Toutes les corbeilles étaient enterrées, mais la pose de l’échangeur à plaque ainsi que le raccordement primaire secondaire, n’étaient pas encore terminés.

Figure 5 Schéma de l'installation corbeille + chale t ECLIPSE

Figure 4 Photo des deux échangeurs reliant le circu it secondaire au circuit primaire


1.4. Instrumentation Toutes les corbeilles ont été instrumentées en température, en installant des sondes Pt100 au niveau du tube départ et retour de chaque corbeille. Un débitmètre est également installé pour mesurer le débit de l’ensemble de l’installation. Avant le début des essais j’ai branché les 16 sondes de températures à une centrale d’acquisition reliée à un logiciel (DeLogger), qui permet l’acquisition des données avec un pas de temps que j’ai choisi de 2 min (ce temps paraissait suffisant étant donné les 3 mois d’expériences continus).

Les corbeilles sont également équipées de fibres optiques. Ces fibres optiques mesurent la température du sol à proximité des corbeilles, en effectuant une moyenne sur 1 m de longueur. Or ces fibres optiques ne sont pas installées de façon optimale pour obtenir une température correcte le long des spirales de la corbeille. Comme le montre la Figure 7 ci-dessous, la fibre optique descend de façon rectiligne le long des spirales, et remonte en suivant le tube central de la corbeille. La température de la fibre optique prise sur le tube retour peut donc être exploitée, contrairement à celle des spires, qui fait une moyenne entre la température des spires et la température du sol.

Figure 7 Disposition de la fibre optique

A mon arrivée l’instrumentation en température ainsi que la programmation du logiciel DeLogger n’étaient pas effectuées. J’ai donc aidé à instrumenter pendant les premières semaines de mon stage. Une fois toutes les sondes de températures installées, je me suis occupée de programmer le logiciel, pour acquérir avec un pas de temps choisi toutes les températures nécessaires. Durant le mois d’avril, une deuxième centrale d’acquisition a été obtenue, pour permettre l’acquisition de plusieurs données météo, comme l’albédo, la température extérieure et la pluviométrie. J’ai donc pu aider au branchement de cette station météo. Cela servira pour ECLIPSE à obtenir les données météo et à faire une comparaison avec les températures départ et retour des corbeilles.

Figure 6 Photo du chalet ECLIPSE avec la centrale d'acquisition et l'ordinateur permettant de commander le logiciel d'acquisition


2. Essais

2.1. Mode opératoire Le principal objectif de mon stage était de réaliser des essais sur les corbeilles géothermiques installées sur la plate-forme du BRGM, dans le cadre du projet ECLIPSE. Il avait été défini dans les précédentes réunions que les essais suivants allaient être réalisés :

- Comparaison des performances des corbeilles en cuivre avec celles des corbeilles en plastique ;

- Comparaison des performances des corbeilles en fonction de la profondeur d’installation ;

- Comparaison des performances des corbeilles en fonction de leur branchement en parallèle ou en série.

Il avait été également soumis la possibilité de tester ces corbeilles sur des cycles courts en les soumettant à une puissance maximale. A partir de ces axes de travail, j’ai réalisé le mode opératoire des essais, sous les conseils de certains collègues. Tous les essais consistent à injecter du chaud dans certaines corbeilles pendant un cycle de chauffe, ainsi qu’à laisser le sol se reposer pendant un cycle de relaxation, durant lequel aucune circulation dans les circuits primaire et secondaire n’a lieu. Chaque essai est suivi d’un cycle de refroidissement, qui consiste à injecter du froid dans les corbeilles, pour permettre au sol de revenir à sa température initiale. Chaque cycle de refroidissement est lui-même suivi d’un temps durant lequel le sol aux alentours de la corbeille est au repos (aucune circulation dans cette corbeille).

2.1.1. Etudes préliminaires Avant le début de tout essai, il a été nécessaire de réaliser certains tests préliminaires. Dans un premier temps, j’ai mesuré le débit dans chaque corbeille, en fonction de la vitesse des pompes, dans le but de :

� Calculer les nombres de Reynolds pour déterminer le régime d’écoulement, � Comparaison du débit affiché par le débitmètre avec celui indiqué par les débitmètres

visuels inclus dans les pompes PIAC. � Avoir le même débit dans les corbeilles cuivre et plastique, pour permettre une bonne

comparaison pour le premier essai,

Les résultats des trois objectifs précédents sont présentés ci-dessous dans l’ordre. Dans le tableau ci-dessous, la viscosité cinématique est prise à 20 °C.


Cuivre x1 x2 I x2 II x3 I x3 II x3 III V

ite

sse

1

Débit [m3/h] 0,50 0,60 0,59 0,57 0,57 0,43 0,52

Section [m²] 0,00049 0,00049 0,00049 0,00049 0,00049 0,00049 0,00049

Vitesse [m/s] 0,28 0,34 0,33 0,32 0,32 0,24 0,29

Viscosité

cinématique

[m²/s]

1,0E-06 1,0E-06 1,0E-06 1,0E-06 1,0E-06 1,0E-06 1,0E-06

Longueur [m] 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025

Reynolds 7074 10610 10433 10079 10079 7604 9195

Vit

ess

e 2

Débit [m3/h]

0,82 0,79 0,77 0,66 0,74

Section [m²] 0,00049 0,00049 0,00049 0,00049 0,00049

Vitesse [m/s] 0,46 0,45 0,44 0,37 0,42

Viscosité

cinématique

[m²/s]

1,0E-06 1,0E-06 1,0E-06 1,0E-06 1,0E-06

Longueur [m] 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025

Reynolds 11601 11176 10893 9337 10469

Vit

ess

e 3

Débit [m3/h] 0,94 0,90 0,90 0,83 0,84

Section [m²] 0,00049 0,00049 0,00049 0,00049 0,00049

Vitesse [m/s] 0,53 0,51 0,51 0,47 0,48

Viscosité

cinématique

[m²/s]

1,0E-06 1,0E-06 1,0E-06 1,0E-06 1,0E-06

Longueur [m] 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025

Reynolds 13298 12732 12732 11742 11884

Les résultats du tableau ci-dessus sont définis à partir des formules suivantes :

- �� = � × ��è��

- �� ! = "é$��%&' �

(�)��*+

- Longueur = diamètre hydraulique = diamètre extérieure du tuyau.

- ,� = -�� ×"��è��.��/�0��-� )* ��é)�+é��0��

La viscosité cinématique, le débit ainsi que le nombre de Reynolds pourront être réévalués en fonction de la température. Le régime est turbulent dans toutes les corbeilles quel que soit la vitesse de la pompe. Les valeurs des débitmètres visuels des pompes correspondent aux valeurs du débitmètre électromagnétique. Nous pouvons donc nous fier à ces valeurs lors de l’essai 1, pour régler les corbeilles cuivre et plastique sur le même débit. Pour une meilleure comparaison des résultats de l’essai 1, la pompe PIAC de la corbeille x1 doit être mise sur la vitesse 2 et la pompe PIAC de la corbeille cuivre doit être mise sur la vitesse 3. Les deux débitmètres visuels indiquent un débit pour chaque circuit de 11 l/min, ce qui correspond à environ 0,66 m3/h.


Dans le but de vérifier les valeurs des sondes de température, et de mesurer la température maximale d’injection dans les corbeilles, j’ai injecté du chaud dans les corbeilles. Le ballon tampon peut être programmé à une consigne maximale de 50 °C. La température maximale observée lors de l’essai 1 au niveau du circuit primaire, dans le chalet ECLIPSE est alors de 40,1 °C. Or cette température est obte nue quelques heures après la mise en marche du circuit primaire et comme il est préférable d’injecter à température d’entrée constante dans les corbeilles, j’ai donc pour la plupart des essais programmé l’automate avec une consigne de température de départ à 36 °C (sauf pour l’essai 1 testant les corbeilles cuivre et plastique seule sur des cycles 8 h - 16 h, durant lequel j’ai pu observer le phénomène présenté). Cette température correspond à la moyenne sur 8 h de la température en entrée des corbeilles. Pour une température initiale dans le circuit primaire d’environ 10 °C, le circuit ne met pas plus de 10 m in à monter à la température de 36 °C. Il a été installé des Pt100 à la sortie et l’entrée de la corbeille cuivre, sur le tube plastique qui se trouve à l’intérieur du chalet, avec un écart d’environ 3 m avec l’entrée et la sortie directe de la corbeille en cuivre. Pour obtenir une meilleure précision des valeurs de température, des thermocouples ont, dans un premier temps, été posés directement sur les tubes cuivre aller et retour. Nous avons dans un second temps constaté que les Pt100 installées pour mesurer les températures des collecteurs départ et retour n’étaient pas placées de manière optimale. Nous les avons donc changées de place plusieurs fois, de manière à avoir la meilleure précision possible. Deux thermocouples de type T ont également été installées sur les collecteurs départ et retour, de manière à comparer les valeurs obtenues grâce aux thermocouples et aux Pt100. Le résultat est que les écarts de températures entre les Pt100 et les thermocouples sont généralement de 0,1 °C. M ais du fait du scotch qui permet le contact entre le thermocouple et le tube, la valeur peut parfois être erronée si le scotch n’est pas bien collé au tube. En dernier, nous avons isolé les Pt100 ainsi que les thermocouples se trouvant à l’intérieur du chalet, étant donné que le chalet n’est pas isolé, il ne faut pas que les sondes de températures soient influencées par la température extérieure. Nous avons également isolé les buses entourant les corbeilles. Après une injection de chaud par jour pendant 2 h, pour ne pas trop perturber le sol, nous avons constaté que toutes les Pt100 nous donnent des valeurs cohérentes. Toutefois, il nous reste un problème par rapport aux thermocouples de la corbeille cuivre. En effet, comme ils ont été posés à la fin, les tubes cuivre étaient déjà recouverts de terre. Le contact entre le thermocouple et le tube cuivre n’est donc pas bon. Il est nécessaire de fixer les thermocouples grâce à de la pâte thermique afin de mesurer des températures proche de la température de paroi du tube.

2.1.2. Essai 1 : Comparaison plastique cuivre (Début 14 mars) Le but de cet essai est de comparer les performances d’un échangeur géothermique en cuivre fabriqué au BRGM avec celles d’un échangeur en plastique du commerce, les deux corbeilles étant testées dans les mêmes conditions. Nous testons donc la corbeille en plastique seule (installée entre 1 et 4 m de profondeur) en même temps que la corbeille en cuivre (également installée entre 1 et 4 m de profondeur). Ainsi les conditions extérieures seront identiques, et le sol sera donc exposé aux mêmes conditions pour les deux corbeilles. Cet essai consistera en une alternance de cycles de chauffage et de cycles de relaxation. Pendant la première semaine on fixera la durée d’un cycle de chauffe à 8 h et celle de relaxation à 16 h. Pendant toute la durée de l’essai seules les vannes 4 et 5 sont ouvertes (cf. Figure 5 page 11). Pendant un cycle de chauffe les pompes PIAC de la corbeille x1 et de la corbeille


cuivre sont en marche. Pendant un cycle de relaxation les deux pompes sont éteintes. Toutes les vannes sont ouvertes de la même façon que lors du cycle de chauffe. Après 5 jours de sollicitations du sol à une température moyenne maximale de 36 °C, pendant 8 h par jour, avec une température initiale du sol de 10 °C, si nous injectons de l’eau à 4 °C dans les corbeilles, il faut 173 h pour que le sol revienne à sa température initiale. Nous allons donc laisser le sol revenir à sa température initiale, en laissant circuler de l’eau à 4 °C dans les circuits x1 et cuivre. Nous testerons lors d’une journée, les corbeilles cuivre et plastique sur des cycles plus courts : 1 h de chauffe 2 h de relaxation, pendant quatre fois au cours de la journée.

