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Étude par simulation sur TRNsys de systèmes de production

d'eau chaude sanitaire à Singapour

Anas MAJDOULI, Élève Ingénieur INSA Lyon

Jury : M. Roger (TE & MCF) & R. GOURDON (PR)

Supervisé par : Assoc. Pr. R. HELLWIG & Dr. M. A. WAHED,

SERIS [SEEB cluster] – National University of Singapore

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ObjectifsObjectifs globaux du SIRD:

- S'apprivoiser à un nouveau logiciel de simulation : TRNsys

- Se développer, acquérir de nouvelles compétences dans le monde de la recherche scientifique à l’étranger.

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ObjectifsObjectifs de l’étude :

- Comparer différents systèmes de production d’ECS :

Performance Impacts financiers et environnementaux

- En apprendre davantage sur la faisabilité à Singapour du :

Remplacement de l’électricité par du gaz naturel comme source d’énergie.

Couplage à un système solaire thermique.

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Situation énergétique de Singapour en 2014

Ressources énergétiques hydrauliques et géothermiques difficilement

accessibles, vitesse du vent faible (< 2 m.s-1) & espace restreint (710 km²).

Dépendance aux importations de combustibles fossiles.

◦ Pétrole brut, produits pétroliers, gaz naturel, etc.

Assurer sécurité & efficacité énergétiques Investissement dans la R&D

Énergies renouvelables Énergie solaire SERIS (Solar Energy Research

Institute of Singapore)

Figure 1 - Répartition de l'énergie finale (TFEC) par secteur de consommation

Quelque chiffres pour l’année 2014 à Singapour :

TFEC (Energie finale) = 156 TWh

◦ Résidentiel = 4,9 % soit 7,6 TWh (87 % électricité & 13 % G.N)◦ Propriétés privées : 2,8 TWh

d’électricité consommée en 2014 à Singapour, dont 21 % sont destinées à la production d’ECS (i.e. environ 0,6 TWh)

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Production de l’ECS à SingapourTypes de chauffe-eau

Chauffe-eau instantané Ballon d’eau chaude

Figure 2 – Schéma d’un chauffe-eau électrique (gauche) et au gaz (droite)

Figure 3 – Schéma d’un ballon d’eau chaude électrique

Figure 4 – Schéma d’un ballon d’eau chaude solaire à appoint électrique

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Approche de l’étude Étape 1 : Collecte et préparation des données

météorologiques ◦ Données recueillies de la station météo de NUS, et fournies par le groupe SES.◦ Données fournies : température ambiante [°C] et irradiance solaire global [W.m-

2]

Étape II : Génération du profil journalier de consommation d’ECS◦ Consommation journalière d’eau par habitant [L] fournie par (PUB) : 160 L◦ Part d’eau consommée pour la douche [ % ] : 21 %◦ Besoins en eau chaude pour la douche [ % ] : 67 % Consommation journalière d’eau chaude par habitant pour la douche [L] : 31 L Consommation journalière d’eau chaude par foyer type pour la douche [L] : 134

L◦ Utilisation du logiciel DHWCalc pour générer un profil de consommation

journalière [kg.hr-1]: variations saisonnières, ratio de consommation jours de semaine/jours de weekend, etc.

Étape III : Simulation sur TRNsys et récupération des résultats obtenus◦ 4 systèmes de production d’ECS = 4 cas d’étude = 4 worksheets◦ Observation de l’évolution des différentes grandeurs dans une fenêtre

graphique, puis récolte des valeurs sur fichiers texte pour analyse, comparaison, etc.

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Approche de l’étude Étape IV : Performance des systèmes

◦ Pour une simulation sur 24h, la consommation globale d’énergie, les pertes thermiques, et le gain d’énergie sont déterminée pour chaque cas.

Étape V : Comparaison des systèmes ◦ Pour une simulation sur 365 jours, les économies d’énergie, réductions de coûts

et réductions des émissions de CO2 sont déterminées pour chaque cas.

