Les rencontres du PREBAT mars 2007, Aix-les-Bains. Valentin TRILLAT-BERDAL, Bernard SOUYRI, Gilbert ACHARD

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1 Les rencontres du PREBAT 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 1

2 Partenaires de l étude 1 laboratoire Laboratoire Optimisation de la Conception et Ingénierie de l Environnement (LOCIE) : Valentin TRILLAT-BERDAL, Bernard SOUYRI, Gilbert ACHARD 3 partenaires industriels ECO Alternative : Pierre WATIER et Yves DUPORT CIAT : Eric AUZENET CLIPSOL : Philippe PAPILLON puis David CHEZE 2

3 1- Contexte de l étude 1.1 Principe de la géothermie basse température : exploiter l énergie basse température des couches superficielles du sol (profondeur < 100 m) 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 Source des images : D. Pahud, Geothermal energy and heat storage, SUPSI- DCT-LEEE, Laboratorio di Energia, Ecologia ad Economia, 2002, 133 p. 3

4 1- Contexte de l étude 1.2- Déséquilibre thermique du sol Charges thermiques échangées avec le sol par des échangeurs géothermiques Charges de refroidissement >> charges de chauffage du bâtiment Augmentation de la température moyenne du sol Charges de chauffage >> charges de refroidissement 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 4

5 1- Contexte de l étude 1.3- La décharge thermique du sol Faible concentration des échangeurs géothermiques dans le sol Deux cas de figure Concentration importante des échangeurs géothermiques dans le sol Volume de sol «infini» autour des sondes géothermiques La zone centrale est isolée des flux de chaleurs naturels du sol Source : D. Pahud, Geothermal energy and heat storage, SUPSI-DCT-LEEE, Laboratorio di Energia, Ecologia ad Economia, 2002, 133 p. 5

6 1- Contexte de l étude 1.4- 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) 6

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 7

8 2- Support de l étude expérimentale 2.1- Schéma hydraulique du procédé GEOSOL Capteurs solaires Priorité : eau chaude solaire Tcpt1 Tecs C1 Chauffe-eau électro-solaire Chauffage solaire de l eau chaude sanitaire 8

9 2- Support de l étude expérimentale 2.1- Schéma hydraulique du procédé GEOSOL Capteurs solaires Priorité : eau chaude solaire Tcpt1 Tecs C1 Chauffe-eau électro-solaire Recharge thermique du sol C3 Tpuits1 M C4 Bouteille de découplage Bouteille de découplage Recharge thermique du sol boucle de décharge 9

10 2- Support de l étude expérimentale 2.1- Schéma hydraulique du procédé GEOSOL Capteurs solaires Priorité : eau chaude solaire Tcpt1 Tecs C1 Chauffe-eau électro-solaire Recharge thermique du sol PSD C2 T6 M Text C7 Bouteille de découplage Bouteille de découplage Plancher solaire direct Plancher solaire direct 10

11 2- Support de l étude expérimentale 2.1- Schéma hydraulique du procédé GEOSOL Capteurs solaires Tcpt1 Tecs C1 Chauffe-eau électro-solaire C3 Tpuits1 M Text C5 C2 C7 Echangeurs enterrés verticaux C4 Bouteille de découplage T4 C6 Pompe à chaleur Mode chaud Bouteille de découplage Plancher chauffant Extraction de chaleur du sol Mode chauffage de la pompe à chaleur 11

12 2- Support de l étude expérimentale 2.1- Schéma hydraulique du procédé GEOSOL Capteurs solaires Tcpt1 Tecs C1 Chauffe-eau électro-solaire C3 Tpuits1 M Text C5 C2 C7 Echangeurs enterrés verticaux C4 Bouteille de découplage T4 Pompe à chaleur Mode froid C6 Bouteille de découplage Plancher rafraîchissant Injection de chaleur dans le sol Mode rafraîchissement de la pompe à chaleur 12

13 2- Support de l étude expérimentale 2.2- 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) ; Description de l installation : - 12 m² de capteurs solaires thermiques ; - un ballon d eau chaude électro-solaire de 500 l ; - deux bouteilles de découplage de 50 l. 13

14 2- Support de l étude expérimentale 2.3- Métrologie Tcpt2 Tcpt1 Tpuits1 Tcpt11 Tcpt21 C1 Tcpt12 Tecs Tecs0 Tef 26 sondes de température (PT100 et PT1000) ; - 8 compteurs volumétriques à impulsions ; C3 Tcpt23 T5 Tcpt13 BOUTEILLE CASSE PRESSION N 1 T1 T2 PAC T3 T4 Tcpt22 BOUTEILLE CASSE PRESSION N 2 Tpc1 Tpc2 8 indicateurs de consommations électriques ; et une station météo. C4 Tpuits2 C5 C6 C7 2 x Tsol5 2 x Tsol45 2 x Tsol85 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.) 14

15 3- Résultats expérimentaux 3.1- Comportement de l installation 15

16 Comportement de l installation le 14 avril 2005 Tpuits1 C1 C3 T3 C4 T4 Tpuits2 Tsol5 C5 C6 PAC Tsol45 Tsol85 Tecs0 C Résultats expérimentaux Comportement Température [ C] 0 = arrêt ; 1= marche Puisage ECS Fonctionnement C1 TECS0 Fonctionnement C Températures T3, T4, Tint, Text, Tpuits1 et Tpuis2 [ C] TGD T3 T4 Tpuits1 Tint Tpuits2 Tsol45 Text Power [W] Total radiation on horizontal surface [W/m²] Circuit c6 : condenseur Puissance solaire injectée dans le sol Ensoleillement plan horizontal /4/05 3:30 14/4/05 5:30 14/4/05 7:30 14/4/05 9:30 14/4/05 11:30 14/4/05 13:30 14/4/05 15:30 14/4/05 17:30 14/4/05 19:30 14/4/05 21:30 Circuit c5 : évaporateur 14/4/05 23:30