2.1.3. Essai 2 : influence de la profondeur Cet essai consiste à étudier l’influence de la profondeur d’installation des corbeilles sur la puissance échangée avec le sol. Pour effectuer cet essai, chaque corbeille des corbeilles x3 va être étudiée séparément. • Essai sur la corbeille x3 I profondeur -1 -4 m :

� Cycles de 8 h d’injection et de 16 h de relaxation, pendant 5 jours. La température d’injection est fixée à 36 °C. Le premier jour elle sera de 23 °C (voir ci-dessous).

• Essai sur la corbeille x3 II profondeur -4 -7 m : � Cycles de 8 h chauffage 16 h relaxation, pendant 5 jours.

Injection pendant un jour à 23 °C et pendant les au tres jours à 36 °C. • Essai sur la corbeille x3 III profondeur -7 -10 m :

� Cycles de 8 h chauffage 16 h relaxation. Injection pendant un jour à 23 °C et pendant autres jours à 36 °C.

Pour chacun de ces trois essais, le sol aura été chauffé pendant 8 h à 23 °C et pendant 4 x 8 h à 36 °C. Il faudra donc injecter de l’eau à 2 ° C pendant 99 h, pour permettre au sol de revenir à sa température initiale. Les essais ci-dessous permettent également de tester la profondeur sur les corbeilles x3, mais sur des cycles plus courts. Pour chaque corbeille séparément il consiste à effectuer 4 cycles de 1 h d’injection et 2 h de relaxation. La température du sol est d’environ 10 °C. Pour les cycles 8 h - 16 h, la corbeille transfert de la chaleur au sol pendant 8 h avec un écart de température avec le sol de 23 – 10 = 13 K = ∆T/2. Pour les cycles 1 h – 2 h, la corbeille transfert de la chaleur au sol pendant 4 h avec un écart de température avec le sol de 36 – 10 = 26 K = ∆T. • Essai x3 I alterné :

� Injection de l’eau à 36 °C pendant 1 h, relaxation pendant 2 h. Quatre cycles 1 h - 2 h vont être effectués pendant une journée.

• Essai x3 II alterné : � Injection de l’eau à 36 °C pendant 1 h, relaxation pendant 2 h. Quatre cycles 1 h - 2 h

vont être effectués pendant une journée. • Essai x3 III alterné :

� Injection de l’eau à 36 °C pendant 1 h, relaxation pendant 2 h. Quatre cycles 1 h - 2 h vont être effectués pendant une journée.

Pour ces trois essais, il faudra refroidir le sol en injectant de l’eau à 2 °C pendant 11 h.


2.1.4. Essai 3 : Comparaison série parallèle Cet essai consiste à comparer les performances des corbeilles reliées en série avec celles reliées en parallèle. Les deux corbeilles empilées sont équipées d’une vanne, placée entre le retour de la corbeille I et le départ de la corbeille II, qui permet le passage en série. Quatre jours sont réservés à cet essai. Les corbeilles sont sollicitées pendant 8 h à une température moyenne maximale de 36 °C, avec une tem pérature initiale du sol à 10 °C. Il faudra donc injecter de l’eau à 4 °C, dans les corb eilles pendant au moins 35 h, pour que le sol revienne à température initiale.

2.1.5. Essai 4 : Comparaison d’échangeurs en champs ou empilés Le but de cet essai est de tester les performances des corbeilles lorsqu’elles sont empilées et de comparer avec des corbeilles alignées. Le choix des cycles 1 h – 2 h ou 8 h – 16 h se fait en fonction des résultats précédents. Corbeilles x3 (Corbeilles empilées) :

� En mode alterné : 1 h de chauffe dans les trois corbeilles reliées en parallèle et 2 h de relaxation ; pendant 4 cycles ; injection dans les corbeilles à une température moyenne de 36 °C ; le débit dans le circuit primair e sera de 1 m3/h.

Corbeilles x1, x2 I, x3 I (Corbeilles alignées) : � En mode alterné : 1 h de chauffe dans les trois corbeilles reliées en parallèle et 2 h

de relaxation ; pendant 4 cycles ; injection au maximum

Pour le cas alterné nous allons solliciter le sol en alternance pendant 4h à une température moyenne maximale de 36 °C. Il faudra donc laisser l e sol reprendre sa température initiale pendant 12 h, en injectant de l’eau à 2 °C dans les différents circuits.

2.1.6. Essai 5 : Influence des conditions extérieures Une fois la centrale d’acquisition relevant les données météo branchée, une visualisation de l’influence des conditions extérieures (rayonnement, température extérieure et pluviométrie) sur les performances des corbeilles pourra être effectuée. Cependant pour pouvoir faire une bonne analyse des résultats il serait plus juste d’effectuer cet essai sur une période de plusieurs jours, voir plusieurs semaines sans interruption. Or ce ne sera pas possible avant le mois de juin. Donc cet essai ne sera pas traité dans ce rapport. De plus, l’humidité du sol est relevée régulièrement.

2.1.7. Essai 6 : Changement de sens de circulation La pompe PIAC du circuit x1 sera inversée, pour observer l’influence du sens de circulation dans les corbeilles. Actuellement l’eau descend dans les corbeilles par les spirales et remonte par le tuyau central. Ce sens de circulation a été choisi, car les installateurs mettent en place les corbeilles avec ce sens de circulation. Toutefois il est possible que le sens de circulation inverse (descente par les spirales et montée par le tuyau central) soit plus performant, lorsque les corbeilles fonctionnent pour produire du froid.


2.1.8. Planning des essais Le tableau ci-dessous présente le planning final, que j’ai rédigé pour la réalisation des essais. Quelques modifications ont eu lieu depuis le planning initial à cause de retard de livraison et de problèmes techniques. Par la suite j’utiliserai tout au long de mon rapport les différentes notations utilisées dans le tableau et qui font l’objet de la légende ci-dessous. Légende du tableau :

- Refroidissement : injection d’eau dans les corbeilles à environ 2 °C - Repos : toutes les pompes sont éteintes - Alterné ou cycle court : fonctionnement de la corbeille avec des cycles de

1 h chauffe – 2 h relaxation - x3 I : corbeille supérieure des trois corbeilles empilées - x3 II : corbeille du milieu des trois corbeilles empilées - x3 III : corbeille inférieure des trois corbeilles empilées - x2 : deux corbeilles empilées - x1 : corbeille plastique seule - Cuivre : corbeille cuivre seule - x3 H : trois corbeilles plastiques alignées horizontalement, c'est-à-dire x2 I - x1 – x3 I - x3 V : trois corbeilles plastiques alignées verticalement, c'est-à-dire x3 I – x3 II – x3 III


mars

avril

14 15

16 17

18 21 22

23 24

25 28

29 30

31 1

4 5

6 7

8 11

12 13

14 15

18 19

20 21

22 25

26 27 28 29

Essai 1 :

cuivre plastique

Essai 1 +

Etude préliminaire

Essai 2 : x3 I

WE : refroidissem

ent

R e fro id is se m e n t

Essai 3

Parallèle x2

Repos : x3 I

Essai 2 : x3 II

WE :

refroidissement

R e fro id is se m e n t

Essai 2 : alterné

WE : repos

Essai 2 : x3 III

WE :

refroidissement

R e fro id is s e m e n t

R e p o s

E tu d e p ré lim in a ire

R e p o s

X 3 I a lte rn é

re fro id is se m e n t

X 3 I a lte rn é


mai

2 3

4 5

6 9

10 11

12 13

16 17

18 19

20 23

24 25

26 27

R e fro id is se m e n t + re p o s

Essai 2 : alterné

WE : repos

E s sa i 1 a lte rn é

Essai 4

WE : repos

In s ta lla t io n v a n n e

Essai 3

Série x2

Essai 6 :

changement

sens circulation

X 3 II a lte rn é

R e p o s

X 3 III a lte rn é

R e p o s

X 1 C u iv re a lte rn é

X 3 V


X 3 H



2.2. Résultats Plusieurs éléments présentés dans ce paragraphe sont inspirés de la source bibliographique [1]. Pour des raisons de compréhension des graphiques, il m’est impossible de laisser les points de mesures sur les courbes expérimentales figurant dans ce paragraphe, étant donné le nombre conséquent de point sur toute la durée de chaque essai.

2.2.1. Mesure de la température du sol Pour une meilleure comparaison des performances des corbeilles il est nécessaire de connaître la température du sol avant chaque essai. Par exemple l’essai 2 (test sur la profondeur) teste chaque corbeille séparément. Il aurait donc été intéressant, pour chaque corbeille d’avoir la température initiale du sol sans perturbation. De même pour la comparaison des cycles courts avec les cycles longs sur une même corbeille, il est utile d’avoir la température du sol avant l’essai. En effet pour l’un des deux cas le sol a déjà été perturbé, et donc il se peut qu’il ne soit pas à la même température lorsque nous effectuons l’essai suivant. Le premier moyen pour avoir la température du sol est l’utilisation des fibres optiques. Or les mesures brutes obtenues par fibres optiques doivent être corrigées. Lorsque nous avons des fibres optiques sur une longueur minimale de 1000 à 2000 m, comme sur les collecteurs horizontaux, nous remarquons qu’il y a une pente à rectifier. Or dans notre cas, la pente n’est pas visible, donc elle est supposée négligeable. De plus, un biais constant est présent, qu’il faut corriger si nous avons une Pt100 ou un thermocouple positionné à un endroit précis au même niveau que la fibre optique. Le biais constant ne peut pas être corrigé avec précision étant donné que nous ne possédons pas de sonde de température positionnée exactement au même endroit que la fibre optique. Un moyen de mesurer le biais constant est possible lorsque le sol n’a pas été perturbé pendant minimum un week-end, qu’il n’y a eu aucune circulation pendant ce temps et qu’ainsi l’eau dans les corbeilles est à la même température que le sol. Ainsi lors de la mise en marche des pompes, les Pt100 mesureront la température du sol. Cette méthode permet de connaître la température au fond de la corbeille à condition d’avoir laissé la corbeille correspondante au repos pendant assez longtemps. Pour avoir la température voulue, j’ai calculé le temps que met l’eau à remonter le tube central. Les résultats sont présentés dans le tableau ci-dessous.

Les temps indiqués dans le tableau, sont calculés grâce aux données suivantes :

- �� × "12 × 3� × 4566

0 = ��7�8�79:��;:�8�<9��:=��<<�

- �� × "12 × >9;��;:8�<9��:=��<<�� × 4566

0 = ��7�8�:��é8;�;=��:9< - L : longueur totale du tuyau de 40 m, - D : diamètre intérieur du tuyau de 0.0204 m. - q : débit en [m3/h]

Essai 1 Essai 2 Essai 2 Essai 2

x1 x3 I x3 II x3 III

Débit [m3/h] 0,66 0,96 0,92 0,90

Temps remonter

tube central [s] 5 5 9 13

Temps parcours de

la corbeille [s] 71 49 51 52


Ainsi grâce aux temps calculés ci-dessus, j’ai pu effectuer cette méthode mais pour seulement trois essais à cause de problème de temps et d’acquisition des données. Pour la corbeille x3 I, la température mesurée 5 s après l’allumage de la pompe est de 8,72 °C. La température prise par le DTS au même in stant est d’environ 10,3 °C. La différence entre les deux est donc de 1,6 K. Pour la corbeille x3 II, la température mesurée 9 s après l’allumage de la pompe est de 11,3 °C. La température prise par le DTS au même in stant est d’environ 13,8 °C. La différence entre les deux est donc de 2,5 K. Pour la corbeille x3 III, la température mesurée 13 s après l’allumage de la pompe est d’environ 11,7 °C. La température prise par le DTS au même instant est d’environ 13,2 °C. La différence entre les deux est donc de 1,5 K. Lors d’un précédant essai avec les collecteurs horizontaux de la plate-forme, le biais constant avait été mesuré avec précision et sa valeur était de 1,6. Deux des trois valeurs ci-dessus confirment ce biais constant de 1,6. J’ajouterai donc 1,6 °C pour corriger la température mesurée par les fibres optiques. Le tableau ci-dessous donne la température du sol aux extrémités de chaque corbeille, soit à 1, 4, 7 et 10 m de profondeur, au 21 février, 28 mars et 26 avril, grâce aux valeurs des fibres optiques.

