REDUCTION DES BESOINS DE CHAUFFAGE PAR STOCKAGE DE CHALEUR EN SOUS-SOL, PREMIERS RESULTATS IN-SITU.

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1 REDUCTION DES BESOINS DE CHAUFFAGE PAR STOCKAGE DE CHALEUR EN SOUS-SOL, PREMIERS RESULTATS IN-SITU. REDUCING HEAT NEEDS BY UNDERGROUND STORAGE, PRELIMINARY RESULTS FROM IN SITU EXPERIMENT David AMITRANO 1, Benjamin BOILLOT 2 et Fabien BRYUAT 2, 1 LGIT, CNRS - Université J. Fourier, Grenoble 2 INES, CEA, Chambéry RÉSUMÉ Nous présentons les premiers résultats d une expérience de stockage de chaleur solaire en sous-sol à proximité d un bâtiment. Un réseau de capteurs enterrés permet une estimation quantitative des gains thermiques. Nous montrons ainsi expérimentalement que le système proposé permet une amélioration significative de la recharge estivale du sous-sol et réduit ainsi les déperditions du bâtiment. ABSTRACT This work presents the first results of an underground heat storage experience near a building. A net of buried thermal sensors allows us to estimate quantitatively the enhancement of the summer thermal recharge. We show that the enhancement reaches several degrees and allows a significant reduction of the thermal needs of the building. 1. Introduction La question de l utilisation de la chaleur estivale pour réduire les besoins de chauffage des bâtiments est une préoccupation particulièrement d actualité. En effet la réduction de la consommation énergétique des bâtiments fait l objet d une attention de plus en plus soutenue tandis que des ruptures d approvisionnement en énergie se multiplient en hiver. Dans les zones géographiques telles que la France, le fort contraste thermique entre les saisons fait apparaître le paradoxe d un excès de chaleur estivale, nécessitant des protections contre la surchauffe (occultations des ouvertures, forte inertie thermique, système de rafraichissement), et un besoin d apport en énergie thermique lors de la période de chauffe. A une échelle de temps plus courte ce paradoxe peut exister également dans l alternance jour/nuit. Si on considère la ressource énergétique solaire, ce paradoxe peut se résumer au fait que les apports solaires sont les plus importants lorsque le bâtiment en a le moins besoin. Ceci a conduit à la recherche de solutions de valorisation de la chaleur estivale pour la période de chauffe. A l échelle de temps de la journée, la conception climatique vise à utiliser l inertie du bâtiment en permettant un stockage de chaleur dans les éléments massifs et d obtenir ainsi un lissage des fluctuations de température (Fraisse et al, 2006). Les systèmes solaires thermiques avec un volume de stockage suffisant permettent quant à eux une valorisation de la ressource solaire étendue à plusieurs jours (Balcomb, 1984). Pour des durées plus importantes, les systèmes les plus simples consistent à utiliser le proche sous-sol comme réservoir de chaleur (Dincer, 2002 ;Karacavus et Can, 2009). 763

