Caractérisation thermique des sols pour le régime transitoire

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1 Caractérisation thermique des sols pour le régime transitoire Jian LIN, Jean-David GRANDGEORGE, Sandrine BRAYMAND, Christophe FOND IUT Robert Schuman, Université de Strasbourg 15/11/2012 Introduction Construction durable : diminution de la consommation énergétique du bâtiment Valorisation de l énergie du sol : géothermie HIVER ETE SOL Envelopp e isolante SOL Envelopp e isolante Émission de chaleur Ambiance à créer Prélèvement de chaleur Ambiance à créer 2

2 Introduction Géothermie de surface : profondeur inférieure à 100m Source d énergie : température quasi-constante 100m 3 Introduction Systèmes géothermiques de surface : Influencés par la température ambiante Sollicitations thermiques non stationnaires Objectif : caractérisation thermique des sols en régime non stationnaire / transitoire afin de modéliser les puits canadien construits sur le site de l IUT Robert Schuman 4

3 Table de matière Essais de caractérisations thermiques de sols Propriétés thermiques des différents sols Modélisation d un système géothermique 5 Dispositif expérimental Une boîte de 40cm x 60cm x 30cm(h) isolée en bas et aux côtés latéraux Une plaque chauffante de puissance constante en bas Système d acquisition Plaque chauffante Polystyrène 6

4 Détermination de la conductivité thermique Méthode du plan chaud avec un échantillon: Perte de chaleur sur surfaces latérales négligeable Transfert de chaleur unidimensionnel Isolants T2 Sols testés Système d acquisition T1 Plaque chauffante Alimentation(230V) 7 Détermination de la conductivité thermique Déterminer la conductivité thermique λ : λ=p*e/(s*(t1-t2)) e : épaisseur du sol testé P : puissance du plaque chauffante S : surface du sol testé Validation de la méthode : λ-dans la λ Valeurs littérature mesurées Sable sec [W/(m.K)] ±0.02 [W/(m.K)] Argile sèche ±0.03 8

5 Détermination de la capacité thermique Méthode du test : Sol testé entièrement isolé Enregistrer la variation de température du sol en fonction du temps Isolants Sols testés Système d acquisition Alimentation(230V) 9 Détermination de la capacité thermique Détermination de la capacité thermique volumique ρ.cp: ρ.cp =P.t/(V.ΔT) P : puissance de la plaque chauffante t : temps du test V : volume du sol testé ΔT : variation de température du sol testé Validation de la méthode: ρ.cp - Dans la littérature [MJ/(m3.K)] ρ.cp - Valeurs mesurées [MJ/(m3.K)] Sable sec ±0.1 Argile sèche ±0.1 10

6 Table de matière Essais de caractérisations thermiques de sols Propriétés thermiques des différents sols Modélisation d un système géothermique 11 3 natures de sols: Sols testés Sable Argile Sable + argile (50%/50%) Différentes humidités de sols : Sable: 0%, 8%, 13%, 20% Argile: 0%, 10%, 22% Sable + argile: 0%, 11%, 21% 12

7 Conductivités thermiques des sols Conductivité thermiques λ mesurées : Humidité : conductivité Etat sec et état humide : valeurs similaires Etat saturé : Sable > Sable+Argile > Argile 13 Inerties thermiques des sols Capacités thermiques volumiques ρ.cp mesurées : Humidité : capacité thermique Sable et argile : valeurs similaire Etat saturé : valeur élevée pour Sable+Argile 14

8 Inerties thermiques des sols Diffusivité thermique a= λ/(ρ.cp) : Etat sec : petites valeurs Etat humide et état saturé : valeurs similaires Sable+Argile < Argile < Sable 15 Table de matière Essais de caractérisations thermiques de sols Propriétés thermiques des différents sols Modélisation d un système géothermique 16

9 Système étudié Systèmes géothermique avec des sondes horizontales: Ex: puits canadien à air et à eau Echangeur air/eau air Puits canadien à air Sollicitation thermique : Variation de température ambiante annuelle Puits canadien à eau 17 Modélisation du système Modèle air extérieur/sol massif + Modèle échangeur sol/échangeur Air extérieur Echange air extérieur/sol Air/Eau Sol massif Echangeur Echange sol/échangeur 3 natures de sols: Sable, Argile, Sable+Argile 2 niveaux de nappe étudiés: Nappe en surface : sols en état saturé Nappe en dessous de l échangeur: sols en état sec 18

10 Modèle air extérieur/sol massif Modèle du massif semi-infini : ət/ət=a(ə²t/əz²) Tsol(z,t)=Tmoy+Aexp(-z/d)cos(ω(t-t0)-z/d) a : diffusivité thermique z : profondeur d : (2a/ω) Example: Tmoy=15 C A=20 C z=2m Modèle air extérieur/sol massif Variation de température des sols: Etat saturé Etat sec Amortissement plus important en état sec Etat sec: courbes similaires Etat saturé: différence importante entre la sable et les autres sols 20

11 Modèle sol/échangeur Échangeur + sol dans la zone d échange thermique Sol massif T=T sol en profondeur Sol massif Tube Conduction Tube Conduction T ext Sol d échange thermique T sol a) coupe en section b) coupe longitudinale Condition aux limites isotherme pendant l échange Résistance thermique du tube négligée Ex: épaisseur du sol d échange thermique = 0.5m 21 Modèle sol/échangeur Calcul du gain thermique pour 1m de l échangeur pendant l hiver (Text<5 C) : Q=(Tsol-Text).S.t/Rsol Rsol : Résistance thermique du sol S : Surface du transfert Gain thermique [J] Sable Argile Sable+argile Etat sec 3.29E8 3.78E8 3.75E8 Etat saturé 2.08E9 1.39E9 1.65E9 Gains thermiques: sols saturés >> sols secs Gains en etat saturé : sable > sable+argile > argile 22

12 Conclusions et perspectives Conclusions : Montage et validation des essais pour caractériser les propriétés thermiques des sols Mesures des caractéristiques thermiques des 3 natures de sols en différentes humidités Modélisation d un système géothermiques avec des sondes horizontales Comparaison des gains thermiques du système dans différents cas Perspectives : Modéliser de la variation de conductivité thermique en fonction de humidité et de composition des sols Prendre en compte la variation journalière de la température ambiante dans le modèle du système géothermique 23 Conclusions et perspectives Modéliser les puits canaidien construits dans le site pilote de l IUT et les valider avec des données enregistrées Example du puits à air expérimental: Sol mélangé Sable Tsol Argile Tair à différentes sections 24