Figure 8 Température du sol au niveau de chaque cor beille au 21 février

21-févr corbeille cuivre x1 x2 I x2 II x3 I x3 II x3 III

en haut de la corbeille 5,4 5 5,2 8,8 4 8,6 10,8

au fond de la corbeille8 8 8,8 11,2 8,6 10,8 11,6

Température du

sol d'après le DTS

[°C]

28-mars corbeille cuivre x1 x2 I x2 II x3 I x3 II x3 III

en haut de la corbeille 10,6 10,6 11,6 12 11,6 11,8 12

au fond de la corbeille10,6 10,6 12 12 11,8 12 12

Température du

sol d'après le DTS

[°C]

5.2 °C

8.8 °C

11.2 °C

5 °C

8 °C

5.4 °C

8 °C

4 °C

8.6 °C

10.8 °C

11.6 °C

-1 m

-4 m

-7 m

-10 m


A chaque date pour une même profondeur la température mesurée est à peu près la même pour toutes les corbeilles, ce à quoi on pouvait s’attendre. La Figure 9 ci-dessous, montre l’évolution des températures pour chaque profondeur de corbeille en fonction du temps. Nous voyons que la température de surface évolue beaucoup plus avec le temps alors que la température entre 7 et 10 m de profondeur reste à peu près constante.

Figure 9 Comparaison des températures à différentes profondeurs en fonction du temps

Ces températures vont être reprises pour les résultats des essais qui vont suivre.

2.2.2. Essai 1 : Cuivre plastique Les différents résultats de cet essai ne sont pas exploitables et la comparaison des performances d’une corbeille en cuivre et d’une corbeille en plastique ne peut être réalisée pour plusieurs raisons, détaillées ci-dessous. Comme expliqué dans la partie « Mode opératoire » la consigne de température départ sur le circuit primaire a été fixée pour ce premier essai à 50 °C, c'est-à-dire à la température maximale de stockage de la cuve tampon. La température dans les corbeilles ne se stabilise donc pas pendant un cycle de chauffe, étant donné que la température est de 50 °C au niveau du chalet machinerie, qui est lui-même à plusieurs mètres du chalet ECLIPSE. Il y a donc des pertes entre les deux chalets et la température dans le primaire au niveau d’ECLIPSE ne peut pas être de 50 °C.

26-avr corbeille cuivre x1 x2 I x2 II x3 I x3 II x3 III

en haut de la corbeille 11 12 13 12 12,2 11 12,2

au fond de la corbeille10 10 12 12 11 12,2 13,2

Température du

sol d'après le DTS

[°C]

4 °C

8.6 °C

10.8 °C

11.6 °C

11.6 °C

11.8 °C

12 °C

12 °C

12.2 °C

11 °C

12.2 °C

13.2 °C

21/02 28/03 26/04

-1 m

-4 m

-7 m

-10 m


La montée en température dans les corbeilles est assez lente (le circuit secondaire met 8pour augmenter de 11 °C à 37 °C). du circuit primaire le débit est de 0,primaire est assez faible. L’eau met donc plus de temps à atteindre la température de consigne. C’est pour cela que pour la suite des essais le débit dans le primaire sera fixé à 1 m3/h. Ensuite comme précisé dans la partie 1.3. Installation, deux échangeurs permettent de relier le circuit primaire au circuit secondaire. Durant ce premier essai reliés en parallèle. Lorsqu’un seul des deux échangeurs est en fonctionnementtempérature au niveau du collecteur départ est supérieure et nettement plus stable que lorsque les deux échangeurs sont reliés en parallèle. L’échange est donc meilleur pour le cas présent lorsque l’échangeur brasé seul fonctionne. des essais.

Figure 10 Evolution des températures des corbeilles cuivre et plastique sur cinq jours de test

Sur le graphique ci-dessus, la température de départ de la corbeille cuivre est supérieure à celle de la corbeille x1. Ceci est normale puisque pour cet essai les thermocouples mesurant les températures départ et retour directement au niveau de la corbeille en cuivre n’étaient pas encore mis en place. Les températures pour la corbeille cuivre affichées imesurées au niveau des Pt100 se trouvant dans le chalet ECLIPSE. Il y a donc une dizaine de mètre entre la température de départ de la corbeille cuivre et de la plastique. L’écart de 0,2 °C à 0,5 °C entre les deux mesures est donc nor mal. Nous observons également que la température de retour de la corbeille cuivre est inférieure d’environ 1 °C à celle de la plastique. Mais la tem pérature de la corbeille cuivre était mesurée dans le chalet ECLIPSE. Or nous observons lors de l’essai 2 (test sur profondeur), que la température de retour de la corbeille est toujours supérieure à celle du


montée en température dans les corbeilles est assez lente (le circuit secondaire met 8pour augmenter de 11 °C à 37 °C). Il y a plusieurs raisons possibles. Tout d’abord au niveau

imaire le débit est de 0,5 m3/h donc la vitesse de circulation dans le circuit L’eau met donc plus de temps à atteindre la température de

C’est pour cela que pour la suite des essais le débit dans le primaire sera fixé à

omme précisé dans la partie 1.3. Installation, deux échangeurs permettent de relier le circuit primaire au circuit secondaire. Durant ce premier essai les deux échangeurs étaient

Lorsqu’un seul des deux échangeurs est en fonctionnementtempérature au niveau du collecteur départ est supérieure et nettement plus stable que lorsque les deux échangeurs sont reliés en parallèle. L’échange est donc meilleur pour le cas présent lorsque l’échangeur brasé seul fonctionne. Ce cas sera donc ch

Evolution des températures des corbeilles cuivre et plastique sur cinq jours de test

us, la température de départ de la corbeille cuivre est supérieure à e la corbeille x1. Ceci est normale puisque pour cet essai les thermocouples mesurant

les températures départ et retour directement au niveau de la corbeille en cuivre n’étaient pas encore mis en place. Les températures pour la corbeille cuivre affichées i

00 se trouvant dans le chalet ECLIPSE. Il y a donc une dizaine de mètre entre la température de départ de la corbeille cuivre et de la plastique. L’écart de 0,2 °C à 0,5 °C entre les deux mesures est donc nor mal.

s observons également que la température de retour de la corbeille cuivre est inférieure d’environ 1 °C à celle de la plastique. Mais la tem pérature de la corbeille cuivre était mesurée dans le chalet ECLIPSE. Or nous observons lors de l’essai 2 (test sur profondeur), que la température de retour de la corbeille est toujours supérieure à celle du

23

montée en température dans les corbeilles est assez lente (le circuit secondaire met 8 h Il y a plusieurs raisons possibles. Tout d’abord au niveau

donc la vitesse de circulation dans le circuit L’eau met donc plus de temps à atteindre la température de

C’est pour cela que pour la suite des essais le débit dans le primaire sera fixé à

omme précisé dans la partie 1.3. Installation, deux échangeurs permettent de relier les deux échangeurs étaient

Lorsqu’un seul des deux échangeurs est en fonctionnement, la température au niveau du collecteur départ est supérieure et nettement plus stable que lorsque les deux échangeurs sont reliés en parallèle. L’échange est donc meilleur pour le

Ce cas sera donc choisi pour la suite

Evolution des températures des corbeilles cuivre et plastique sur cinq jours de test

us, la température de départ de la corbeille cuivre est supérieure à e la corbeille x1. Ceci est normale puisque pour cet essai les thermocouples mesurant

les températures départ et retour directement au niveau de la corbeille en cuivre n’étaient pas encore mis en place. Les températures pour la corbeille cuivre affichées ici sont donc

00 se trouvant dans le chalet ECLIPSE. Il y a donc une dizaine de mètre entre la température de départ de la corbeille cuivre et de la plastique. L’écart de

s observons également que la température de retour de la corbeille cuivre est inférieure d’environ 1 °C à celle de la plastique. Mais la tem pérature de la corbeille cuivre était mesurée dans le chalet ECLIPSE. Or nous observons lors de l’essai 2 (test sur la profondeur), que la température de retour de la corbeille est toujours supérieure à celle du


collecteur retour, avec une distance d’environ 20 m entre la corbeille et le chalet. L’eau se refroidit donc toujours un peu plus entre la sortie de la corbeille et le chalet. L’écart moyen entre la température de retour de la corbeille x3 I et le collecteur retour durant l’essai 2 est d’environ 1,5 °C (moyenne sur les 8 h du cycle de c hauffe durant les 4 jours d’essai). Comme la corbeille cuivre se trouve juste avant les trois corbeilles superposées et que les températures pour la corbeille cuivre sont mesurées dans le chalet ECLIPSE, il faudrait rajouter moins de 1,5 °C à la température obtenue p our avoir la température directement à la sortie de la corbeille cuivre et pouvoir ainsi comparer les performances du cuivre par rapport au plastique. Cette valeur à rajouter aurait pu être obtenue grâce aux thermocouples posés directement à la sortie et à l’entrée de la corbeille cuivre.

Figure 11 Zoom sur un cycle de chauffe

Avant d’effectuer l’essai consistant à injecter une température maximale dans les corbeilles cuivre et x1 en cycle court, les thermocouples ont donc été installés. Cet essai avait donc pour but, en plus de tester les deux corbeilles sur des cycles courts, de visualiser l’écart entre les températures de retour de la corbeille cuivre mesurées grâce au thermocouple et à la Pt100. Le graphe de la Figure 12 page 25 permet d’effectuer cette comparaison. Les deux courbes permettant de visualiser la température mesurée par les thermocouples sont les deux courbes bleu et rouge en trait double. Tout d’abord, la température au niveau du thermocouple départ aurait dû être inférieure à celle mesurée par la Pt100. Or nous observons que ce n’est pas le cas. Ensuite la courbe représentant la température de retour du thermocouple n’a pas un écart constant avec celle représentant la température de retour mesurée par la Pt100. Les thermocouples ne sont donc pas fiables pour nos mesures, et la conclusion quant aux performances de la corbeille cuivre par rapport à celle de la corbeille plastique ne peuvent pas être confirmée avec les thermocouples.

Collecteur Départ

Cuivre Départ

x1 Départ

x1 Retour Collecteur Retour

Cuivre Retour


Figure 12 Comparaison des températures mesurées

2.2.3. Essai 2 : Test de la profondeur sur Le but et le principe de cet essai cet essai, les trois corbeilles sont sollicitées séparément. a/ Cycles longs Pour effectuer une meilleure comparaison des optiques la température initiale du sol pour chaque essain’ont pas été testées en même tempsdu sol en haut et en bas de chaque corbeille. Il permet de comparer l’influence de la profondeur sur les performances d’une corbeille, qui est sollicitée en cycle long.

