Optimisation par simulation calée de l’installation de stockage Wollerau

Pahud, Daniel (2003) Optimisation par simulation calée de l’installation de stockage Wollerau. Project Report. UNSPECIFIED.

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Abstract

Un modèle de simulation dynamique de l’installation de chauffage et de refroidissement “Wollerau”, incluant 32 sondes géothermiques sous un bâtiment industriel, a été développé pour analyser son comportement thermique. Le bilan énergétique de l’installation, établi sur la base de 2 ans de mesures, a permis de calibrer le modèle de simulation. Ce dernier a été construit sur la base de l’installation réelle, et a l’avantage de prendre en compte l’énergie électrique des pompes de circulations, et ainsi de pouvoir évaluer l’efficacité globale du système. Cette efficacité, définie par le rapport entre la somme des énergies annuelles de chauffage et de refroidissement couvertes par le système et l’électricité totale annuelle nécessaire au fonctionnement du système, est établie à 3.3. Le modèle de simulation suppose que les transferts de chaleur dans le terrain sont dominés par le processus de diffusion de chaleur. Les simulations effectuées ont permis de mettre en évidence la problématique du dimensionnement de systèmes semblables (installation de chauffage et de refroidissement couplés à un ensemble de sondes géothermiques). A l’aide d’une analyse de sensibilité, deux catégories de paramètres ont été identifiées : les paramètres liés à l’intégration du système et les paramètres liés à son dimensionnement. Les paramètres d’intégration sont déterminants sur les indices de performances du système, et en particulier sur son efficacité globale. Ils concernent avant tout l’intégration du système et des sondes géothermiques dans le concept énergétique du bâtiment. Une intégration optimale permettra de chauffer avec la plus basse température possible dans la distribution de chaleur et de refroidir avec la plus haute possible. Une intégration optimale va donc dans le sens du concept Minergie. Les paramètres de dimensionnement, quant à eux, déterminent la faisabilité technique du système et sa viabilité à long terme. Ils doivent garantir que les contraintes fixées sur la température du fluide circulant dans les sondes soient toujours respectées. Dans le cas de sondes géothermiques placées sous un bâtiment, la température du fluide circulant dans les sondes ne doit pas descendre sous la barre des 0°C. Contrairement aux paramètres d’intégration, ils sont peu influents sur les indices de performances du système. Ainsi, la longueur des sondes géothermiques et la conductibilité thermique du terrain, variés de -30% à +30% autour leur valeur de design, sont sans influence significative sur l’efficacité globale du système. En revanche ces paramètres sont d’importance majeure pour respecter les contraintes de température fixées sur le fluide circulant dans les sondes, aussi bien à court terme suite à l’évolution dynamique du système, qu’à long terme, après stabilisation de la température moyenne annuelle du terrain dans la zone des sondes. Sans présence d’un mouvement régional de l’eau souterraine, les effets à long terme sont directement conditionnés par le rapport des demandes d’énergie de refroidissement et de chauffage annuelles. On comprend alors l’importance d’une évaluation aussi précise que possible de ces besoins d’énergie. En corollaire, il est également important de ne pas dimensionner trop juste le système et de conserver ainsi une certaine flexibilité. Les paramètres de dimensionnement doivent avant tout sécuriser le fonctionnement du système. L’écart d’un paramètre sur sa valeur de design ne doit pas mettre en péril son bon fonctionnement. Le transfert thermique des raccords horizontaux des sondes géothermiques est également un facteur qui a tendance à influencer le dimensionnement, mais sans répercussion significative sur l’intégration du système (pour autant que l’effet indésirable sur le bâtiment ne soit pas pris en considération). L’économie d’électricité consécutive à l’amélioration du coefficient de performance (COP) de la pompe à chaleur (PAC) est annulée par une utilisation plus importante de la machine frigorifique en été. En revanche, le rapport des énergies annuelles injectée sur extraite des sondes géothermiques est augmenté, et peut conditionner le type de système prévu. Le potentiel de refroidissement sans machine frigorifique (par « refroidissement direct » ) est très sensible au niveau de température de la distribution de froid. Si la totalité des besoins de refroidissement doivent être couverts par refroidissement direct, alors il est très important de pouvoir refroidir avec une « haute température ». En se basant sur une température de départ de 22°C en été, la couverture de la totalité de la demande de refroidissement peut être envisagée si l’énergie de refroidissement annuelle est comprise entre le quart et la moitié de la demande de chauffage annuelle. On peut alors parler de stockage saisonnier de « froid ». Une demande d’énergie de refroidissement plus faible conduit à un abaissement trop important de la température du terrain. Une demande plus haute requiert l’utilisation d’une machine frigorifique. Les valeurs d’extraction de chaleur spécifiques relatives aux sondes géothermiques (donc rapportées par mètre linéaire de sonde) sont établies à 40 W/m et 60 kWh/m/an. Avec une intégration optimale du système, une efficacité globale supérieure à 5 peut être obtenue. Si l’énergie annuelle de refroidissement est supérieure à 50% de l’énergie annuelle de chauffage, mais reste inférieure à 65%, alors un appoint de froid avec une machine frigorifique est nécessaire pour couvrir la totalité des besoins de refroidissement. Cependant le mode refroidissement direct reste prépondérant. Dans ces conditions, l’efficacité globale du système est légèrement plus haute que pour le système sans machine frigorifique, en raison d’une efficacité de refroidissement direct plus élevée. Une demande de refroidissement annuelle supérieure à 65% de la demande annuelle de chauffage conduit à une élévation progressive de la température moyenne du terrain dans la zone des sondes. Il s’ensuit une diminution significative de l’énergie de refroidissement couverte par refroidissement direct. Dès lors l’efficacité globale du système baisse sensiblement. On ne peut d’ailleurs plus parler de stockage de « froid ». Avec le système couvrant la totalité de la demande de refroidissement sans machine frigorifique, les valeurs d’injection de chaleur spécifiques relatives aux sondes sont établies à 40 – 50 W/m (valeur maximum) et 20 – 35 kWh/m/an. Les puissances d’injection indiquées sont des valeurs de pointe. La valeur moyenne est beaucoup plus basse. Elle se situe à 10 – 13 W/m (valeur moyenne). En conséquence, pour palier au manque d’adéquation entre l’offre et la demande, une intégration idéale des sondes géothermiques passe par une distribution de refroidissement utilisant des dalles actives. Elle permet en outre de simplifier le système (pas de stockage de froid, pas de machine frigorifique) et pourrait probablement satisfaire une demande de refroidissement supérieure à celle du système simulé dans cette étude (cuve à eau de « froid » de 8.5 m3). L’outil de simulation développé peut sans autre être couplé au modèle TRNSYS de bâtiment. Ce dernier inclut la simulation de dalles actives. Si les recommandations et les règles du pouces sont importantes pour établir un premier concept énergétique, il est également important de pouvoir compter sur un outil de simulation dynamique du système qui permette d’approfondir la problématique liée au projet, d’évaluer des variantes et de les valider, et finalement d’affiner et de sécuriser le dimensionnement du système choisi.

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