17 3- Résultats expérimentaux 3.2- 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 kwh/m² Début mai 2005 à fin octobre 2005 Bilan première année 4 kwh/m² 30 kwh/m².an 17

18 Résultats expérimentaux 3.3- Etude de l injection d énergie solaire dans le sol Effet sur l évolution du COP de la pompe à chaleur Energie [kwh] nov-04 dec-04 janv-05 fev-05 mars-05 avr-05 mai-05 juin-05 juil-05 août-05 sep-05 oct-05 nov-05 dec-05 janv-06 fev-06 mars-06 avr-06 COP PAC seule Bilan énergie échangée avec le sol COP PAC seule

19 3- Résultats expérimentaux 3.3- Etude de l injection d énergie solaire dans le sol Injection du surplus d énergie solaire dans le sol Taux de recharge thermique annuel du sol : 30% Amélioration du COP de la PAC localisée aux misaisons Faible temps de fonctionnement de la PAC aux mi-saisons Consommation électrique des circulateurs annule l amélioration du COP de la PAC Influence négligeable sur le bilan énergétique annuel Influences à long terme (au bout de 20 ans de fonctionnement)? Recours à une modélisation numérique 19

20 4- Modélisation numérique du procédé Objectifs 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 20

21 5- Résultats numériques Intérêt de la recharge thermique pour l habitat collectif 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). 21

22 5- Résultats numériques Intérêt de la recharge thermique pour l habitat collectif Simulation du procédé GEOSOL à long terme et pour un immeuble de 36 logements 400 m², 106% 300 m², 78% 200 m², 45% 100 m² de capteurs solaires, recharge thermique de 10% Température moyenne du sol [ C] Temps [années] 22

23 5- Résultats numériques Intérêt de la recharge thermique pour l habitat collectif Sol Fluide EGV COP PAC Simulation du procédé GEOSOL à long terme et pour un immeuble de 36 logements Taux de recharge thermique [%] Surface de capteurs solaires [m²] Température initiale du sol [ C] 11,6 11,6 11,6 11,6 Température moyenne du sol, 20 ème 12 9,3 6,3 2,8 année Tsol [ C] + 0,4-2,3-5,3-8,8 Température moyenne du fluide dans 1,3 1,3 1,3 1,3 les puits (janvier 1ère année) Température moyenne du fluide dans 1,6-0,8-3,5-6,9 les puits (janvier 20ème année) T1 [ C ] 0,3 2,1 4,8 8,2 COP de la PAC de janvier de la 1 ère 4,07 4,07 4,07 4,07 année COP de la PAC de janvier de la 20 ème COP 4,12 3,82 3,48 3 année [%] + 1,2-6,1-14,5-35,6 Gel des échangeurs géothermiques et du sol! Diminution non acceptable du COP de la PAC 23

24 5- Résultats numériques Intérêt de la recharge thermique pour l habitat collectif COP PAC Fluide EGV Sol Simulation du procédé GEOSOL à long terme et pour un immeuble de 36 logements Taux de recharge thermique [%] Surface de capteurs solaires [m²] Température initiale du sol [ C] 11,6 11,6 11,6 11,6 Température moyenne du sol, 20 ème 12 9,3 6,3 2,8 année Tsol [ C] + 0,4-2,3-5,3-8,8 Température moyenne du fluide dans 1,3 1,3 1,3 1,3 les puits (janvier 1ère année) Température moyenne du fluide dans 1,6-0,8-3,5-6,9 les puits (janvier 20ème année) T1 [ C ] 0,3 2,1 4,8 8,2 COP de la PAC de janvier de la 1 ère 4,07 4,07 4,07 4,07 année COP de la PAC de janvier de la 20 ème COP 4,12 3,82 3,48 3 année [%] + 1,2-6,1-14,5-35,6 3m²/occupant Risque de gel limité Diminution acceptable du COP de la PAC 24

25 5- Résultats numériques Intérêt de la recharge thermique pour l habitat collectif COP PAC Fluide EGV Sol Simulation du procédé GEOSOL à long terme et pour un immeuble de 36 logements Taux de recharge thermique [%] Surface de capteurs solaires [m²] Température initiale du sol [ C] 11,6 11,6 11,6 11,6 Température moyenne du sol, 20 ème 12 9,3 6,3 2,8 année Tsol [ C] + 0,4-2,3-5,3-8,8 Température moyenne du fluide dans 1,3 1,3 1,3 1,3 les puits (janvier 1ère année) Température moyenne du fluide dans 1,6-0,8-3,5-6,9 les puits (janvier 20ème année) T1 [ C ] 0,3 2,1 4,8 8,2 COP de la PAC de janvier de la 1 ère 4,07 4,07 4,07 4,07 année COP de la PAC de janvier de la 20 ème COP 4,12 3,82 3,48 3 année [%] + 1,2-6,1-14,5-35,6 Couplage solaire géothermie totalement justifié pour l habitat collectif en terme de risque de gel et de diminution des performances 25

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. 26

27 6- Conclusions : Utilisation combinée de l énergie solaire et de la géothermie basse température 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). 27

28 6- Conclusions : Utilisation combinée de l énergie solaire et de la géothermie basse température 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? 28

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 29

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