D’après le tableau ci-dessus, la température du sol pour la corbeille du milieu est inférieure à celle des deux autres corbeilles. Dans l’hypothèse où la profondeur n’a pas d’influence sur les performances d’une corbeille, la corbeille centrale devrait échanger plus de chaleur avec le sol que la corbeille supérieure. De même la corbeille supérieure devrait écla corbeille inférieure. Or d’après lprofondeur élevée, plus l’écart de température est important. Lorsqu’on descend une

Corbeille

haut

bas


Comparaison des températures mesurées par les thermocouples avec celles mesurées par les Pt100

: Test de la profondeur sur les trois corbeilles superposées

Le but et le principe de cet essai sont développés dans la partie « Mode Opératoirecet essai, les trois corbeilles sont sollicitées séparément.

Pour effectuer une meilleure comparaison des différents essais j’ai récupéré grâce aux fibres optiques la température initiale du sol pour chaque essai, étant donné que les trois corbeilles n’ont pas été testées en même temps. Le tableau ci-dessous donne la température initiale

as de chaque corbeille. Il permet de comparer l’influence de la profondeur sur les performances d’une corbeille, qui est sollicitée en cycle long.

, la température du sol pour la corbeille du milieu est inférieure à s deux autres corbeilles. Dans l’hypothèse où la profondeur n’a pas d’influence sur

les performances d’une corbeille, la corbeille centrale devrait échanger plus de chaleur avec le sol que la corbeille supérieure. De même la corbeille supérieure devrait éc

Or d’après la Figure 13 page 26 plus la corbeille est installée à une profondeur élevée, plus l’écart de température est important. Lorsqu’on descend une

Corbeille x3 I x3 II x3 III

haut 11,6 °C 9,8 °C 12,4 °C

bas 11,6 °C 10,8 °C 13,2 °C

25

par les thermocouples avec celles mesurées par les

les trois corbeilles superposées

Mode Opératoire ». Dans

différents essais j’ai récupéré grâce aux fibres , étant donné que les trois corbeilles

a température initiale as de chaque corbeille. Il permet de comparer l’influence de la

profondeur sur les performances d’une corbeille, qui est sollicitée en cycle long.

, la température du sol pour la corbeille du milieu est inférieure à s deux autres corbeilles. Dans l’hypothèse où la profondeur n’a pas d’influence sur

les performances d’une corbeille, la corbeille centrale devrait échanger plus de chaleur avec le sol que la corbeille supérieure. De même la corbeille supérieure devrait échanger plus que

plus la corbeille est installée à une profondeur élevée, plus l’écart de température est important. Lorsqu’on descend une


corbeille d’une profondeur de 6 m, la différence de température augmente d’environ 0,75 K.D’après ces observations, la puissance récsa profondeur d’implantation.

Figure 13 Ecarts de température au court des cycles de chauffe pour les trois corbeilles superposées

Les trois essais correspondant à chaque corbeille ont été effectués à des dates différentes. Les températures du sol indiquées plus haut, ont donc été mesurées à des moments différents. La corbeille supérieure a été sollicitée le 28 mars, le 11 avril pour milieu et le 26 avril pour la corbeille inférieure. Si, d’après la pour une corbeille est plus importante si elle estpenser que la température du sol est plus faible en profondeur qu’en surface, pour ainsi avoir un meilleur échange entre le sol et l’eau circulant des les corbeilles. J’ai donc représenté graphiquement sur la Figure corbeille en fonction de la profondeur à chaque date d’essai. Au 21 février, la température extérieure est encore faible, donc la température en surface est beaucoup plus faible qu’en profondeur. Au 28 mars, de même qu’au 26 ava une influence sur la température du sol. Pour ces deux courbes, la température en profondeur n’est pas plus faible qu’en surface, comme nous aurions pu le penser. Ceci n’explique donc pas le fait que plus une corbeille est installée en profondeur, ppuissance extraite est importante pour n’importe quel mois de l’année. Pour les mois d’été, la température de surface devrait être nettement plus importante qu’en profondeur, et donc l’hypothèse émise au début de ce paragraphe pourrait se confirmer.Une hypothèse à valider est la variation de la conductivité thermique en fonction de la profondeur.


corbeille d’une profondeur de 6 m, la différence de température augmente d’environ 0,75 K.D’après ces observations, la puissance récupérée par une corbeille géothermique dépend de

Ecarts de température au court des cycles de chauffe pour les trois corbeilles superposées

Les trois essais correspondant à chaque corbeille ont été effectués à des dates différentes. Les températures du sol indiquées plus haut, ont donc été mesurées à des moments différents. La corbeille supérieure a été sollicitée le 28 mars, le 11 avril pour milieu et le 26 avril pour la corbeille inférieure. Si, d’après la Figure 13, la puissance extraite pour une corbeille est plus importante si elle est implantée en profondeur, nous pouvons penser que la température du sol est plus faible en profondeur qu’en surface, pour ainsi avoir un meilleur échange entre le sol et l’eau circulant des les corbeilles. J’ai donc représenté

Figure 14 page 27 les profils de température du sol au centre de la fonction de la profondeur à chaque date d’essai. Au 21 février, la température

extérieure est encore faible, donc la température en surface est beaucoup plus faible qu’en Au 28 mars, de même qu’au 26 avril, la température extérieure augmente

a une influence sur la température du sol. Pour ces deux courbes, la température en profondeur n’est pas plus faible qu’en surface, comme nous aurions pu le penser. Ceci n’explique donc pas le fait que plus une corbeille est installée en profondeur, ppuissance extraite est importante pour n’importe quel mois de l’année. Pour les mois d’été, la température de surface devrait être nettement plus importante qu’en profondeur, et donc l’hypothèse émise au début de ce paragraphe pourrait se confirmer. Une hypothèse à valider est la variation de la conductivité thermique en fonction de la

26

corbeille d’une profondeur de 6 m, la différence de température augmente d’environ 0,75 K. upérée par une corbeille géothermique dépend de

Ecarts de température au court des cycles de chauffe pour les trois corbeilles superposées

Les trois essais correspondant à chaque corbeille ont été effectués à des dates différentes. Les températures du sol indiquées plus haut, ont donc été mesurées à des moments différents. La corbeille supérieure a été sollicitée le 28 mars, le 11 avril pour la corbeille du

, la puissance extraite implantée en profondeur, nous pouvons

penser que la température du sol est plus faible en profondeur qu’en surface, pour ainsi avoir un meilleur échange entre le sol et l’eau circulant des les corbeilles. J’ai donc représenté

les profils de température du sol au centre de la fonction de la profondeur à chaque date d’essai. Au 21 février, la température

extérieure est encore faible, donc la température en surface est beaucoup plus faible qu’en ril, la température extérieure augmente ce qui

a une influence sur la température du sol. Pour ces deux courbes, la température en profondeur n’est pas plus faible qu’en surface, comme nous aurions pu le penser. Ceci n’explique donc pas le fait que plus une corbeille est installée en profondeur, plus sa puissance extraite est importante pour n’importe quel mois de l’année. Pour les mois d’été, la température de surface devrait être nettement plus importante qu’en profondeur, et donc

Une hypothèse à valider est la variation de la conductivité thermique en fonction de la


Figure 14 Profils de température

Le débit circulant dans chaque corbeille est pratiquementeffectués. Le débit dans la corbeille x3 I est de 0,96 mpour la x3 III 0,90 m3/h. La différence entre ces différents débits est assez faible et ne va pas influencer les mesures de manièSur la Figure 15 page 28 les températures de départ des trois corbeilles sont représentées en rouge. Pour les deux premiers cycles les courbes représentant les températures au départ des corbeilles sont très différentes.différente, les conditions d’essai Ces trois températures de départ ontPour les corbeilles x3 I et x3 II le premier jour de l’essai consistait à injecter de l’eau à 23 °C, avant d’injecter durant les quatre jours représentés ci-dessous le sol avait déjà été perturbé pour les essais des deux premières corbeilles, alors que ce n’était pas le cas pourde départ de la x3 I et de la x3 III, lors du premier cycle est donc Le premier cycle de la corbeille x3 II monte très lentement en température. Durant ce cycle, une baisse de pression dans le circuit primaire, impliquant une baisse assez importante du débit jusqu’à 0,4 m3/h, explique cette montphénomène de baisse de pression a également eu lieu lors du deuxième cycle de la corbeille x3 III, d’où une température de départ plus faible.Les deux derniers cycles du graphique peuvent être exploités correcteobservation est que les températures de retour des deux corbeilles les plus profondes sont assez éloignées de la température de retour de la corbeille supérieure.


Profils de température pour les essais de chaque corbeille

Le débit circulant dans chaque corbeille est pratiquement identique pour tous les essais effectués. Le débit dans la corbeille x3 I est de 0,96 m3/h, contre 0,92 m

/h. La différence entre ces différents débits est assez faible et ne va pas mesures de manière significative.

es températures de départ des trois corbeilles sont représentées premiers cycles les courbes représentant les températures au

départ des corbeilles sont très différentes. Chaque corbeille étant teessai étaient effectivement différentes.

Ces trois températures de départ ont la même allure que la température du collecteur départ. Pour les corbeilles x3 I et x3 II le premier jour de l’essai consistait à injecter de l’eau à 23 °C, avant d’injecter durant les quatre jours suivants de l’eau à 36 °C. Ainsi pour les quatre cycles

dessous le sol avait déjà été perturbé pour les essais des deux premières alors que ce n’était pas le cas pour la corbeille x3 III. L’écart entre la température

de départ de la x3 I et de la x3 III, lors du premier cycle est donc dû à la température du sol. Le premier cycle de la corbeille x3 II monte très lentement en température. Durant ce cycle, une baisse de pression dans le circuit primaire, impliquant une baisse assez importante du

/h, explique cette montée en température tout le long du cycle. Ce phénomène de baisse de pression a également eu lieu lors du deuxième cycle de la corbeille x3 III, d’où une température de départ plus faible. Les deux derniers cycles du graphique peuvent être exploités correcteobservation est que les températures de retour des deux corbeilles les plus profondes sont assez éloignées de la température de retour de la corbeille supérieure.

27

pour les essais de chaque corbeille

identique pour tous les essais /h, contre 0,92 m3/h pour la x3 II et

/h. La différence entre ces différents débits est assez faible et ne va pas

es températures de départ des trois corbeilles sont représentées premiers cycles les courbes représentant les températures au

étant testée une semaine

ture du collecteur départ. Pour les corbeilles x3 I et x3 II le premier jour de l’essai consistait à injecter de l’eau à 23 °C,

pour les quatre cycles dessous le sol avait déjà été perturbé pour les essais des deux premières

la corbeille x3 III. L’écart entre la température dû à la température du sol.

Le premier cycle de la corbeille x3 II monte très lentement en température. Durant ce cycle, une baisse de pression dans le circuit primaire, impliquant une baisse assez importante du

ée en température tout le long du cycle. Ce phénomène de baisse de pression a également eu lieu lors du deuxième cycle de la corbeille

Les deux derniers cycles du graphique peuvent être exploités correctement. La première observation est que les températures de retour des deux corbeilles les plus profondes sont


Figure 15 Evolution des températures en fonction du temps pour les quatre cycles de l'essai

La Figure 16 page 29 représente l’évolution des écarts de températures entre l’entrée et la sortie de la corbeille des cycles de chauffe des quatre jours d’essai. Au deuxième jour le sol a déjà été perturbé. Comme le montre le graphique, plus le sol est perturbé et donc se réchauffe dans le cas présent, plus l’écart de température diminue.


