Etude du potentiel d’utilisation de “geocooling” d’une installation avec sondes géothermiques verticales appliqué à un bâtiment administratif Minergie à Chiasso

Pahud, Daniel and Caputo, Paola and Branca, Giovanni and Generelli, Milton (2008) Etude du potentiel d’utilisation de “geocooling” d’une installation avec sondes géothermiques verticales appliqué à un bâtiment administratif Minergie à Chiasso. Project Report. UNSPECIFIED.

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Abstract

Le nouveau bâtiment de la douane de Brogeda-Chiasso a été construit pour satisfaire le standard Minergie®. Les faibles besoins de chauffage et de refroidissement rendent possible l’émission d’énergie thermique par un système de dalles actives (dénommé TABS en allemand). Ce sont des conditions idéales pour l’intégration d’un système géothermique basé sur le geocooling : un champ de sondes géothermiques est couplé à une pompe à chaleur en hiver et à la distribution de refroidissement par le biais d’un échangeur de chaleur en été. Le bâtiment a donc été utilisé comme objet de référence pour une étude de cas centrée sur le geoccoling. Un modèle de simulation dynamique a été développé pour simuler le bâtiment, l’émission d’énergie thermique, l’installation géothermique et les interactions thermiques entre eux. L’outil de simulation, appelé COOLSIM, a été développé avec TRNSYS et bénéficie de développements et de validations faits avec d’autres programmes comme PILESIM2 et BRIDGESIM. Une procédure a été définie pour évaluer la faisabilité technique d’un système basé sur le geocooling et pour établir son dimensionnement. Une étude de sensibilité permet d’évaluer et de montrer l’influence des principaux paramètres sur le dimensionnement du système. Le dimensionnement du champ de sondes géothermiques revient à déterminer la longueur totale des sondes relativement à la puissance de la pompe à chaleur et aux besoins de refroidissement qui doivent être satisfaits par geocooling. Les paramètres les plus influents pour les besoins thermiques sont la puissance thermique à extraire des sondes, le niveau de température pour la distribution de geocooling et le rapport des demandes annuelles d’énergie de chauffage et de refroidissement. La puissance la plus basse possible et la température la plus haute possible doivent être recherchées. Il est important d’avoir une différence de température suffisante entre la température initiale du terrain et la température de départ dans la distribution de refroidissement. L’énergie annuelle de refroidissement couverte par geocooling doit être plus basse que la demande d’énergie de chauffage, de manière à ce que l’énergie annuelle extraite des sondes pour le chauffage reste plus grande que l’énergie injectée par geocooling. En effet, une augmentation de la température du terrain au cours des années a pour effet une diminution du potentiel de geocooling. L’influence des conditions géologiques est avant tout déterminée par la conductivité thermique du terrain, mais aussi par la température initiale de la couche de terrain traversée par les sondes, dont la valeur dépend de la profondeur atteinte par ces dernières en raison du gradient de température géothermique. D’autres paramètres étudiés sont l’espacement entre les sondes et la capacité de transfert de l’échangeur de chaleur pour le geocooling (ce dernier sépare hydrauliquement le circuit des sondes géothermiques du circuit de distribution de refroidissement). Les simulations ont montré qu’il est important de sur-dimensionner la capacité de transfert de ce dernier, afin de permettre la température de retour la plus élevée possible du fluide caloporteur dans les sondes. Une conductivité thermique du terrain plus élevée permet une longueur de sonde plus courte aussi bien pour le chauffage que pour le geocooling. Une profondeur de sonde plus importante, en raison de l’augmentation de la température du terrain, permet de réduire la longueur des sondes pour le chauffage alors qu’elle doit être augmentée pour le geocooling. Avec le bâtiment simulé de la douane, une profondeur optimale de 150 m est trouvée. La simulation du bâtiment et des dalles actives a montré qu’il est possible de le refroidir avec une température de départ de 22°C. Avec une conductivité thermique du terrain de 2 W/(mK), une température initiale du terrain de 12°C vers la surface et un gradient de température géothermique de 25 K/km, les clefs de dimensionnement suivantes ont été obtenues : - puissance spécifique extraite : 28 W/m (relativement à la puissance de la PAC aux conditions B0W35) - énergie spécifique extraite : 43 kWh/(m a) - puissance spécifique injectée : 23 W/m (relativement à la puissance moyenne en geocooling) - énergie spécifique injectée : 26 kWh/(m a) - ratio injecté sur extrait : 0.6 Le dimensionnement prévoit un champ de 10 sondes géothermiques de 150 m de profondeur, avec un espacement de 8 m entre les sondes. Le coût de l’énergie thermique de chauffage et de refroidissement est estimé à 10 centimes par kilowattheure, ce qui correspond à une charge de 5 CHF par mètre carré de surface de référence énergétique et par année. L’intégration et l’optimisation d’un système géothermique basé sur le geocooling apparait donc comme une option valable et concurrentielle pour un bâtiment administratif doté de dalles actives.

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