Synthèse du projet GEOSOL: Intégration énergétique dans ... · Synthèse du projet GEOSOL: Intégration énergétique dans les bâtiments par l’utilisation combinée de l’énergie

1

Les rencontres du PREBAT20-22 mars 2007, Aix-les-Bains

Synthèse du projet GEOSOL: Intégration énergétique dans les bâtiments par

l’utilisation combinée de l’énergie solaire et de la géothermie basse température

Valentin TRILLAT-BERDAL, Bernard SOUYRI, Gilbert ACHARD

LOCIE, Université de Savoie, Le BOURGET du LAC, FRANCE

2

Partenaires de l’étude

Laboratoire Optimisation de la Conception et Ingénierie de l’Environnement (LOCIE) : Valentin TRILLAT-BERDAL, Bernard SOUYRI, Gilbert ACHARD

ECO’Alternative :Pierre WATIER et Yves DUPORT

CIAT :Eric AUZENET

CLIPSOL :Philippe PAPILLON puis David CHEZE

1 laboratoire

3 partenaires industriels

3

Les échangeurs enterrés verticaux

Inconvénient : coût des forages élevé

Avantages : la surface de terrain mobilisée est très faible ; ils exploitent la stabilité de la température du sol en dessous de 10 mètres de profondeur : les performances sont maintenues constantes tout au long de l’année

1- Contexte de l’étude1.1 Principe de la géothermie basse température : exploiter l’énergie basse

température des couches superficielles du sol (profondeur < 100 m)

Source des images : D. Pahud, Geothermal energy and heat storage, SUPSI-DCT-LEEE, Laboratorio di Energia, Ecologia ad Economia, 2002, 133 p.

4

1- Contexte de l’étude1.2- Déséquilibre thermique du sol

Charges thermiques échangées avec le sol par des échangeurs géothermiques

Augmentation de la température moyenne du sol

Charges de refroidissement >> charges de chauffage du

bâtiment

Diminution de la température moyenne du sol : décharge thermique

Solutions déjà existantes :systèmes hybrides évacuant les

surplus de chaleur grâce à des tours de refroidissement

Solution : réinjecter de la chaleur dans le sol

Pas de solutions largement diffusées

Charges de chauffage >> charges de refroidissement

du bâtiment

5

1- Contexte de l’étude1.3- La décharge thermique du sol

Deux cas de figureFaible concentration des échangeurs

géothermiques dans le solConcentration importante des

échangeurs géothermiques dans le sol

La zone centrale est isolée des flux de chaleurs naturels du sol

Volume de sol « infini » autour des sondes géothermiques

Source : D. Pahud, Geothermal energy and heat storage, SUPSI-DCT-LEEE, Laboratorio di Energia, Ecologia ad Economia, 2002, 133 p.

6

1- Contexte de l’étude1.4- Intégration du solaire thermique et de la géothermie basse température

Géothermie : décharge thermique du sol par les échangeurs enterrés verticaux ;

Solaire thermique : énergie solaire sous-exploitée, problème de surchauffe des capteurs solaires thermiques due aux surplus d’énergie solaire.

Intégration de la géothermie et du solaire

Injection des surplus d’énergie solaire dans le sol : évite les surchauffes des capteurs solaires thermiques ;Meilleure exploitation de l’énergie solaire : utilisée pour recharger thermiquement le sol

Complémentarité de la GEOthermie et du SOLaire thermique (GEO-SOL)

7

2- Support de l’étude expérimentale

Objectifs de l’étude expérimentale :

Plate-forme d’essai en conditions de fonctionnement réelles ;

Avoir des données expérimentales permettant la validation de modèles numériques ;

Aides aux concepteurs et décideurs : donner accès aux performances réelles de systèmes couplant le solaire à la géothermie basse température.