Figure 16 Ecarts de température pour la corbeille x 3 I en fonction du temps pour chaque jour de l'essa i

b/ Cycles courts Dans le but de comparer pour chaque corbeille l’efficacité d’une sollicitation en cycle court par rapport à un cycle long, j’ai récupéré la température initiale du sol pour chaque cas, comme le montrent les tableaux ci-dessous.

Pour la corbeille supérieure la température initiale du sol, avant l’essai en cycle court est nettement inférieure à celle en cycle long. Avant le cycle court, le temps de repos qui suit l’injection de froid n’a pas été

assez long. Le sol n’a ainsi pas eu assez de temps pour que sa température s’homogénéise. L’échange sera donc plus important lors de l’essai en cycle court. La comparaison cycle court cycle long ne sera donc pas possible.

Pour cette corbeille le sol est à peu prés à la même température dans les deux cas. De la même manière que pour la corbeille supérieure, le sol n’est pas dans les mêmes conditions pour ces deux essais.

Premier jour d’essai

Deuxième jour d’essai

Quatrième jour d’essai

Troisième jour d’essai

long court

haut -1 m 11,6 °C 8 °C

bas -4 m 11,6 °C 8 °C

cycleCorbeille x3 I

long court

haut -4 m 9,8 °C 9,6 °C

bas -7 m 10,8 °C 9,2 °C

Corbeille x3 IIcycle

long court

haut -7 m 12,4 °C 10,2 °C

bas -10 m 13,2 °C 11 °C

cycleCorbeille x3 III


Le meilleur cas pour comparer l’efficacité d’un cycle court avec un cycle long est donc la corbeille centrale. Le tableau ci-dessous permet de comparer un cycle court avec deux types de cycles long. Il indique pour chaque cycle dans la première et la deuxième colonne la somme et respectivement la moyenne des écarts de températures obtenues lors du ou des cycles de chauffes et dans la dernière colonne la durée du cycle de chauffe. Pour rappel le cycle court consistait à injecter au total pendant 4 h au court de la journée de l’eau à 36 °C dans les corbeilles. Le cycle long à 23 °C consistait à inje cter en continue pendant environ 8 h de l’eau à 23 °C dans les corbeilles. En théorie la pu issance échangée entre la corbeille et le sol dans ces deux cas est la même. Or la moyenne des écarts de température est plus de quatre fois plus grand lors du cycle court à 36 °C par rapport au cycle long à 23 °C. Cependant ceci n’est pas totalement comparable étant donné qu’on ne sollicite pas la corbeille de la même manière. Une autre comparaison peut donc nous donner meilleure satisfaction quant aux conclusions d’un cycle court et d’un cycle long. Le deuxième cycle long à comparer avec le court consiste à effectuer la somme et la moyenne des écarts de températures des quatre premières heures d’un des cycles long à 36 °C. Ainsi, le temps de chauffe est le même dans les deux cas et les conditions de sollicitations de la corbeille sont les mêmes. La seule différence entre les deux est qu’on chauffe 4 h en alterné pour le court et en continue pour le long. Ainsi la moyenne des deltas de températures est un peu plus importante en cycle court qu’en cycle long, mais il n’est pas possible de conclure avec ces seules données. Il faut préciser que lors de la relaxation il n’y a aucun échange puisqu’il n’y a pas de circulation dans les circuits. Les sommes et moyennes des écarts de température calculées dans le tableau ci-dessous ne prennent donc en compte que les cycles de chauffe. Il aurait été intéressant d’effectuer une série de cycle court au minimum durant une semaine. Avec le temps limité qu’il y avait pour réaliser les essais il n’est plus possible de prévoir cet essai, mais grâce au modèle réalisé dans la partie suivante, il est possible de modéliser cette expérience pour apporter une meilleure conclusion sur les performances des cycles courts avec les cycles longs.

La Figure 17 page 31 présente deux graphes différents, sur lesquels nous visualisons les quatre cycles courts de chaque jour d’essai pour chacune des trois corbeilles superposées. Les courbes dans la partie supérieure représentent l’évolution des températures départ et retour des trois corbeilles concernées en fonction du temps. Les courbes dans la partie inférieure illustrent les écarts de température entre le départ et le retour des corbeilles. La superposition de ces deux courbes permet de mieux visualiser les cycles. Nous remarquons sur ce graphe que les trois températures au départ des corbeilles ne sont pas identiques. Le même écart entre ces valeurs est observé lorsque nous visualisons les températures au niveau du collecteur départ, donc les différences de température du sol entre les trois essais n’est pas en cause. De plus étant donné que les débits sont pratiquement identiques pour les trois corbeilles, nous pouvons supposer que les écarts sont dus à la température extérieure. La Figure 18 page 32 permet de confirmer cette hypothèse. La température extérieure lors de l’essai de la corbeille x3 I est supérieure à celle de la x3 III, qui est elle-même supérieure à celle de la x3 II. Les températures du collecteur départ sont dans le même ordre que les températures extérieures. Comme vu précédemment, le chalet

Cumul DT Moy DT Heure Cumul DT Moy DT Heure Cumul DT Moy DT Heure

x3 III 367,3 K 3,01 3h56 334,0 2,81 3h56

x3 II 285,3 K 2,28 4h08 141,5 0,54 8h40 260,2 2,08 4h08

x3 I 220,2 K 1,83 3h52 123,9 0,73 7h12 205,9 1,77 3h52

cycle court cycle long 23 °C cycle long 36 °C


ECLIPSE n’est pas isolé ainsi que la tuyauterie. Les conditions extérieures influencent donc les pertes générées dans le chalet.Pour revenir à l’analyse de la pratiquement semblable la partie inférieure du graphiqueest profonde, plus sa puissance est importante. Cette conclusion est valable étant dle sol est soumis à des conditions sensiblement identiques et que les conditions extérieures ne sont pas assez différentes pour qu’elles influencent le sol.

Figure 17 Superposition des températures et des écarts de temp érature des trois corbeilles superposées en fonction du temps

Tdé

part

– T

reto

ur [K

]

Tem

péra

ture

[°C

]


ECLIPSE n’est pas isolé ainsi que la tuyauterie. Les conditions extérieures influencent donc les pertes générées dans le chalet. Pour revenir à l’analyse de la Figure 17, comme le débit dans chaque corbeille est

la partie inférieure du graphique nous montre que plus la corbeille est profonde, plus sa puissance est importante. Cette conclusion est valable étant dle sol est soumis à des conditions sensiblement identiques et que les conditions extérieures ne sont pas assez différentes pour qu’elles influencent le sol.

Superposition des températures et des écarts de temp érature des trois corbeilles superposées

31

ECLIPSE n’est pas isolé ainsi que la tuyauterie. Les conditions extérieures influencent donc

comme le débit dans chaque corbeille est nous montre que plus la corbeille

est profonde, plus sa puissance est importante. Cette conclusion est valable étant donné que le sol est soumis à des conditions sensiblement identiques et que les conditions extérieures

Superposition des températures et des écarts de temp érature des trois corbeilles superposées


Figure 18 Visualisation des températures du collecteur départ en fonction de la températuredeuxième cycle de chauffe

2.2.4. Essai 3 : Test raccordement parallèle série sur les corbeilles x2 A cause d’un problème d’approvisionnement, la vanne permettant de passant du mode parallèle au mode série n’est pas encore arrivée et cet essai n’a donc pas encore pu être réalisé. Il sera effectué dans les prochaines semaines.

2.2.5. Essai 4 : Test des corbeilles empilées ou alignées Cet essai permet de savoir si lors de l’installation de corbeilles géothermiques il est préférable d’implanter les corbeilles en champs (c'estcorbeilles. Il est lié au test sur l’influence de la profondeur. Or d’après l’essai précédant la profondeur a un impact sur les performances d’une corbeille, et la puissance a tendance à augmenter lorsqu’une corbeille est implantéPar manque de temps cet essai n’a été effectué que sur un jour en cycle court pour chaque configuration. Pour les deux cas les conditions extérieures sont les mêmes et le sol est à la même température. Par contre le débit dans chaque corbeille est différent. Le débit total lorsque les corbeilles sont empilées est de 1,4 La Figure 19 page 33 est une superposition de toutes les températures mesurées au départ de toutes les corbeilles sollicitées pendant cet esau départ ne sont jamais les mêmes pour 2 °C d’écart. Ces températures sont mesurées deux jou rnées différentes et les débits ne sont pas les mêmes pour chaque corbeicycle sont ceux pour lesquels


Visualisation des températures du collecteur départ en fonction de la température

: Test raccordement parallèle série sur les corbeilles x2

A cause d’un problème d’approvisionnement, la vanne permettant de passant du mode parallèle au mode série n’est pas encore arrivée et cet essai n’a donc pas encore pu être

isé. Il sera effectué dans les prochaines semaines.

Test des corbeilles empilées ou alignées

Cet essai permet de savoir si lors de l’installation de corbeilles géothermiques il est préférable d’implanter les corbeilles en champs (c'est-à-dire alignés) ou d’empiler les corbeilles. Il est lié au test sur l’influence de la profondeur. Or d’après l’essai précédant la profondeur a un impact sur les performances d’une corbeille, et la puissance a tendance à augmenter lorsqu’une corbeille est implantée en profondeur. Par manque de temps cet essai n’a été effectué que sur un jour en cycle court pour chaque

Pour les deux cas les conditions extérieures sont les mêmes et le sol est à la même Par contre le débit dans chaque corbeille est différent. Le débit total lorsque les

corbeilles sont empilées est de 1,45 m3/h et de 1,69 m3/h lorsqu’elles sont alignées.

est une superposition de toutes les températures mesurées au départ de toutes les corbeilles sollicitées pendant cet essai. Nous remarquons que les températures au départ ne sont jamais les mêmes pour chaque cycle et s’étalent sur une plage de 0,5 à

°C d’écart. Ces températures sont mesurées deux jou rnées différentes et les débits ne sont pas les mêmes pour chaque corbeille, ce qui explique cet écart. Le premier

les températures sont le plus rapprochées. 32

Visualisation des températures du collecteur départ en fonction de la température lors du

: Test raccordement parallèle série sur les corbeilles x2

A cause d’un problème d’approvisionnement, la vanne permettant de passant du mode parallèle au mode série n’est pas encore arrivée et cet essai n’a donc pas encore pu être

Cet essai permet de savoir si lors de l’installation de corbeilles géothermiques il est alignés) ou d’empiler les

corbeilles. Il est lié au test sur l’influence de la profondeur. Or d’après l’essai précédant la profondeur a un impact sur les performances d’une corbeille, et la puissance a tendance à

Par manque de temps cet essai n’a été effectué que sur un jour en cycle court pour chaque

Pour les deux cas les conditions extérieures sont les mêmes et le sol est à la même Par contre le débit dans chaque corbeille est différent. Le débit total lorsque les

/h lorsqu’elles sont alignées.

est une superposition de toutes les températures mesurées au départ sai. Nous remarquons que les températures

talent sur une plage de 0,5 à °C d’écart. Ces températures sont mesurées deux jou rnées différentes et les débits ne

lle, ce qui explique cet écart. Le premier et le dernier


Figure 19 Evolution des températures au départ des corbeilles lors des essais alignées et empilées fonction du temps

Pour le cas des corbeilles alignées, étant donné que les débits sont différents dans chaque corbeille, et que nous n’avons que la possibilité de mesurer le débit total, mais comme les trois pompes sont en parallèles, nous pouvons calcuLa pompe sur le circuit de la corbeille x1 est équipée d’un débitmètre visuel. Le débit pour cet essai est donc de 9 L/min soit 0,54 mparallèle est donc de 1,15 m3/h. Oren supposant que la différence de pertes de charges entre les deux circuits est négligeable le débit dans chacune des deux corbeilles est de 0,575 m Pour les trois corbeilles empilées, étant donné les faibles différences de débit dans ces corbeilles, je suppose donc la répartition des débits dans toutes les corbeilles de la façon suivante :

Empilées (1,45 mCorbeilles x3 I

Débit [m3/h] 0,5

Ainsi, d’après ces valeurs la puissance de chaque corbeille peut être obtenue. Les représentations graphiques de la puissance de chaque corbeille en fonction du temps, comme sur la Figure 20 page températures seuls. La puissance moyenne délivrée lorsque trois corbeilles empilées sont sollicitées au maximum est de 2308 W, contre 1920 W pour trois corbeilles alignées.