Étape VI : Commentaires et conclusions

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Modélisation sur TRNsys

HYPOTHÈSES : Type de logement : Propriété privée de plus de 4

personnes

(4,3 selon le Department of

Statistics of Singapore 2014)

Point d’utilisation : Douche

(67% de la demande totale

d’eau chaude sanitaire)

Les 4 simulations utilisent le même profil

journalier de consommation d’ECS et les mêmes

données météorologiques, qui ont été

implémentés dans les composants de TRNsys

correspondants. La température de consigne est également

identique : 45 °C

4 systèmes de production d’ECS : 2 chauffe-eaux instantanés (électrique et au gaz), un

ballon d’eau chaude classique et un ballon d’eau chaude solaire, à appoint électrique.

0 5 10 15 200

5

10

15

20

25

30

35

Time [Hours]

Flow

rat

e [

kg/h

r]

Figure 5 - Profil journalier de consommation d’ECS

9

Cas n°1 : Chauffe-eau instantané électrique

Figure 6 – Modélisation sur TRNsys d’un chauffe-eau instantané électrique

10

Cas n°2 : Chauffe-eau instantané au gaz naturel

Figure 7 – Modélisation sur TRNsys d’un chauffe-eau instantané au gaz

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Cas n°3 : Ballon d’eau chaude avec appoint électrique

Figure 8 – Modélisation sur TRNsys d’un ballon d’eau chaude électrique

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Cas n°4 : Ballon d’eau chaude solaire avec appoint électrique

Figure 9 – Modélisation sur TRNsys d’un ballon d’eau chaude solaire à appoint électrique

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Résultats :1. Performance des systèmes2. Comparaison des systèmes 1. Performance des systèmes Simulation sur 24h : 1er Juin 2014

(période de simulation de 3624 h à 3648 h) Observation de profils de température à différents niveaux du

chauffe-eau, profils de consommation d’énergie et de pertes thermiques, ainsi que leur évolutions en mode dynamique avec le profil de consommation journalière d’eau chaude. Pour le ballon d’eau chaude solaire, l’irradiance solaire est également représentée.

Observation de phénomènes thermiques :a) « cold water sandwich » pour les chauffe-eaux instantanés.

b) Stratification et inversion thermiques pour les ballons d’eau chaude lors de l’activation de la résistance chauffante.

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Résultats :1. Performance des systèmes À retenir : Dans les cas n°1 et 2, les deux chauffe-eaux instantanés

(électrique et au gaz) fournissent de l’eau chaude à une température relativement constante, mais requièrent un délai de 6 minutes pour l’atteindre.

Dans les cas n°3 et 4, les deux ballons d’eau chaude (classique et solaire à appoint électrique) autorisent une plage de température plus large. Cependant, de l’eau chaude est toujours disponible au sommet du réservoir.

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Résultats :2. Comparaison des systèmes : Simulation sur 365 jours (Année 2014) Chauffe-eaux couramment utilisés à Singapour :

Chauffe-eau instantané électrique et ballon d’eau chaude à appoint électrique Références pour l’étude comparative

_ Source d’énergie : Chauffe-eau instantané électrique VS Chauffe-eau instantané au gaz

_ Apport solaire : Ballon d’eau chaude électrique VS Ballon d’eau chaude solaire à appoint électriqueRemarque 1 : Pour le ballon d’eau chaude solaire (Thermal STWH), l’énergie consommée effective représente l’énergie non solaire, qui consommée par l’appoint électrique. C’est l’énergie payée par l’utilisateur.

Remarque II : Seul le coût de fonctionnement est considéré pour les réductions de coûts dans cette étude comparative.

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Économies d’énergie

Source d’énergie : ElecGaz + 184 kWh / an, soit +15 % de l’énergie consommée par le chauffe-eau inst. électrique. Chauffe-eau inst. au gaz a un rendement légèrement plus faible que le chauffe-eau inst. électrique. Apport solaire : - 642 kWh / an, soit -37 % de l’énergie consommée par un ballon d’eau chaude électrique.

