Intrnational Journal of Scintific Rarch & Enginring chnology (IJSE) ISSN: 2356-5608, Vol3, iu 2 Coyright IPCO-2015-22-26 Echangur Géothrmiqu d y Panir Intgré dan n Sytèm Enrgétiqu Sou L Climat uniin Han Boughanmi #1, Marim Lazaar #2, Abdlhamid Farhat #3 # Laboratoir d Procédé hrmiqu (LP), Cntr d Rchrch t d chnologi d l Enrgi (CREn), BP 95 Hammam Lif 2050, él: 21 643 621 /Fax: 79 325 934 1 boughanmihan@hotmailfr Abtract L ytèm d corbill géothrmiqu t un nouvll tchnologi d'échangur nroulé ou form coniqu utilié afin d xloitr l otntil thrmiqu du ol our l chauffag t l rfroidimnt d locaux t d rr Au in du Laboratoir d Procédé hrmiqu du Cntr d Rchrch t d chnologi d l Enrgi d Borj Cédria, un ytèm géothrmal d conditionnmnt d rr agricol a été intallé C ytèm t contitué d'un échangur n olyéthylèn d ty corbill ntrré à 3 m d rofondur dan un uit d diamètr 150 cm, d'un rr d ty Chal d urfici 3 m² t d'un om à chalur révribl au/au d uianc frigorifiqu 16 kw L objctif d ctt étud t d otimir l échang thrmiqu ntr c ty d catur t l ol, d évalur l imact d différnt aramètr (géométri, matériaux) t d valorir l ytèm ntir (échangur ntrré ou form coniqu, om à chalur géothrmal t rr agricol), notammnt dan l xloitation d dynamiqu d charg t d décharg t d ttr l fficacité d ct échangur our différnt rofondur L réultat ont montré qu l écart d tmératur ntr l ntré t la orti d la corbill n cycl d rfroidimnt durant 6 hur, ut attindr 30 C Quant à la uianc maximal récuéré ar ctt corbill, ll attint 8 kw Kyword Pom à chalur géothrmiqu, échangur au/ol ou form corbill coniqu, tmératur du ol, rr I INRODCION L ol t conidéré comm un otntil thrmiqu trè imortant qui ut êtr xloité dan la climatiation La récuération d l énrgi thrmiqu du ol fait ntillmnt à travr un réau d échangur d chalur ntrré D étud ont été ffctué ur l échangur ntrré n vu d un millur utiliation dan la récuération d l énrgi C étud font intrvnir luiur conidération (fficacité, dimnion, form, réitanc à l ntartrag, réitanc à la corroion, coût, tc) Nlli t En (2003) [1] ont tté xérimntalmnt un Pom à chalur à ytèm géothrmiqu coulé à d catur horizontaux ntrré dan l ol our étudir l fft d différnt aramètr (rofondur, débit, ) EKondili t al [2] ont étudié un alication romttu réntant l'utiliation d l'énrgi géothrmiqu our l chauffag d rr agricol Huyin Bnli t Aydın Durmu [3] n 2011 ont dévloé un ytèm d om à chalur géothrmal muni d un tockag d chalur latnt (matériau à changmnt d ha) our l contrôl d la tmératur d l air ou rr Huyin Bnli t Aydın Durmu [4] n 2013 ont démontré la raticabilité tchniqu t il ont rénté un conction d'mloyr d ytèm d om à chalur géothrmal dan l alication douc d climat our fair chauffr un rr Ondr Ozgnr t Arif Hbali [5] n 2005 ont étudié un ytèm contitué d un om à chalur géothrmal coulé à un catur olair t il l'ont utilié our l rfroidimnt à un ba d 22 C AhmtY t al [6] ont dévloé un ytèm contnant un échangur d chalur ol-air (EAHE) our l rfroidimnt d un rr agricol Hollmullr t al, 2000, [7] ont oté our un tockag dirct d la chalur dan l ol d la rr Il ont mi au oint un ytèm d récuération d l énrgi thrmiqu ou form d chalur nibl C ytèm t contitué d un échangur au/air coulé avc d échangur