Evolution des températures au départ des corbeilles lors des essais alignées et empilées

Pour le cas des corbeilles alignées, étant donné que les débits sont différents dans chaque corbeille, et que nous n’avons que la possibilité de mesurer le débit total, mais comme les trois pompes sont en parallèles, nous pouvons calculer le débit dans chaque pompe. La pompe sur le circuit de la corbeille x1 est équipée d’un débitmètre visuel. Le débit pour cet essai est donc de 9 L/min soit 0,54 m3/h. Le débit dans les deux autres circuits reliés en

/h. Or comme les pompes de ces deux circuits sont identiques, en supposant que la différence de pertes de charges entre les deux circuits est négligeable le débit dans chacune des deux corbeilles est de 0,575 m3/h.

Pour les trois corbeilles empilées, étant donné les faibles différences de débit dans ces corbeilles, je suppose donc la répartition des débits dans toutes les corbeilles de la façon

Empilées (1,45 m3/h) Alignées (1,69 mx3 II x3 III x1 x2 I0,48 0,47 0,54 0,575

Ainsi, d’après ces valeurs la puissance de chaque corbeille peut être obtenue. Les représentations graphiques de la puissance de chaque corbeille en fonction du temps,

page 34 seront donc plus comparables que les écarts de La puissance moyenne délivrée lorsque trois corbeilles empilées sont

sollicitées au maximum est de 2308 W, contre 1920 W pour trois corbeilles alignées.

33

Evolution des températures au départ des corbeilles lors des essais alignées et empilées en

Pour le cas des corbeilles alignées, étant donné que les débits sont différents dans chaque corbeille, et que nous n’avons que la possibilité de mesurer le débit total, mais comme les

ler le débit dans chaque pompe. La pompe sur le circuit de la corbeille x1 est équipée d’un débitmètre visuel. Le débit pour

/h. Le débit dans les deux autres circuits reliés en comme les pompes de ces deux circuits sont identiques,

en supposant que la différence de pertes de charges entre les deux circuits est négligeable

Pour les trois corbeilles empilées, étant donné les faibles différences de débit dans ces corbeilles, je suppose donc la répartition des débits dans toutes les corbeilles de la façon

Alignées (1,69 m3/h) x2 I x3 I

0,575 0,575

Ainsi, d’après ces valeurs la puissance de chaque corbeille peut être obtenue. Les représentations graphiques de la puissance de chaque corbeille en fonction du temps,

que les écarts de La puissance moyenne délivrée lorsque trois corbeilles empilées sont

sollicitées au maximum est de 2308 W, contre 1920 W pour trois corbeilles alignées.


Figure 20 Puissance de chaque corbeille pour les cas alignés etchauffe

En accord avec le fait, que plus une corbeille est installée en profondeur plus sa puissance délivrée est importante, en superposant des corbeilles la puissance délivrée est environ 1,2 fois plus élevée que lorsqu’elles sont disposées en champs.Un graphique simplifié Figure niveau des collecteurs se trouvant dans le chalet ECLIPSE pour les deux cas. Il y a bien sûr des pertes entre la corbeille et le collecteur, donc les valeurs présentées permettent juste d’avoir l’allure générale et de confirmer la conclusion comme quoi le fait d’empiler les corbeilles permet d’obtenir une puissance plus importante. Cette figure du premier cycle de chauffe. La de chauffe, pour lequel les températures de départ étaient également relativeNous remarquons que les écarts entre les deux configurations diminuent. Il aurait donc été intéressant d’effectuer ce test sur une plus longue période.


corbeille pour les cas alignés et empilés au cours du premier cycle de

En accord avec le fait, que plus une corbeille est installée en profondeur plus sa puissance délivrée est importante, en superposant des corbeilles la puissance délivrée est environ 1,2

lorsqu’elles sont disposées en champs. Figure 21 page 35 permet de comparer les deltas de températures au

niveau des collecteurs se trouvant dans le chalet ECLIPSE pour les deux cas. Il y a bien sûr des pertes entre la corbeille et le collecteur, donc les valeurs présentées permettent juste

rale et de confirmer la conclusion comme quoi le fait d’empiler les corbeilles permet d’obtenir une puissance plus importante. Cette figure reprend les mesures du premier cycle de chauffe. La Figure 22 page 35 reprend elle les valeurs du dernier cycle de chauffe, pour lequel les températures de départ étaient également relativeNous remarquons que les écarts entre les deux configurations diminuent. Il aurait donc été intéressant d’effectuer ce test sur une plus longue période.

34

empilés au cours du premier cycle de

En accord avec le fait, que plus une corbeille est installée en profondeur plus sa puissance délivrée est importante, en superposant des corbeilles la puissance délivrée est environ 1,2

permet de comparer les deltas de températures au niveau des collecteurs se trouvant dans le chalet ECLIPSE pour les deux cas. Il y a bien sûr des pertes entre la corbeille et le collecteur, donc les valeurs présentées permettent juste

rale et de confirmer la conclusion comme quoi le fait d’empiler les reprend les mesures

reprend elle les valeurs du dernier cycle de chauffe, pour lequel les températures de départ étaient également relativement similaires. Nous remarquons que les écarts entre les deux configurations diminuent. Il aurait donc été


Figure 21 Ecarts de température entre le départ et le reto(alignés et empilés) pour le premier cycle de chauf fe

Figure 22 Ecarts de température entre le départ et le retour a u niveau du collecteur pour les deux cas (alignés et empilés) pour le dernier


Ecarts de température entre le départ et le reto ur au niveau du collecteur pour les deux cas (alignés et empilés) pour le premier cycle de chauf fe

Ecarts de température entre le départ et le retour a u niveau du collecteur pour les deux cas le dernier cycle de chauffe

35

ur au niveau du collecteur pour les deux cas

Ecarts de température entre le départ et le retour a u niveau du collecteur pour les deux cas


2.2.6. Changement du sens de circulation de la pompe Cet essai est en cours, et les résultats ne peuvent donc pas encore être exploités.

3. Modélisation Les calculs et la méthode de modélisation présentés dans cette partie sont inspirés d’après la source bibliographique [2].

3.1. Modélisation sous Excel Après quelques essais de modélisation sur le logiciel COMSOL, j’ai finalement effectué une modélisation par différence finie sous excel. La corbeille est modélisée comme un cylindre, tel que représenté sur la Figure 23. La hauteur de la corbeille, le volume de sol à l’intérieure de la corbeille, le volume dans lequel l’eau peut circuler, ainsi que le volume de tube de polyéthylène sont identiques au modèle. Ainsi d’après ces hypothèses, les caractéristiques du cylindre sont les suivantes :

- Hauteur du cylindre : H = 3 m - Rayon intérieur de la corbeille : 0,165 m - Rayon intérieur de la corbeille sans l’épaisseur de tube : 0,165948 m - Rayon extérieur de la corbeille sans l’épaisseur de tube : 0,169792 m - Rayon extérieur de la corbeille : 0,17074 m

Figure 23 Coupe du cylindre modélisé

0.1

65

m

0.16

979

2 m

Circulation eau Tube

PE


Figure 24 Vue de la corbeille à modéliser

Je suppose qu’il n’y a pas de pertes ni vers le haut ni vers le bas du cylindre, la modélisation est ainsi réalisée selon une seule dimension. Avant d’établir les différents échanges se produisant entre le cylindre et le sol, il est nécessaire de calculer les résistances thermiques du tube et du fluide.

� Résistance thermique du tube

Pour un tube de rayon intérieur r1 et de rayon extérieur r2, la résistance du tube est donnée par la formule suivante :

,_@A = BCD1DEF�G ��.I

J ! (1)

9K��:2 = 0.0125 :1 = 0.0102

P = 0.45 R S. TU

La résistance thermique du tube est de 0,052 m.K/W.

� Résistance thermique du fluide

Les formules permettant d’avoir la résistance thermique du fluide dépendent du régime d’écoulement. Le régime d’écoulement est déterminé à partir du nombre de Reynolds. Le nombre de Reynolds dépend du débit, qui lui-même dépend de la température. Après calcul, les résultats suivants sont obtenus.

Nous pouvons voir que pour chaque cas, le nombre de Reynolds est largement supérieur à 3000, donc le régime est turbulent, et les formules qui suivent vont être utilisées pour déterminer la résistance du fluide. La résistance thermique du fluide est donnée par l’expression ci-dessous avec R en [m.K/W]

x1 x2 I x2 II x3 I x3 II x3 III

Débit [m3/h] qv 0,66 0,99 0,95 0,96 0,92 0,90

Section [m²] Se 0,00049 0,00049 0,00049 0,00049 0,00049 0,00049

Vitesse [m/s] v 0,37 0,56 0,54 0,54 0,52 0,51

Viscosité cinématique [m²/s] nu 8,04E-07 8,04E-07 8,04E-07 8,04E-07 8,04E-07 8,04E-07

Longueur caractéristique [m] Dc 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025

Reynolds Re 11613,30 17419,94 16716,11 16892,07 16188,23 15836,31


, = 12�:ℎ

Le coefficient d’échange convectif est donné par l’expression suivante :

ℎ = PW;2:

W; = 0.023,�6.Y@:+ 9K�� = 0.4�9:<9��7é:9�;:�8;Z<;�8��Zé:��;:�à<9��7é:9�;:�8�<979:�� @: = \]7

P

Les résultats sont donnés dans le tableau ci-dessous.

La résistance du fluide est seulement dix fois plus petite que la résistance thermique du tube. Elle ne sera donc pas négligée pour la suite des calculs. Un échange de chaleur s’effectue entre l’eau qui circule dans le cylindre et les parois du tube. Il est donc nécessaire d’avoir la température du fluide. Or comme nous avons supposé qu’il n’y a pas d’échange ni vers le haut ni vers le haut, la température utilisée pour calculer l’échange entre la paroi et le fluide est la moyenne entre la température qui entre dans la corbeille et celle en sortie de corbeille. Dans les expériences réalisées la température de départ de corbeille est imposée. Il reste donc à calculer la température théorique en sortie de corbeille.