Etude bibliographique

Volonté de simplicité technique et de fonctionnement

Schéma hydraulique du procédé

8

2- Support de l’étude expérimentale2.1- Schéma hydraulique du procédé GEOSOL

Capteurs solairesChauffe-eau

électro-solairePriorité : eau chaude solaire

Tcpt1 Tecs

C1

Chauffage solaire de l’eau chaude sanitaire

9


Capteurs solairesChauffe-eau

électro-solairePriorité : eau chaude solaire

Recharge thermique du

sol

Bouteille de découplage


Tcpt1 Tecs

C1

Tpuits1

C3

C4

M

Recharge thermique du sol – boucle de décharge

10


Capteurs solaires

Priorité : eau chaude solaire

Recharge thermique du

sol

PSD



Chauffe-eau électro-solaire

Tcpt1

C1

C7C2

T6

Tecs

M Text

Plancher solaire direct

Plancher solaire direct

11


Capteurs solaires

Extraction de chaleur du sol

Echangeurs enterrés

verticaux



Pompe à chaleur

Mode chaud

Plancher chauffant

Chauffe-eau électro-solaire

Tcpt1

C1

C3

C4C5

C6

C7C2

Tpuits1

Tecs

M Text

T4

Mode chauffage de la pompe à chaleur

12


Injection de chaleur dans le

sol

Echangeurs enterrés

verticaux



Plancher rafraîchissant

Mode rafraîchissement de la pompe à chaleur

C1

C3

C4C5

C6

C7C2

Tecs Chauffe-eau électro-solaire

Capteurs solairesTcpt1

Tpuits1

Pompe à chaleur

Mode froid

M Text

T4

13

2- Support de l’étude expérimentale2.2- Installation du procédé

Procédé testé dans une maison individuelle de 180 m² d’octobre 2004 à mars 2007

Site de construction : Savoie, à 490 m d’altitude

- Une pompe à chaleur (CIAT Auréa60Z) ;

- Deux échangeurs enterrés verticaux de 90 m de profondeur ;

- Émetteur basse température (157 m²) ;

- 12 m² de capteurs solaires thermiques ; - un ballon d’eau chaude électro-solaire de 500 l ;- deux bouteilles de découplage de 50 l.

Description de l’installation :

14

2.3- Métrologie2- Support de l’étude expérimentale

PAC

-

Tcpt1

Tcpt2

Tcpt11Tcpt21

Tecs0

Tecs

Tef

Tpc2

Tpc1T3

T4

T1

T2

Tpuits1

Tpuits2

Tcpt23

Tcpt13

C1

C7C6C5C4

C3

2 x Tsol5

2 x Tsol45

2 x Tsol85

BO

UT

EIL

LE

CA

SSE

PR

ESS

ION

N°1

BO

UT

EIL

LE

CA

SSE

PR

ESS

ION

N°2

T5

Tcpt12

Tcpt22

26 sondes de température (PT100 et PT1000) ;

8 compteurs volumétriques à impulsions ;

8 indicateurs de consommations électriques ;

et une station météo.

Objectifs de la métrologie :

vérifier le bon comportement de l’installation ;

obtenir les bilans énergétiques, avoir accès aux performances.

Pas de temps d’acquisition de 30 secondes (sauf météo : 5 min.)

15

3.1- Comportement de l’installation3- Résultats expérimentaux

16

3.1- Comportement

3- Résultats expérimentaux

Comportement de l’installation

le 14 avril 2005

PAC

-

Tecs0

T3

T4

Tpuits1

Tpuits2

C1

C7C6C5

C4

C3

Tsol5

Tsol45

Tsol85

20

30

40

50

60

70

80

Tem

péra

ture

[°C

]

0

1

0 =

arrê

t ; 1

= m

arch

e

TECS0Puisage ECSFonctionnement

C1Fonctionnement

C3

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Tem

péra

ture

s T3

, T4,

Tin

t, Te

xt,

Tpui

ts1

et T

puis

2 [°C

]0

2

4

6

8

10

12

14

16

TGD

45

T3

T4

Tsol45

Tpuits2

Tpuits1

Text

Tint

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

14/4/

05 3:

3014

/4/05

5:30

14/4/

05 7:

3014

/4/05

9:30

14/4/

05 11

:3014

/4/05

13:30

14/4/

05 15

:3014

/4/05

17:30

14/4/

05 19

:3014

/4/05

21:30

14/4/

05 23

:30

Pow

er [W

]

0

200

400

600

800

1000

1200

Tota

l rad

iatio

n on

hor

izon

tal s

urfa

ce

[W/m

²]

Circuit c6 : condenseur Puissance solaire injectée dans le sol

Circuit c5 : évaporateur

Ensoleillement plan horizontal

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

14/4/

05 3:

3014

/4/05

5:30

14/4/

05 7:

3014

/4/05

9:30

14/4/

05 11

:3014

/4/05

13:30

14/4/

05 15

:3014

/4/05

17:30

14/4/

05 19

:3014

/4/05

21:30

14/4/

05 23

:30

Pow

er [W

]

0

200

400

600

800

1000

1200

Tota

l rad

iatio

n on

hor

izon

tal s

urfa

ce

[W/m

²]

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

14/4/

05 3:

3014

/4/05

5:30

14/4/

05 7:

3014

/4/05

9:30

14/4/

05 11

:3014

/4/05

13:30

14/4/

05 15

:3014

/4/05

17:30

14/4/

05 19

:3014

/4/05

21:30

14/4/

05 23

:30

Pow

er [W

]

0

200

400

600

800

1000

1200

Tota

l rad

iatio

n on

hor

izon

tal s

urfa

ce

[W/m

²]