2 En effet, la diffusion de la chaleur entre la surface et la profondeur fait apparaître un déphasage et un amortissement des variations de température imposée en surface par les fluctuations climatiques. Ceci est utilisé en particulier par les systèmes géothermiques de proche surface (profondeur de l ordre du mètre), dans lesquels une pompe à chaleur prélève de la chaleur dans le sol pour la fournir au bâtiment. Ceci est également valorisé dans des systèmes plus simples et moins couteux énergétiquement constitué d un échangeur air/sol et consistant à faire circuler de l air dans une gaine enterrée à quelques m de profondeur (Hollmuller et Lachal, 2001). Ce système appelé communément «puits canadien» en France et parfois «puits provençal» lorsqu il sert à rafraîchir l habitation, connaît un développement important depuis quelques années. L inertie du sous-sol peut également et plus simplement encore être valorisée dans la conception climatique en enterrant ou en adossant une partie du bâtiment au terrain lorsque sa morphologie le permet (Anselm, 2008 ; Kumara et al, 2007). Dans la plupart des systèmes présentés précédemment le transport de chaleur se fait par diffusion naturelle. Ainsi la recharge estivale est induite par le simple fait que la température de surface est plus élevée que celle du sous-sol. Le rayonnement solaire contribue également à la recharge dans la proportion imposée par le coefficient d absorption de la surface du sol. L utilisation du sous-sol comme réserve de fraicheur pour le rafraichissement en période de canicule, que ce soit par le biais d une pompe à chaleur ou d un échangeur air/sol permet une recharge thermique plus efficace et plus rapide, mais limitée à la période de forte chaleur estivale (Li et al, 2006 ;Mustachi et al, 1981 ;Shelton, 1975 ). Des systèmes de stockage de chaleur sous-terrain de grande ampleur ont également été développés en recourant à des capteurs solaires comme source de chaleur et à des volumes de stockage importants, plus ou moins isolés thermiquement. Le transport de chaleur est dans ce cas assuré par une circulation d eau. Le principal problème tient aux déperditions thermiques qui, même avec une isolation importante, sont loin d être négligeables pour des durées de stockage saisonnières. La dimension du stockage conditionne également la surface de capteurs solaires qui doit permettre une élévation significative de la température dans un temps assez court (Ucar et Inalli, 2005 ; Wang et Qi, 2008 ; Wang et al, 2009). Ici nous présentons un dispositif original de valorisation et de stockage de la chaleur estivale utilisant un système solaire combiné (SSC) et conçu pour que les déperditions du stockage bénéficient au bâtiment. 2. Principe de fonctionnement Nous présentons une expérience originale de stockage de chaleur collectée par un système solaire combiné (SSC). Le SSC comprend une surface de 15 m 2 de capteurs solaires thermiques plans et un ballon de stockage de 1000 l d eau glycolée assurant à la fois la production d eau chaude sanitaire et le chauffage du bâtiment. En période estivale, la réserve de chaleur est largement surdimensionnée par rapport aux besoins du bâtiment. Ainsi lorsque la température dans le ballon est supérieure à 60 C et que la présence du soleil est assurée pour plusieurs heures, le ballon alimente un émetteur de chaleur enterré à proximité du soubassement du bâtiment. L émetteur est constitué d une poutre en béton armé de 0.4 m 3 (0.3x0.3x4.5 m) comprenant un tube en polyéthylène réticulé de 9 m de longueur 764

3 connecté au ballon de stockage par le biais d un circulateur. Un isolant synthétique de 6 cm d épaisseur a été disposé sous et à l arrière de l émetteur afin de privilégier la diffusion de chaleur en direction du bâtiment. La distance entre l émetteur et le bâtiment (1,5 m) a été dimensionnée pour permettre un déphasage de l ordre d 1 mois entre la mise en chauffe et la diffusion vers le bâtiment. Ce dispositif permet également l amélioration de la recharge thermique du sol à proximité du puits canadien dont est équipé le bâtiment. De la même façon, la distance avec les gaines de puits canadien permet d éviter une surchauffe estivale tout en améliorant ses performances en automne. Ainsi une partie significative des pertes thermiques de ce stockage bénéficient directement au bâtiment (50% si on considère une diffusion isotrope) en réduisant ses besoins de chauffage et en retardant la mise en chauffe automnale. La durée de chauffe a été fixée à 6 heures continues par jour, correspondant au maximum de rayonnement solaire et a été réduite en cas de manque de soleil au cours de la journée, pour ne pas pénaliser les besoins du bâtiment. Ce système a fonctionné 20 jours au cours de l été 2008 et 40 jours au cours de l été Depuis octobre 2007, un réseau de capteurs de température (32 capteurs enterrés) permet de suivre le champ de température à différentes profondeurs et à différentes distances du bâtiment, ainsi que le long du puits canadien (cette partie n est pas présentée ici). Ce suivi à long terme a permis de quantifier l impact de ce système sur la distribution de température du sous-sol en comparant la période initiale sans recharge artificielle (printemps été 2008) et des périodes suivantes (été ). Cette expérience montre que l amélioration de la recharge thermique estivale peut atteindre plus de 5 C à proximité du bâtiment et ainsi retarder la mise en chauffe du bâtiment de plusieurs semaines sans altérer son confort estival. Ainsi ce type d installation est en mesure de réduire significativement les besoins de chauffage d un bâtiment en valorisant l énergie solaire estivale, avec un surcoût négligeable pour un bâtiment équipé d un système solaire combiné. 2. Bâtiment instrumenté et dispositif de mesure Le bâtiment instrumenté est une maison d habitation a très faibles besoins énergétiques en chauffage (24 kwh/m 2 /an) dont la conception a été optimisée pour l adapter au mieux à la morphologie du terrain (pente de 30 à 35 % et exposition au sud) en réduisant le plus possible les mouvements de terre. Il comprend 2 niveaux sur un sous-sol enterré. Le niveau 1 (rez) est adossé au terrain coté nord. Cette configuration permet au bâtiment de bénéficier largement de l inertie thermique du sol. L objectif du dispositif présenté ici est d améliorer la recharge thermique du sol dans la partie la plus profonde. Ce bâtiment comprend un puits canadien constitué de deux gaines de polyéthylène haute densité (PEHD), de longueur 25 m, enterrées à une profondeur variant de 2 à 4,5 m. Cet échangeur a pour fonction de réduire les pertes de chaleurs dues à la ventilation en hiver, et de permettre un rafraichissement en été. Un by-pass permet de neutraliser son fonctionnement en inter saison, tout en assurant la recharge thermique du sol entourant les gaines. Le puits n a pas été mis en service au cours de la première phase d expérimentation présentée ici, afin d isoler l effet de l émetteur de chaleur seul. Sa mise en route future permettra de caractériser son apport en termes de réduction des besoins de chauffage. Bien que ce dispositif soit instrumenté pour le suivi des températures dans les gaines, ces résultats ne sont pas présentés ici. 765