� Température du fluide à la sortie de la corbeille :

^Z< = _^Z<�`6 − ^7b�cdef + ^7 _2b_2b_2b_2b

Avec Tfl : la température en sortie de corbeille à l’instant t

Tflx=0 : la température au départ de la corbeille Tp : la température de la paroi à l’instant t-1 x : la longueur totale de tuyau pour la corbeille réelle <0 = h�� × �7�� × ,

� Echange entre la paroi du cylindre et le sol au point T à température T et rayon r :

Bilan des flux de chaleur arrivant vers la bande hachurée, représentée sur la figure ci-dessous :

- Flux arrivant du point est à température Te → ij klkmi no pmcp

kmck

- Flux arrivant du point ouest à température Tw → ij klkq

i no pcpqkckq

- Accumulation de chaleur dans la bande hachurée →

jnR�klkmi �i − �klkq

i �iU rs pcptuv

Longueur caractéristique [m] Dc 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025

Reynolds Re 11613,30 17419,94 16716,11 16892,07 16188,23 15836,31

nombre Prandtl Pr 5,35 5,35 5,35 5,35 5,35 5,35

Nussel 67,97 94,01 90,96 91,72 88,65 87,11

coefficient d'échange convectif h 2074,83 2869,82 2776,68 2800,04 2706,31 2659,14

resistance thermique fluide R_fl 0,0075 0,0054 0,0056 0,0056 0,0058 0,0059


En écrivant l’équation de la chaleur sous forme discrétisée en utilisant un schéma d’Euler explicite, on obtient :

jn wxk + kmi yi − xk + kqi yiz rs p − pcuv = ijk + kqi npqc − pc

k − kq o + ijk + kmi npmc − pckm − k o

Le pas de distance dx est constant donc : − :{ = :� − : = �l�|

� − �l�}� = 8~

� p − pc = ouvrsu�i

klkqik _pqc − pcb + ouv

rsu�iklkmik _pmc − pcb

En posant�� = ouvrsu�i, on obtient :

� p = �� klkqik pqc + �� klkm

ik pmc + �� − �� klkqik − �� klkm

ik �pc (3)

A ce schéma de discrétisation est associée la condition de stabilité suivante :

� − ��k + kqik − ��k + kmik > �

�� < 0.5

uv < rsu�iio

En prenant un pas de temps d’1 s et un pas de distance de 0,005 m, le modèle est stable.

re

r

rw

Tw T

Te

(r+

rw)/

2

Figure 25 Schéma de discrétisation d'une bande du cy lindre


� Condition limite, au point de rayon r=0

Au point de rayon r=0, l’équation (3) devient :

w�kmi �iz rsp − pcuv = _pm − pbo

� p = ��pmc + _� − ��bpc

� Condition limite pour un rayon r infini

Le rayon extérieur du cylindre est de 0,17 m. J’ai donc étendu le modèle jusqu’à un rayon environ 7 fois plus grand que celui du cylindre. J’ai supposé qu’au bout de ce rayon, la température du sol est constante, et égale à la température initiale.

� Equation au niveau de la paroi du tube

D’après le schéma ci-dessous, les deux points de rayon 0,165 et 0,170, correspondent aux parois extérieures du cylindre. Je suppose que ces deux points font partis du sol, et donc entre il y a le tube en PE et l’eau. En première hypothèse je suppose que le flux de chaleur entre l’eau et le sol, se propage uniformément et dans les mêmes proportions au centre du cylindre qu’à l’extérieur du cylindre. Je suppose la température de l’eau dans la corbeille égale à la moyenne entre la température d’entrée, imposée à 36 °C dans un premi er temps, et la température de l’eau en sortie de la corbeille, calculée d’après la formule ci-dessus.

Dans les formules ci-dessus, x = 40 m, c'est-à-dire la longueur réel de tuyau et <� = � �7, Le bilan de chaleur au niveau du point « sol P_in » sera donc :

sol P_int sol P_ext

0,1650 0,1700

Tpint Tint Tmoy Text Tpext

11,4 11,4 11,4 11,4 11,4

eau

Paroi extérieure du tube, côté intérieur du cylindre

Paroi extérieure du tube, côté extérieur du cylindre

^Z<�� = 36 + �_36 − ^7��cb�c�/6 + ^7��c!2 ^Z<�~� = 36 + �_36 − ^7�~�cb�c�/6 + ^7�~�c!

2

^�� = ^Z<�� + ^Z<�~�2


jnwxk + kmi yi − kiz rs p − pcuv = ijk + kmi npm − p

km − k o +�

� R�klkmi �i − kiU rs pcpt

uv = _k + kmb pmcpkmck o + �

jn

� p − pc = ouvrsu�i

�_klkmb_kml�kb _pmc − pcb + ��jnrs_kmckb_kml�kb

� p − pc = �� _klkmb_kml�kb _pmc − pcb + ��jrsu�_kml�kb

p��vcpt��l��

Car � = p��vcpt��l��

� ^ = �� 2_�l�|b_�|l4�b �̂c + �1 − 2�*

_�|l4�b _: + :�b − 2�*��F'�eG_�|l4�b�,@A+,Z<��^c + 2�*��

F'�eG_�|l4�b�,@A+,Z<�^Z<��

Pour le point « sol P_ex » :

� ^ = �� 2_�l�|b_�|l4�b �̂c + �1 − 2�*

_�|l4�b _: + :�b − 2�*��F'�eG_�|l4�b�,@A+,Z<��^c + 2�*��

F'�eG_�|l4�b�,@A+,Z<�^Z<�~�

Les équations décrites ci-dessus sont intégrées dans le tableur excel, dont une présentation est présentée Erreur ! Source du renvoi introuvable. . Chaque case représente un point de température indiquée dans cette case, à l’instant t indiqué sur la colonne de gauche en seconde et en heure, avec un rayon r_1 sur la première ligne du tableau.

Figure 26 Présentation du tableur excel de modélisat ion

Temps en seconde Pas de temps dt

Evolution du rayon avec un pas de distance dx

Calcul de la température en fonction du temps


Les hypothèses prises pour le calcul du modèle sont les suivantes :

Données de la corbeille

Hauteur H 3 [m]

Diamètre D 0,38 [m]

Longueur tube L_tube 40 [m]

épaisseur tube EP_tube 0,0023 [m]

Diamètre ext Dext_tube 0,025 [m]

conductivité thermique PE lambda_PE 0,6 [W/(m.K)]

resistance thermique PE R_PE 0,053937855 [m.K/W]

Rayon ext du cylindre équivalent r_eq_ext 0,00574 [m]

Flux chaleur de la corbeille Phi_corb 39 [W/m]

Resistance thermique fluide R_fl 0,0043 [m.K/W]

Données paroi exterieure / sol

Fo du sol Fo_sol 0,0436 SD

conductivité thermique sol lambda_sol 1,44 [W/(m.K)]

masse volumique sol rho_sol 1940 [kg/m3]

capacité massique sol cp_sol 680,9798543 [J/(kg.K)]

diffusivité thermique a_sol 0,00000109 m²/s

pas de distance dx 0,005 [m]

pas de temps dt 1 [s]

Données fluide

longueur initiale l0 59,65093154 [m]

débit volumique eau qv_eau 0,96 [m3/h]

masse volumique eau rho_eau 992,461159 [kg/m3]

débit massique eau qm_eau 0,264656309 [kg/s]

capacité massique eau cpm_eau 4178,701074 [J/(kg.K)]

La Figure 27 page 43 représente l’évolution de la température dans le cylindre, modélisant la corbeille, pour une injection d’eau à 36 °C pendant 9 h sur un rayon de 0,46 m. Le sol ne se réchauffe pas instantanément au contact de l’eau chaude.


Figure 27 Evolution des températures dans le cylindr e modélisant la corbeille

3.2. Validation du Modèle Les résultats du modèle présentés dans la partie précédente tiennent compte d’une température de départ de 36 °C. En remplaçant cette valeur constante pendant les cycles de chauffe tout au long de l’essai par les températures de départ mesurées toutes les deux minutes par les Pt100 lors d’un essai sur une journée en cycle long, il est possible de valider le modèle que j’ai réalisé en comparant les températures de retour mesurée avec celles calculées. Les valeurs du test de la corbeille x3 I, lors du deuxième jour de test, sont prises pour référence. Lors de cet essai, la température initiale du sol était de 11,7 °C. Les hypothèses prises pour cette validation sont identiques à la modélisation du paragraphe 3.1 sauf pour la température de départ en cycle de chauffe et en relaxation. Comme dit précédemment, lors du cycle de chauffe la température en entrée de corbeille est prise égale à la valeur mesurée lors de l’expérience. Au contraire lors de la relaxation la température au départ de la corbeille à l’instant t est prise égale à la température calculée au retour de la corbeille à l’instant t-1. La Figure 28 page 44 représente les températures mesurées lors de l’essai de la corbeille x3 I avec celles calculées en fonction du temps. La température lors du cycle de relaxation n’est pas très importante, étant donné que lors des mesures il n’y avait aucune circulation dans les corbeilles alors que pour la modélisation nous supposons une circulation. La validation s’effectue donc au niveau des cycles de chauffe. Le graphique représente l’allure générale.

Tem

ps T

otal

: 9

h

Rayon : 0,46 m


Figure 28 Comparaison de la température calculée avec la temp érature mesurée au cours de quatre cycles 8h - 16h

Des zooms des encadrés noirs sont représentés peu d’écart entre le calcul et la mesure sauf lors des premièremontée en température est plus lente avec le modèle. Le modèle est donc validé.

Figure 29 Zoom sur les encadrés noirs de la figure précédente


Comparaison de la température calculée avec la temp érature mesurée au cours de quatre

Des zooms des encadrés noirs sont représentés Figure 29. Nous remarquons qu’il y a très peu d’écart entre le calcul et la mesure sauf lors des premières heures de chauffe, où la montée en température est plus lente avec le modèle. Le modèle est donc validé.

Zoom sur les encadrés noirs de la figure précédente

44

Comparaison de la température calculée avec la temp érature mesurée au cours de quatre

. Nous remarquons qu’il y a très s heures de chauffe, où la

montée en température est plus lente avec le modèle. Le modèle est donc validé.


3.3. Comparaison des cycles longs avec des cycles courts Dans le paragraphe 2.2.3 cycles courtsentre ces deux cycles sur un temps plus long. Etant donndonc plus rapide d’effectuer un modèle correspondant à ce cas.Toutes les hypothèses, autrindiquées dans le paragraphe est prise constante et égale à 36 °C. Lors de la re laxation, elle est prise égale à la température de retour calculée à l’instant prUn cycle long est composé d’un cycle de chauffe continu de 4h et la relaxation dure 8h en continue. Un cycle court est par contre alterné d’1h de chauffe et de 2h de relaxation quatre fois de suite. Cinq cycles de chaque sont modélisésreprésentées sur la Figure 30.Pour les premières heures, il est nettement visible que court est plus faible qu’en cycle long. Après 12 h d’essai, soit 4 h de chauffe, la température de retour des cycles courts rejoint la température de retour des cycles longs. Pour les premières heures de marche les cycles courts sont en effet plus performants que les cycllongs, mais cela ne se confirme pas pour la suite. A partir du deuxième cycle (rappelons qu’un cycle correspond à 12 h), les températures de retour paraissent identiques entre le cycle long et le cycle court. Il serait donc intéressant de calculer la température moyenne sur chacun des cinq cycles pour le cas court et long. Ces valeurs sont répertoriées dans le tableau suivant

Cycle 1Court 31,82 °CLong 32,18 °C

Ces valeurs moyennes sont identiques pour les quatre derniers cycles. La sollicitation des corbeilles en cycle court ou en cycle long n’a donc pas d’influence sur les performances.

