Serso, stockage saisonnier solaire pour le dégivrage d’un pont

Pahud, Daniel (2007) Serso, stockage saisonnier solaire pour le dégivrage d’un pont. Project Report. UNSPECIFIED.

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Abstract

Le projet Serso est né de l’idée de vouloir dégivrer un pont avec de l’énergie solaire. Il en résulte un concept qui met en œuvre un stockage saisonnier de chaleur dans le terrain. L’énergie solaire est captée par le pont en été, stockée dans le terrain par l’intermédiaire d’un ensemble de sondes géothermiques, puis restituée en hiver pour le dégivrage du pont. Le pont est équipé de serpentins qui permettent de collecter les gains solaires estivaux et de chauffer la chaussée en hiver pour empêcher la formation de glace ou de givre. A l’exception de l’énergie électrique nécessaire au fonctionnement des pompes, le système est conçu pour fonctionner sans énergie auxiliaire. Les mesures des performances thermiques de l’installation sur plusieurs années, effectuées dans le cadre d’un projet précédent, ont permis de développer et de valider un outil de simulation pour le dimensionnement d’un système semblable. Appelé BRIDGESIM, cet outil de simulation permet d’aller au-delà de l’expérience pratique réalisée. Une procédure pour le dimensionnement d’un système est proposée. Il s’agit dans un premier temps de chauffer le pont pour éviter la formation de givre avec le moins possible d’énergie thermique. Une courbe de chauffage doit être établie. Comme le système fonctionne sans énergie auxiliaire, il n’est pas possible de garantir en tout temps que la surface du pont soit toujours assez chaude pour éviter la formation de glace. Un concept de tolérance est défini et utilisé pour le dimensionnement d’un système. BRIDGESIM est utilisé pour redimensionner le système de Serso. Dans un premier temps, la courbe de chauffage est calculée. Dans un deuxième temps, les grandeurs suivantes sont optimisées : l’espacement entre les sondes, le contrôle des gains solaires, la longueur des sondes géothermiques et leur profondeur. Les influences d’autres variables sont également évaluées, comme la résistance thermique des sondes, le diamètre de forage et deux paramètres importants relatifs au pont, qui sont la couche d’isolation sous le pont et l’écartement des tubes dans la chaussée du pont. Comme un espacement de 5 m entre les sondes peut être adopté indépendamment de la profondeur des sondes et de la conductivité thermique du terrain, le principal paramètre de dimensionnement est la longueur totale des sondes. Des sondes plus profondes ont un effet positif, mais sans toutefois présenter une amélioration significative des performances thermiques du système. La résistance thermique et le diamètre des sondes sont également des paramètres d’importance secondaire. Une augmentation des besoins spécifiques de chauffage requiert une augmentation de la longueur des sondes qui devient toujours plus grande. Il peut être nécessaire de réduire dans un premier temps les besoins spécifiques de chauffage en isolant le pont sous sa face inférieure ou en diminuant l’écartement des tubes dans la chaussée du pont. Dans le cas du système de Serso, l’isolation du pont a permis d’éviter une augmentation massive de 50% de la longueur des sondes. Il en résulte une longueur spécifique de sonde géothermique, qui est par définition la longueur de sonde nécessaire pour chaque mètre carré de chaussée chauffée, de 4.6 m/m2. Elle correspond à celle du système réel. Le système est simulé pour divers sites. Les résultats ont montré que la longueur de sonde nécessaire dépend non seulement très fortement de la conductivité thermique du terrain, mais aussi de la demande spécifique de chauffage pour le dégivrage du pont. Pour le cas de Serso, une variation de la conductivité thermique du terrain de 4 à 1 W/(mK) fait augmenter la longueur spécifique de sonde géothermique de 4.7 à 8.9 m/m2. Les diverses variantes de pont simulées requièrent une énergie spécifique de chauffage qui varie de 100 à 130 kWh/(m2an), ce qui, pour un terrain avec une conductivité thermique de 4.4 W/(mK), fait varier la longueur spécifique de sonde de 3.9 à 6.9 m/m2. Pour tous les cas simulés dans les divers sites, la longueur spécifique de sonde géothermique varie de 2.5 à 8.9 m/m2. Dans certains cas aucune solution n’a été trouvée, car la longueur de sonde devrait être beaucoup trop élevée. La sensibilité de la longueur spécifique de sonde aux paramètres principaux du terrain a été évaluée. La conductivité thermique du terrain reste le paramètre prépondérant si un écoulement de l’eau souterraine n’est pas présent dans une couche de terrain de forte épaisseur et avec une vitesse de Darcy élevée. L’effet d’un écoulement de l’eau souterraine est positif si l’arrivée d’eau n’a pas une température inférieure à la température moyenne du terrain dans le volume de stockage avant la mise en service du système. L’outil de simulation BRIDGESIM est également accessible aux professionnels du secteur, puisqu’il a été développé comme une application TRNSED, de façon à ce que son usage ne requiert pas de connaissances spécifiques et préalables de TRNSYS.

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