4 Un ensemble de 32 capteurs thermiques a été disposé dans le terrain à différentes profondeurs autour du bâtiment, profitant des phases de décaissement du terrain avant construction puis de remblaiement lors de la remise en place des terres. L implantation des capteurs et de l émetteur de chaleur est représentée en un plan horizontal dans la figure 1 et en plan vertical dans la figure 2. Figure 1. Implantation de l emetteur de chaleur, du puits canadien et des capteurs thermiques dans le sol autour du bâtiment instrumenté, vue en plan. En bleu les gains de puits canadien, en rouge l émetteur de chaleur. Les points rouges indiquent la position des capteurs thermiques dans la gaine A. Les capteurs sont répartis régulièrement entre la surface et une profondeur de 2 m pour la section sud et de 5 m pour la section nord en respectant un espacement de 0.5 m. Les sections de mesures sont composées chacune d une ligne verticale située à 1.5 m du bâtiment et de lignes horizontales permettant une mesure de la température en fonction de la distance aux parois du bâtiment. Les capteurs de température sont des sondes platines 100 Ohms (PT100) installées au centre d une «chaussette» de geotextile de 10 cm de diamètre environ remplie de sable. Ce dispositif permet à la fois une bonne protection mécanique de la sonde et un contact assurant une bonne transmission thermique entre le sol et la sonde. La connexion des sondes vers le système d acquisition est réalisé par un montage 3 fils qui permet de corriger l effet de la longueur des câbles de connexion. Le système d acquisition est constitué d une carte de conditionnement et de numérisation de signal multivoie (National Instrument) reliée à un ordinateur assurant l enregistrement des données de chaque capteur toutes les 10 minutes. 766

5 Figure 2. Détails de l implantation des capteurs dans les sections sud et nord. Les gaines du puits canadien ainsi que l émetteur de chaleur sont visibles dans la section nord. 767

6 3. Premiers résultats Nous présentons ici les principaux résultats observés dans la section nord. La figure 3 présente l évolution du champ de température à différentes profondeurs dans la section nord. On vérifie tout d abord que les fluctuations de température en surface sont nettement atténuées d autant plus que la profondeur augmente. Cette atténuation s accompagne d un déphasage qui augmente également avec la profondeur et atteint deux mois à 5 m. La température de surface peut être ajustée par une courbe sinus de période annuelle, de moyenne 12.5 C et d amplitude 11 C. La phase est ajustée pour faire correspondre le minimum au mois de janvier et le maximum au mois de juillet, comme observé expérimentalement. La période d étude comprend une première phase de chauffe de 20 jours entre le 15 aout et le 1 er octobre 2008 et une seconde phase de 40 journées entre le 4 aout et le 5 octobre Ces phases induisent une élévation de la température en profondeur (4.5 et 5 m). La surchauffe par rapport à la fluctuation saisonnière naturelle, estimée à partir des mesures dans la section sud, et par comparaison avec l automne 2007, est de l ordre de 3 C en 2008 et de 6 C en Figure 3. Températures mesurées à différentes profondeurs dans la section nord de novembre 2007 à janvier 2010 (haut) et à la surface du sol (bas). La courbe pointillée noire représente l ajustement en sinus de la température de surface. La figure 4 présente le détail des mesures à proximité de l émetteur de chaleur pour la seconde période. La réserve de chaleur au cours des périodes de chauffe est suffisante pour élever la température de l émetteur à environ C, après une période de 6 heures de chauffe. La durée de relaxation complète de la surchauffe de l émetteur est de l ordre 10 jours. La succession de journées de chauffe provoque une dérive de l ensemble des températures d autant plus lente que la distance à l émetteur est importante. Ainsi après 1 mois de fonctionnement ce dispositif permet d augmenter la température du sol à proximité du bâtiment de 6 à 10 C ce qui correspond à une quantité de chaleur supplémentaire de l ordre de 20 MJ par m 3 de 768