Figure 30 Représentation graphique des résultats du modèle cy cle long cycle court


Comparaison des cycles longs avec des cycles courts

cycles courts , il est précisé l’intérêt d’effectuer la comparaison entre ces deux cycles sur un temps plus long. Etant donné que le modèle est validé, il est donc plus rapide d’effectuer un modèle correspondant à ce cas. Toutes les hypothèses, autre que la température de départ sont identiques à celles indiquées dans le paragraphe 3.1. Au court d’un cycle de chauffe la température de départ est prise constante et égale à 36 °C. Lors de la re laxation, elle est prise égale à la température de retour calculée à l’instant précédant.

le long est composé d’un cycle de chauffe continu de 4h et la relaxation dure 8h en continue. Un cycle court est par contre alterné d’1h de chauffe et de 2h de relaxation quatre fois de suite. Cinq cycles de chaque sont modélisés. Seules les températures de retour sont

. , il est nettement visible que la température de retour en cycle

aible qu’en cycle long. Après 12 h d’essai, soit 4 h de chauffe, la température de retour des cycles courts rejoint la température de retour des cycles longs. Pour les premières heures de marche les cycles courts sont en effet plus performants que les cycl

, mais cela ne se confirme pas pour la suite. A partir du deuxième cycle (rappelons qu’un cycle correspond à 12 h), les températures de retour paraissent identiques entre le

Il serait donc intéressant de calculer la température moyenne sur chacun des cinq cycles pour le cas court et long. Ces valeurs sont répertoriées dans le tableau suivant

Cycle 1 Cycle 2 Cycle 3 Cycle 4 Cycle 531,82 °C 34,35 °C 34,79 °C 34,88 °C 34,89 °C32,18 °C 34,36 °C 34,80 °C 34,90 °C 34,92 °Csont identiques pour les quatre derniers cycles. La sollicitation des

corbeilles en cycle court ou en cycle long n’a donc pas d’influence sur les performances.

Représentation graphique des résultats du modèle cy cle long cycle court

45

Comparaison des cycles longs avec des cycles courts

, il est précisé l’intérêt d’effectuer la comparaison é que le modèle est validé, il est

sont identiques à celles Au court d’un cycle de chauffe la température de départ

est prise constante et égale à 36 °C. Lors de la re laxation, elle est prise égale à la

le long est composé d’un cycle de chauffe continu de 4h et la relaxation dure 8h en continue. Un cycle court est par contre alterné d’1h de chauffe et de 2h de relaxation quatre

températures de retour sont

la température de retour en cycle aible qu’en cycle long. Après 12 h d’essai, soit 4 h de chauffe, la température

de retour des cycles courts rejoint la température de retour des cycles longs. Pour les premières heures de marche les cycles courts sont en effet plus performants que les cycles

, mais cela ne se confirme pas pour la suite. A partir du deuxième cycle (rappelons qu’un cycle correspond à 12 h), les températures de retour paraissent identiques entre le

Il serait donc intéressant de calculer la température moyenne sur chacun des cinq cycles pour le cas court et long. Ces valeurs sont répertoriées dans le tableau suivant :

Cycle 5 34,89 °C 34,92 °C

sont identiques pour les quatre derniers cycles. La sollicitation des corbeilles en cycle court ou en cycle long n’a donc pas d’influence sur les performances.


Problèmes et difficultés rencontrés La priorité de ce projet était de réaliser les expériences sur les corbeilles géothermiques et d’obtenir des résultats. C’est pour cela que les deux objectifs traités dans les deux paragraphes ci-dessous ont été laissé de côté par rapport aux essais. Les objectifs de début de stage indiquaient une partie qui consistait à faire une étude de pré dimensionnement sur l’installation de corbeilles géothermiques pour le chauffage et la climatisation du gymnase. Cette partie n’est pas visible dans cette synthèse, car j’ai rencontré plusieurs problèmes à la mener à terme. Tout d’abord je ne connaissais pas les différents logiciels que je devais utiliser et en particulier le logiciel EnergyPlus n’était pas très intuitif d’utilisation. N’ayant aucune possibilité d’effectuer une formation et par manque de temps j’ai donc abandonné ce logiciel. Ensuite pour effectuer le pré dimensionnement du gymnase il était nécessaire d’avoir plusieurs données concernant le bâtiment, les différentes consommations… que je n’ai pas pu obtenir. De plus cette partie des objectifs n’était pas la principal but de mon projet de fin d’étude, et ayant plus de difficultés que prévues sur les autres parties, ce qui justifie l’impossibilité de finaliser cette partie. Le second objectif ayant le moins d’importance est de modéliser une corbeille géothermique sous le logiciel COMSOL. Pour les mêmes raisons que pour le logiciel EnergyPlus, et comme ce n’était pas non plus une priorité sur mon projet, j’ai également abandonné ce logiciel, pour effectuer une modélisation sous EXCEL, sur lequel j’avais déjà quelques expériences de modélisation. J’ai donc obtenu un modèle cohérant de corbeille, que j’ai validé par les données expérimentales. Il serait possible par la suite d’affiner ce modèle pour que les résultats des premières heures du modèle concordent avec les mesures. Il pourrait être intéressant de modéliser les corbeilles dans plusieurs configurations, par exemple en testant l’influence de la profondeur des corbeilles. Le principal but de mon étude était de réaliser des expériences sur les corbeilles géothermiques en rapport avec les volontés des différents partenaires du projet ECLIPSE. L’installation de la plate-forme d’ECLIPSE a pris du retard et le planning des expériences a donc été serré pour pouvoir réaliser l’ensemble des essais voulus. Il a donc été impossible de réaliser des cycles plus longs que 8 h de chauffe et 16 h de relaxation. L’expérience fait qu’il y a toujours des imprévus, comme des sondes de températures n’étant pas bien placées, des pompes ne fonctionnant pas, des fuites dans un circuit ou bien d’autres problèmes. Il faut donc apprendre à gérer ces imprévus en adaptant les expériences prévues aux différents problèmes.


Conclusion Ce projet de fin d’étude a permis d’émettre plusieurs conclusions quant au comportement thermique des corbeilles géothermiques. Tout d’abord nous pouvons donner une puissance moyenne qui peut être extraite d’une corbeille en polyéthylène implantée entre 1 et 4 m de profondeur, suite à une forte sollicitation. On a ainsi imposé une sollicitation maximale pour la plate-forme expérimentale (débit de 0,96 m3/h et température d’injection 24 °C supérieure à la température du sol). L’écart de température entre l’entrée et la sortie de la corbeille lorsqu’un cycle de chauffe dure 8 h est de 1,77 K. La puissance maximale ainsi extraite de la corbeille est de 1958 W. Lorsque le cycle de chauffe dure 1 h, l’écart de température est de 1,83 K et la puissance extraite est de 2025 W. Ces valeurs sont assez conséquentes étant donné que la corbeille est soumise à une sollicitation maximale. Toutefois nous pouvons remarquer que l’échange est plus important lorsqu’on chauffe sur un temps court par rapport à un temps long. Il est difficile de conclure avec précision quant aux performances d’une corbeille cuivre par rapport à celles d’une corbeille plastique. Toutefois les résultats montrent que la température de retour de la corbeille cuivre est environ 1 °C i nférieure à celle du plastique. Or cette différence est à priori due à la distance entre la Pt100 mesurant la température de retour du cuivre et la sortie directe de la corbeille. Nous pouvons donc supposer que les performances d’une corbeille cuivre ne sont pas meilleures qu’une corbeille en plastique. Il est clair d’après les résultats que la profondeur influence les performances d’une corbeille. Ainsi, plus la corbeille est implantée en profondeur, meilleur est l’échange de chaleur avec le sol. En superposant des corbeilles la puissance délivrée est environ 1,2 fois plus importante que lorsque les corbeilles sont alignées à la plus faible profondeur, c'est-à-dire entre 1 et 4 m. Un modèle simplifié par différences finies de corbeille a été développé sous excel. La corbeille géothermique a été considérée de forme cylindrique. Les résultats de ce modèle ont été confrontés aux mesures obtenues sur la plate-forme. Avec un écart de moins de 0,5 °C entre les résultats expérimentaux et ceux du modèle, ce dernier peut être validé. Grâce à ce modèle, la comparaison des performances d’une corbeille sollicitée de manière répétée en cycle court par rapport au cycle long est plus rapide qu’avec l’expérience. La modélisation permet de conclure qu’un cycle court ou long sur une corbeille n’a pas d’influence sur la puissance extraite. Le nombre de logements individuels récents est en constante augmentation depuis quelques années. La problématique de la performance et du potentiel d’adaptation des systèmes énergétiques devient donc primordiale. Il est donc nécessaire de proposer des solutions de pompes à chaleur géothermiques à bas coût et faible encombrement et également de disposer d’échangeurs géothermiques à coût réduit, tout en ayant des performances élevées.


Bibliographie [1] Mickael PHILIPPE : Développement et validation expérimentale de modèles d’échangeurs géothermiques horizontaux et verticaux pour le chauffage de bâtiments résidentiels, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2010. [2] Alain TRIBOIX : Techniques numériques en énergétiques, INSA Strasbourg. [3] Site internet : www.geothermie.ch [4] Sites internet des constructeurs de corbeille REHAU : www.rehau.fr Calox : www.calox.com Energyresources : www.energyresources.it Enregis : www.enregis.de Hekia : www.hekia.fr Sano : sano-France.com RYB terra : www.rybterra.fr Zerob : www.zerob.at Betatherm : www.betatherm.de


Sommaire des annexes Annexe 1 : Plate-forme expérimentale pour les échangeurs géothermiques : zone ECLIPSE ………………………………………………………………………………………………….2

1. Synthèse introductive……………………………………………………………………..2 2. Zone ECLIPSE……………………………………………………………………………..3

2.1 Présentation……………………………………………………………………...3 2.2 Descriptif technique……………………………………………………………..3 2.3 Echangeurs de type "Spirales / Corbeilles" installé sur la zone ECLIPSE

…………………………………………………………………………………………4 3. Implantation des échangeurs compacts de type "Spirale"…………………………….6

3.1 Mise en place des sondes HELIX en PE-Xa et en Cuivre……………….....6 3.2 Réalisation de la sonde en cuivre de 3 m…………………………………….7 3.3 Mesure des températures par les fibres optiques……………………………8 3.4 Mise en place des sondes HELIX……………………………………………..9

Annexe 2 : Compléments des résultats d’expériences (graphiques non présentés dans le rapport)……………………………………………………………………………………………….13

1. Essai 1 : Cuivre Plastique……………………………………………………………….13 2. Essai 3 : Série Parallèle…………………………………………………………………14 3. Essai 4 : Alignés Empilés………………………………………………………………..16

Annexe 3 : Bibliographie des modélisations de corbeilles géothermiques……………………18

Présentation de l’entreprise Créé en 1959, le BRGM (Bureau des Recherches Géologiques et Minières) est un établissement public, à caractère industriel et commercial, dans le domaine des applications des sciences de la terre et qui emploie 1060 personnes. Il est placé sous la tutelle du Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche ainsi que du Ministère de l’Ecologie, de l’Energie, du Développement Durable et de la Mer. Le BRGM est implanté


dans 22 régions administratives métropolitaines, dans 4 Départements d’Outre-mer et une collectivité d’Outre-mer. Cet organisme est amené à apporter une compréhension des phénomènes géologiques, à développer des méthodologies et techniques nouvelles, à produire et diffuser des données du sol précises et de qualité. Ces données permettent alors d’améliorer la gestion des sols et des ressources et à la prévention des risques naturels et des pollutions. Les thèmes de recherches sont variés. On ne dénombre pas moins de 10 domaines distincts : géologie, ressources minérales, eau, après-mine, risques naturels, stockage géologique de CO2, sites et sol pollués, gestion des déchets, métrologie, système d’information. Le département géothermie, au sein duquel j’ai effectué mon projet de fin d’étude, est très récent. Il a été créé fin 2006 et permet au BRGM d’amplifier sa contribution pour l’essor de la géothermie et de participer à la promotion de cette source d’énergie.

Documents

Etude du comportement thermique d’un échangeur ...eprints2.insa-strasbourg.fr/870/1/Synthèse_Charlotte_BECMEUR.pdf · Etude du comportement thermique d’un échangeur ... Cependant,