n PVC ntrré dan l ol à 30 cm d rofondur Ctt tchniqu rmt d économir 12 % d l énrgi annull dtiné au chauffag d rr ar d ytèm convntionnl fonctionnant avc l ful II CONCEPION DE LA CORBEILLE GEOHERMALE C nouvau échangur ou form d corbill coniqu iral fonctionn avc l mêm rinci qu l échangur horizontal t vrtical Ctt nouvll géométri rént un crtain nombr d avantag Il nou rmt d fair un économi au nivau d la urfac (comaré à un échangur horizontal t au nivau d la rofondur (comaré à un échangur vrtical) En fft, our qu'il y ait un échang thrmiqu avc l ou-ol moynnant ctt nouvll géométri d l'échangur, nou n'avon a à déar un urfici d 10 m² t un rofondur d 8 m n réduction du coût d la rforation du trrain qui rrént nviron 50% du coût total d'un intallation géothrmiqu t aini réalié D'autr art, a géométri n form d ir coniqu rmt d'aurr l maximum d'échang thrmiqu ntr l ol
Intrnational Journal of Scintific Rarch & Enginring chnology (IJSE) ISSN: 2356-5608, Vol3, iu 2 Coyright IPCO-2015-22-26 t l fluid circulant dan l'échangur t ar la uit d'augmntr l cofficint d rformanc du ytèm t ntir La corbill géothrmiqu, intallé au Cntr d Rchrch t d chnologi d l Enrgi (CREn) à un rofondur d 3 m (figur 1) t l caractéritiqu d l échangur ont rénté ur l ablau 1 L flux d chalur local t échangé à travr l élémnt d urfac d échang d t d l'élémnt d longuur dz du cylindr Il écrit comm uit : ablau 1: Caractéritiqu d la corbill Configuration vrtical Profondur (m) 3 Matériau Conductivité thrmiqu (W/mK) 0,48 Longuur (m) 100 Diamètr xtrn (m) 0025 Eaiur (m) 00023 Pa d nroulmnt (m) 008 Polyéthylèn PEHD Fig 2 ranch d l échangur au/ol lacé dan l ol dq = ( d (1) dq = mc ol ) d = ( ( z + dz) ( z)) On uo qu on n a a d changmnt d ha, dq = d (2) En égaliant l xrion (1) t (2) dq = ( ) d = d (3) ol d ol = d (4) Fig Réaliation d l'échangur ou form corbill d ol = d (5) III EDE ANALYIQE E ENERGEIQE III1EDE ANALYIQE Dan ctt étud, nou conidéron qu la corbill t élaboré comm un conduit cylindriqu (fig2), l échang thrmiqu fait n régim tationnair t l ol t conidéré homogèn L caractéritiqu d l au t du ol (ma volumiqu, conductivité thrmiqu, chalur maiqu ) ont conidéré contant L tranfrt d chalur n ffctunt qu ar conduction (car il n tint a comt d la circulation d fluid dan l ol) Et ar intégration d l xrion (5) d à d l au ln d ol = z 0 d [( ] = d ln ol (6) (7) ol ol = d (8)
Intrnational Journal of Scintific Rarch & Enginring chnology (IJSE) ISSN: 2356-5608, Vol3, iu 2 Coyright IPCO-2015-22-26 ol ol = x( d) D où, la tmératur d orti à l échangur h = ( ol ) x( S ) + ol (9) (10) Avc l cofficint d échang convctif t donné ar [8] ; kn h = r N u u = 0023R 08 P n r n=0,3 i f ol Ou bin n=0,4 i f ol P = R r = C µ λ ρ D m µ Pour R 5000 t 0 6 P 100 la réitanc thrmiqu du fluid t III2ANALYSE ENERGÉIQE r 1 R f = 2πrh La quantité d chalur xtrait ar l échangur d chalur ntrré Q écrit comm uit : Q GHE GHE = (, in, ) IV DISPOSIIF EXPÉRIMENAL - n débitmètr à flottur, inéré dan l ytèm our murr l débit d au caloortur à l ntré d la corbill - n nmbl d thrmocoul d ty K, lacé rctivmnt à l ntré, à la orti d la corbill t dan l ol avc un acmnt ntr ux d 50 cm C thrmocoul ont conncté à un chaîn d