Au niveau domestique :

Electrical ITWH

Gas ITWH Electrical STWH

Thermal SDWH

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

1125

1309

1717

1075Q

_con

s [kW

h]

ASSUMPTIONS:

HOUSEHOLD: LANDED PROPERTY

SIZE: 4.3

USE: SHOWER

SET POINT TEMPERATURE: 45 °C

YEAR: 2014

Figure 10 – Consommation énergétique annuelle pour la production d’ECS à l’échelle domestique [TRNsys]

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Économies d’énergie

Source d’énergie : ElecGaz + 200 GWh / an, soit +15 % de l’énergie consommée par le chauffe-eau inst. Électrique. Apport solaire : - 415 GWh / an, soit - 37 % de l’énergie consommée par un ballon d’eau chaude électrique.Remarque : Le ballon d’eau chaude électrique a une capacité de 57 L et le ballon d’eau chaude solaire à appoint électrique a une capacité de 300 L.

Au niveau national :

ASSUMPTIONS:

HOUSEHOLD: LANDED PROPERTY

SIZE: 4.3

USE: SHOWER

SET POINT TEMPERATURE: 45 °C

YEAR: 2014

NO. OF LANDED PROPERTIES IN SG*:

645,975

*2014 – DEPARTMENT OF STATISTICS SINGAPORE

Electrical ITWH

Gas ITWH Electrical STWH

Thermal SDWH

0

200000

400000

600000

800000

1000000

1200000

726573

845782

1108919

694423Q

_con

s [M

Wh]

Figure 11 – Consommation énergétique annuelle pour la production d’ECS à l’échelle nationale [TRNsys]

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Réduction de coûts

Source d’énergie : ElecGaz - 9 millions de dollars, soit - 6 % du coût de fonctionnement du chauffe-eau inst. électrique. À Singapour, l’électricité coûte 18,6 % plus cher que le gaz. Apport solaire : - 93 millions de dollars, soit - 37 % du coût de fonctionnement du ballon d’eau chaude électrique.

Au niveau national :ASSUMPTIONS:

HOUSEHOLD: LANDED PROPERTY

SIZE: 4.3

USE: SHOWER

SET POINT TEMPERATURE: 45 °C

YEAR: 2014

ENERGY TARIFFS*:

ELECTRICITY: 1 KWH = $ 0.2241

GAS: 1 KWH = $ 0.1825

*2015 - SINGAPORE POWER LTD

Electrical ITWH Gas ITWH Electrical STWH

Thermal SDWH0

50

100

150

200

250

300

163154

249

156

Ope

ratin

g Co

st ($

Mill

ion)

Figure 12 – Coûts de fonctionnement pour la production d’ECS à l’échelle nationale [TRNsys]

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Réduction des émissions de CO2

Source d’énergie : ElecGaz - 0,21 Mt de CO2, soit - 56 % des émissions de CO2 du fait de l’utilisation de l’électricité comme source d’énergie. À Singapour, le Facteur d’Émission (ECF) de CO2 de l’électricité est 64 % plus grand que l’ECF du gaz. Apport solaire : - 0,21 Mt de CO2, soit - 37 % du coût de fonctionnement du ballon d’eau chaude électrique.

Au niveau national :ASSUMPTIONS:

HOUSEHOLD: LANDED PROPERTY

SIZE: 4.3

USE: SHOWER

SET POINT TEMPERATURE: 45 °C

YEAR: 2014

ENERGY CONVERSION FACTORS FOR SG *: [KG CO2/KWH]

ELECTRICITY: 0.5051

GAS: 0.1840

*2015 - DEFRA Electrical ITWH Gas ITWH Electrical

STWHThermal SDWH

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.37

0.16

0.56

0.35

CO2

Emiss

ions

[Mt]

Figure 13 – Émissions de CO2 pour la production d’ECS à l’échelle nationale [TRNsys]

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ConclusionsÀ retenir : Source d’énergie : le changement électricité – gaz est une

solution plus écologique et relativement économique. Apport solaire : permet de réduire considérablement le coût de

fonctionnement. Un 5ème système est à considérer : ballon d’eau chaude solaire à

appoint chaudière à gaz.

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MERCI POUR VOTRE ATTENTION !DES QUESTIONS