20

30

40

50

60

70

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Tem

péra

ture

[°C

]

0

1

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e

TECS0Puisage ECSFonctionnement

C1Fonctionnement

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10

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20

25

30

35

40

Tem

péra

ture

s T3

, T4,

Tin

t, Te

xt,

Tpui

ts1

et T

puis

2 [°C

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2

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6

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10

12

14

16

TGD

45

T3

T4

Tsol45

Tpuits2

Tpuits1

Text

Tint

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

14/4/

05 3:

3014

/4/05

5:30

14/4/

05 7:

3014

/4/05

9:30

14/4/

05 11

:3014

/4/05

13:30

14/4/

05 15

:3014

/4/05

17:30

14/4/

05 19

:3014

/4/05

21:30

14/4/

05 23

:30

Pow

er [W

]

0

200

400

600

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1000

1200

Tota

l rad

iatio

n on

hor

izon

tal s

urfa

ce

[W/m

²]




-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

14/4/

05 3:

3014

/4/05

5:30

14/4/

05 7:

3014

/4/05

9:30

14/4/

05 11

:3014

/4/05

13:30

14/4/

05 15

:3014

/4/05

17:30

14/4/

05 19

:3014

/4/05

21:30

14/4/

05 23

:30

Pow

er [W

]

0

200

400

600

800

1000

1200

Tota

l rad

iatio

n on

hor

izon

tal s

urfa

ce

[W/m

²]

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

14/4/

05 3:

3014

/4/05

5:30

14/4/

05 7:

3014

/4/05

9:30

14/4/

05 11

:3014

/4/05

13:30

14/4/

05 15

:3014

/4/05

17:30

14/4/

05 19

:3014

/4/05

21:30

14/4/

05 23

:30

Pow

er [W

]

0

200

400

600

800

1000

1200

Tota

l rad

iatio

n on

hor

izon

tal s

urfa

ce

[W/m

²]




17

3- Résultats expérimentaux3.2- Consommation électrique totale annuelle

par m² de surface habitable

Consommation électrique totale du procédé pour la 1ère année(appoint électrique pour ECS, compresseur PAC et tous les circulateurs)

Début novembre 2004 à fin avril

2005

Début mai 2005 à fin octobre 2005

Bilan première année

4 kWh/m² 30 kWh/m².an26 kWh/m²

18

3- Résultats expérimentaux3.3- Etude de l’injection d’énergie solaire dans le sol

Effet sur l’évolution du COP de la pompe à chaleur

-70-60-50-40-30-20-10

0

nov-

04

dec-

04

janv

-05

fev-

05

mar

s-05

avr-

05

mai

-05

juin

-05

juil-

05

août

-05

sep-

05

oct-0

5

nov-

05

dec-

05

janv

-06

fev-

06

mar

s-06

avr-

06

Ener

gie

[kW

h]

3.43.53.63.73.83.94.04.1

CO

P PA

C s

eule

Bilan énergie échangée avec le sol COP PAC seule

19

3- Résultats expérimentaux3.3- Etude de l’injection d’énergie solaire dans le sol

Injection du surplus d’énergie solaire dans le sol

Amélioration du COP de la PAC localisée aux mi-

saisons

Consommation électrique des

circulateurs annule l’amélioration du COP de la PAC

Taux de recharge thermique annuel du

sol : 30%

Faible temps de fonctionnement de la PAC

aux mi-saisons

Influence négligeable sur le bilan énergétique annuel

Influences à long terme (au bout de 20 ans de fonctionnement) ?

Recours à une modélisation numérique

20

4- Modélisation numérique du procédéObjectifs

étude de l’intérêt de la recharge thermique du sol à long terme (20 ans) pour l’habitat individuel et pour l’habitat collectif.

étudier différentes variantes couplant l’énergie solaire à la géothermie basse température : trouver un bon compromis entre simplicité du procédé et COP global ;

étude paramétrique ;

Outil utilisé : logiciel TRNSYS

Modélisation et simulation dynamique de procédés complexes

21

Intérêt de la recharge thermique pour l’habitat collectif5- Résultats numériques

Modèle de bâtiment :

Immeuble d’habitation de 36 logements répartis en 6 niveaux (96 occupants)

Bâtiment de 2004 m² habitable, consigne de 20°C ;

Ubat = 0,506 W/m².K ;

chauffage par planchers chauffants ;

Besoin en ECS : 3360 l par jour à 60°C, ballon ECS de 6000 l ;

100 m² de capteurs solaires thermiques par rapport aux besoins d’ECS (1m²/occupant).