acquiition d ty HP Fig 3 Dioitif xérimntal V RESLA n tt réliminair a été ffctué n vu d détrminr la rofondur otimal dan laqull l échangur ra ntrré Aini, un réau d 7 thrmocoul d ty K a été imlanté dan l ol tou l 50 cm ur un rofondur d 3 m L valur moynn d la tmératur journalièr ont rrénté ur la figur 4 L rofil d tmératur dan l ol montr qu l fluctuation d tmératur diminunt lorqu l on éloign d la urfac du ol En fft, à 3 m d rofondur, la tmératur t rqu contant Ell t d l ordr 20 C Ell n t a affcté ar l climat xtériur, cci t du à la grand inrti thrmiqu du ol n étud xérimntal a été mné au Cntr d Rchrch t d chnologi d l Enrgi, CREn, à Borj Cdria(fig3) L dioitif conçu comrnd ntillmnt -un rr chall n olycarbonat d urfici 3 m² (15 m d largur, 25 m d longuur t 2 m d hautur) - dux échangur géothrmiqu ou form d corbill n olyéthylèn haut dnité PEHD d longuur 100 m t dan lqul l'au circul avc un débit d 008 kg/ - n om à chalur géothrmal révribl au/au d Puianc frigorifiqu 16 kw t d Puianc calorifiqu 16 kw
Intrnational Journal of Scintific Rarch & Enginring chnology (IJSE) ISSN: 2356-5608, Vol3, iu 2 Coyright IPCO-2015-22-26 l ordr d 25 C, c qui rflèt l imortanc d la diiation d l énrgi dan l ol La validation du modèl analytiqu t limité à l'fficacité énrgétiqu our l échangur d form coniqu d longuur 100 m ntrré à 3 m d rofondur D arè l fig 6 la variation analytiqu uit la mêm tndanc qu cll muré avc un accord acctabl, d l ordr d 3% Fig 4 Evolution d la tmératur du ol à différnt rofondur L aroch xérimntal conit à fixr l tmératur t l débit d l au à l ntré d l échangur, à l aid d la om à chalur géothrmal nuit uivr, à l aid du ytèm d acquiition, l évolution d la tmératur à la orti d l échangur n foi qu la tmératur à la orti d l échangur tabili (régim rmannt), nou détrminon la uianc thrmiqu échangé mratur( C) 60 55 50 45 40 35 30 25 Fig 6 Variation analytiqu d la tmératur d ntré t d orti du fluid n fonction du tm our un débit du fluid d 008kg/ mratur( C) 38 36 34 32 30 28 26 24 22 (analy) (x) 11:20:37 12:10:37 13:00:37 13:50:37 14:40:37 m(hh:mm) 20 11:25:37 12:15:37 13:05:37 13:55:37 14:45:37 m(hh:mm) Fig 7 Evolution analytiqu t xérimntal d tmératur d orti du fluid n fonction du tm our différnt tmératur d ntré t our un débit d 008kg/ Fig 5 Variation xérimntal d la tmératur d ntré t d orti du fluid n fonction du tm our un débit du fluid d 008kg/ La tmératur d ntré d l échangur ntrré () attint un valur maximal d 55 C, qui corrond à la tmératur du condnur d la PACG andi qu la tmératur d orti d l échangur ntrré () attint un valur d 30 C L gain n trm d différnc d tmératur obtnu t d La figur 7 rrént l tmératur muré t cll calculé théoriqumnt à la orti d la corbill La valur moynn d la tmératur muré t d 34 C alor qu cll d la tmératur calculé t d 32 C L'écart ntr l dux tmératur moynn t d 2 C Ct écart rvint à la rt au nivau du collctur t la corbill Nou nrgitron ar la uit un concordanc acctabl ntr l valur d tmératur xérimntal t cll analytiqu d l'ordr d 6%