7 sol, qui demeure modeste en terme de stockage. Cependant, si on considère une température du bâtiment de 20 C et une température naturelle du sol de 10 C. L élévation de température de 6 C induite par le dispositif présenté ici induit une réduction des échanges entre le bâtiment et le sol de 60%, par la simple réduction du différentiel de température. Figure 4. Températures mesurées à proximité de l émetteur de chaleur pendant la phase de chauffe de l été Les deux points de mesures 4 et 5 sont situés à l intérieur de l émetteur. Les trois autres points correspondent à des distances croissantes par rapport à l émetteur et donc décroissantes par rapport au bâtiment (voir plan d implantation en figure 2). Figure 5. Comparaison entre les années 2008 et 2009 des températures mesurées à différentes profondeurs. Les mesures correspondent aux sondes n 19 à 0.5 m, n 16 à 2 m, n 19 à 3.5 m et n 3 à 5 m. La comparaison interannuelle des températures à différentes profondeurs (figure 5) permet d identifier l effet de la recharge thermique artificielle induite par l émetteur de chaleur. En effet, on peut observer que l évolution de la température à faible 769

8 profondeur (0.5 et 2 m), pour laquelle l effet majeur revient à la température de surface du sol montre très peu d écarts entre les années 2008 et On observe une année 2009 légèrement plus chaude en septembre et octobre avec un écart de l ordre de 2 C, qui disparaît vers mi-octobre. L écart observé en décembre et janvier peut être attribué au couvert neigeux présent en 2009 mais pas en 2008, qui réduit les échanges thermiques du sol avec l atmosphère. En revanche, à plus grande profondeur, on observe un écart important entre les deux années que l on peut attribuer au fonctionnement de l émetteur de chaleur sur une durée deux fois plus importante en 2009 qu en Cet écart atteint environ 5 C et reste significatif jusqu en janvier. 4. Conclusions Nous avons présenté une expérience en vraie grandeur d amélioration de la recharge thermique du sous-sol en période estivale utilisant le surplus de production de chaleur d un système solaire. Les mesures de températures montrent une efficacité permettant un gain d environ 5 C pour le sol au contact de la partie enterrée du bâtiment. En comparaison avec un recharge naturelle ce gain représente une diminution des pertes du bâtiment vers le sol de près de 60 % pendant la période automnale. Le surcout du dispositif pour un bâtiment déjà équipé d un système solaire se résume à l émetteur enterré, ce qui est négligeable au regard des coûts de construction. Ainsi ce type de procédé pourrait être aisément développé pour les bâtiments présentant un contact important avec le sous-sol. 5. Références bibliographiques Anselm A. J. (2008) Passive annual heat storage principles in earth sheltered housing, a supplementary energy saving system in residential housing, Energy and Buildings, 40(7), Balcomb, J.D. (1984) Passive solar research and practice, Energy and Buildings, 7(4), Dincer, I., (2002) On thermal energy storage systems and applications in buildings, Energy and Buildings, 34(4), Fraisse G., Johannes K., Trillat-Berdal V., Achard G. (2006) The use of a heavy internal wall with a ventilated air gap to store solar energy and improve summer comfort in timber frame houses Energy and Buildings, 38(4), Hollmuller P., Lachal B. (2001) Cooling and preheating with buried pipe systems: monitoring, simulation and economic aspects Energy and Buildings, 33(5), 2001, Karacavus B., Can A. (2009) Thermal and economical analysis of an underground seasonal storage heating system in Thrace, Energy and Buildings, 41(1), Kumara R., Sachdevab S., Kaushik S.C. (2007) Dynamic earth-contact building: A sustainable lowenergy technology, Building and Environment, 42, Li X., Chen Y., Chen Z., Zhao J. (2006) Thermal performances of different types of underground heat exchangers, Energy and Buildings, 38(5), Mustacchi C., Cena V., Rocchi M. (1981) Long-term storage of solar heat, Energy and Buildings, 3(2), Shelton J. (1975) Underground storage of heat in solar heating systems, Solar Energy, 17(2), Ucar A., Inalli M. (2005) Thermal and economical analysis of a central solar heating system with underground seasonal storage in Turkey, Renewable Energy, 30(7), Wang H., Qi C. (2008) Performance study of underground thermal storage in a solar-ground coupled heat pump system for residential buildings, Energy and Buildings, 40, Wang H., Qi C., Wang E., Zhao J. (2009) A case study of underground thermal storage in a solarground coupled heat pump system for residential buildings, Renewable Energy, 34(1),