22

5- Résultats numériquesIntérêt de la recharge thermique pour l’habitat collectif

Simulation du procédé GEOSOL à long terme et pour un immeuble de 36 logements

123456789

1011121314

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Temps [années]

Tem

péra

ture

moy

enne

du

sol [

°C]

100 m² de capteurs solaires, recharge thermique de 10%

200 m², 45%

300 m², 78%

400 m², 106%

123456789

1011121314

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Temps [années]

Tem

péra

ture

moy

enne

du

sol [

°C]

100 m² de capteurs solaires, recharge thermique de 10%

200 m², 45%

300 m², 78%

400 m², 106%

23


Taux de recharge thermique [%] 105 78 45 10Surface de capteurs solaires [m²] 400 300 200 100Température initiale du sol [°C] 11,6 11,6 11,6 11,6

Température moyenne du sol, 20ème

année

12 9,3 6,3 2,8

[°C] + 0,4 - 2,3 - 5,3 - 8,8Température moyenne du fluide dans

les puits (janvier 1ère année)1,3 1,3 1,3 1,3

Température moyenne du fluide dans les puits (janvier 20ème année)

1,6 -0,8 -3,5 -6,9

[°C ] 0,3 2,1 4,8 8,2COP de la PAC de janvier de la 1ère

année

4,07 4,07 4,07 4,07

COP de la PAC de janvier de la 20ème

année

4,12 3,82 3,48 3

[%] + 1,2 - 6,1 - 14,5 - 35,6

Tsol∆

1T∆

COP∆

Gel des échangeurs

géothermiques et du sol !

Diminution non acceptable du

COP de la PAC


Sol

Flui

de E

GV

CO

P PA

C

24




année

12 9,3 6,3 2,8




1,6 -0,8 -3,5 -6,9


année

4,07 4,07 4,07 4,07


année

4,12 3,82 3,48 3

[%] + 1,2 - 6,1 - 14,5 - 35,6

Tsol∆

1T∆

COP∆

Risque de gel limité

Diminution acceptable du

COP de la PAC

3m²/occupant


CO

P PA

CFl

uide

EG

VSo

l

25




année

12 9,3 6,3 2,8




1,6 -0,8 -3,5 -6,9


année

4,07 4,07 4,07 4,07


année

4,12 3,82 3,48 3

[%] + 1,2 - 6,1 - 14,5 - 35,6

Tsol∆

1T∆

COP∆


CO

P PA

CFl

uide

EG

VSo

l Couplage solaire – géothermie

totalement justifié pour l’habitat collectif

en terme de risque de gel

et de diminution des

performances

26

6- Conclusions : Utilisation combinée de l’énergie solaire et de la

géothermie basse température

L’intégration énergétique de l’énergie solaire et de la géothermie est opérationnelle :

-- coefficient de performances global du procédé de 2,4 ;

-- consommation électrique globale < 30 kWh/m².an ;

La recharge thermique du sol est effective :

- elle évite les problèmes de surchauffe des capteurs solaires thermiques ;

- amélioration du COP de la PAC en mi-saison, mais sans gain significatifs sur les bilans énergétiques annuels.

27



Pour l’habitat individuel et collectif : le couplage solaire – géothermie n’améliore pas significativement les performances à l’échelle annuelle ;

Pour l’habitat individuel : le couplage solaire – géothermie n’est pas indispensable. Evite néanmoins tout risque d’apparition de glace à long terme ;

Pour l’habitat collectif : le couplage solaire – géothermie est totalement justifié, permet de maintenir les performances à long terme et évite le gel du sol ;

Pour l’habitat individuel et collectif : consommation électrique globale du procédé < 35 kWh/m².an. Consommation plus faible tout à fait accessible avec plus de rigueur dans la conception (performances énergétiques du bâtiment, régulation optimale).

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Perspectives :

Développer des modèles d’échangeurs géothermiques prenant en compte des « zones centrales de sol » et des « zones périphériques de sol » ;

Travailler sur des systèmes de contrôle commande pour gérer les différentes sources d’énergie ;

Développer des outils de dimensionnement (capteurs solaires et échangeurs géothermiques) pour le collectif, prise en compte de pieux énergétiques ;

Etude du geocooling (freecooling ) : confort et effets sur la recharge thermique ;

Problématique générale du stockage de chaleur dans le sol : quel pourcentage de chaleur injectée dans le sol récupérons nous ?

29

Remerciements

Cette étude bénéficie du soutien financier de l’ADEME (Agence De l’Environnement

et de la Maîtrise de l’Energie), du PUCA (Plan Urbanisme Construction et

Architecture) et de l’Assemblée des Pays de Savoie.

Je vous remercie de votre attention et je suis à votre disposition pour répondre à vos questions

Documents

Synthèse du projet GEOSOL: Intégration énergétique dans ... · Synthèse du projet GEOSOL: Intégration énergétique dans les bâtiments par l’utilisation combinée de l’énergie