Intrnational Journal of Scintific Rarch & Enginring chnology (IJSE) ISSN: 2356-5608, Vol3, iu 2 Coyright IPCO-2015-22-26 La quantité d énrgi tocké dan l ol(w) 10000 8000 6000 4000 2000 0 11:25:37 12:15:37 13:05:37 13:55:37 14:45:37 m (hh:mm) Fig 8 Variation d la quantité d chalur récuéré du ol n fonction du tm our un débit 008kg/ La figur 8 montr qu la quantité d chalur maximal récuéré du ol (ar l ytèm d'échangur ou form corbill) n fonction du tm avc un débit 008kg/ t d l ordr d 8 kw La valur moynn d ctt quantité d chalur t d 4 kw VI CONCLSION L otntil géothrmiqu d urfac n unii t trè imortant En fft, la valur moynn d la tmératur du ol muré dan l it d Borj Cédria, à nviron 3 m d rofondur, t d l ordr d 20 C n été L xloitation d la géothrmi d urfac nécit, généralmnt, l utiliation d un om à chalur géothrmal (PACG) n nouvau ty d'échangur thrmiqu ou form d corbill coniqu a été conçu réalié t intallé dan l ol à un rofondur d 3 m t coulé à un Pom à chalur géothrmal d uianc frigorifiqu 16 kw our rfroidir un rr chal d urfici 3 m² L réultat ont montré qu l écart d tmératur ntr l ntré t la orti d la corbill n cycl d rfroidimnt ndant 6 hur ut attindr 30 C t la uianc maximal ut attindr un valur maximal d 8 kw t un valur moynn d 4 kw L réultat analytiqu ont été comaré aux réultat xérimntaux; n concordanc acctabl a été rmarqué (un incrtitud ntr 3% t 5%) NOMENCLARE L : longuur réll d échangur (m) l : longuur latéral d corbill (m) D : diamètr intériur du tuyau (m) d: rofondur (m) r: rayon d la tit ba d corbill (m) R : rayon d la grand ba d corbill (m) H: hautur d la corbill (m) S: urfac d'échangur (m2) : tmératur (K) m : Débit maiqu (kg/) R PE : Ritanc thrmiqu (m 2 K/W) δ : Éaiur du ol (m) '' q : Flux thrmiqu (kw/m 2 ) C : caacité thrmiqu d l au, (J/kgK) h : cofficint d échang convctif Q: Quantité d chalur (W) : cofficint global d tranfrt thrmiqu (W/m 2 K) Nu : Nombr d Nult Pr : Nombr d Prandtl R : Nombr d Rynold Lttr Grk ρ : Dnité thrmiqu, (kg/ m3) λ : Conductivité thrmiqu, (W/mK) µ : vicoité dynamiqu du fluid (Pa) Sucrit :ntré : orti f: fluid ol: ol Abréviation LMD : Différnc moynn d la tmératur (K) PACG : Pom à chalur géothrmal PEHD : olyéthylèn haut dnité REFERENCES [1] MNalli and HErn, Exrimntal hrmal Prformanc Evaluation of Horizontal Ground-Sourc Hat Pum Sytm, July 2003 [2] EKondili,JK Kaldlli, Otimal dign of gothrmal olar grnhou for th minimiation of foil ful conumtion,alid hrmal Enginring 26 (2006) 905 915 [3] Hüyin Bnli, Enrgtic rformanc analyi of a ground-ourc hat um ytm with latnt hat torag for a grnhou hating, Enrgy Convrion and Managmnt 52 (2011) 581 589 [4] Hüyin Bnli, A rformanc comarion btwn a horizontal ourc and a vrtical ourc hat um ytm for a grnhou hating in th mild climat Elazi g, urky, Alid hrmal Enginring 50 (2013) 197-206 [5] O Ozgnr, A Hbali, Prformanc analyi of a olar-aitd ground-ourc hat um ytm for grnhou hating an xrimntal tudy, Building and Environmnt Vol 40, 1040-1050, 2005 [6] Ahmt Yıldız, Ondr Ozgnr, Lyla Ozgnr, Enrgtic rformanc analyi of a olar hotovoltaic cll (PV) aitd clod loo arth-toair hat xchangr for olar grnhou cooling, Rnwabl Enrgy 44 (2012) 281-287 [7] P Hollmulr, B Lachal t C Str, Srr avc Stockag d Chalur ar ub Entrré: Analy Enrgétiqu, Raort Intrn, Cntr nivritair d Etud d Problèm d l Enrgi, nivrité d Gnèv, 2000 [8] Yv Jannot, tranfrt thrmiqu,2011