Simulation of Central Solar Heating Plants Using a Duct Store: an Application for Switzerland

Pahud, Daniel (1996) Simulation of Central Solar Heating Plants Using a Duct Store: an Application for Switzerland. Project Report. UNSPECIFIED.

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Abstract

Le dimensionnement d’un système de chauffage solaire utilisant un stockage diffusif dans le terrain demande des procédures de calculs qui prennent en compte les différents processus thermiques impliqués. Il est important d’évaluer aussi bien les performances thermiques à court terme qu’à long terme. Dans le stockage souterrain par exemple, le transfert de chaleur le long de l’échangeur souterrain est influencé par différents facteurs, tels que les conditions d’exploitation des derniers jours de marche du système, qui déterminent le profil de température dans le voisinage de l’échangeur souterrain, et le niveau de température moyen du terrain, qui varie normalement selon une base saisonnière. Les performances thermiques du stockage durant les premières années de marche est affecté par les pertes thermiques relativement élevées causées par le réchauffement du terrain environnant. Dans le but d’obtenir une évaluation précise du bilan énergétique du système, ses performances thermiques doivent être calculées avec un pas de temps très court (de l’ordre de l’heure) durant plusieurs années, voir même la durée de vie du système. Le dimensionnement final est généralement établi avec l’aide de simulations numériques détaillées, et repose sur la capacité du programme de calcul à reproduire le comportement thermique que montrera le système une fois réalisé. Des outils de simulation robustes et précis, utilisant le programme de simulation dynamique TRNSYS, ont été développés pour simuler des systèmes de chauffage solaire avec un stockage diffusif dans le terrain. TRNSYS est un programme de simulation modulaire bien connu, offrant une grande flexibilité pour la simulation de systèmes thermiques partiels ou complets. Les systèmes simulés comprennent un champ de capteurs solaires, un stockage court terme à eau, un stockage long terme de type diffusif dans le terrain, un apport d’énergie d’appoint et un réseau de distribution de chaleur pour satisfaire les besoins de chauffage et d’eau chaude sanitaire d’un groupe de maisons familiales. Grâce à TRNSYS, qui constitue une base standard pour le développement par l’utilisateur de modèles de simulation spécifiques, les modèles utilisés pour simuler le champ des capteurs solaires et les deux stockages représentent l’état de l’art dans le domaine. L’utilisation répandue de TRNSYS dans le monde par des ingénieurs et des chercheurs favorise des coopérations internationales ainsi que le transfert d’expertise technologique. Les outils de simulation développés avec TRNSYS ont été construits et validés sur la base d’études approfondies de la réponse thermique d’un champ de capteurs solaires couplés à un stockage diffusif dans le terrain. Elles ont également permis d’améliorer le modèle de calcul DST, qui permet la simulation d’un stockage diffusif. D’autres modules de calcul ont été développés pour les besoins des outils de simulation. Ces derniers permettent de simuler un système avec différents niveaux de complexité et de détail, en fonction des besoins de l’analyse. En outre, ils sont facilement adaptables à un problème particulier grâce à la flexibilité du programme TRNSYS. Les outils de simulation sont utilisés pour simuler un système défini pour des conditions types que l’on rencontre en Suisse. Le coût du kilowattheure solaire est minimisé pour différentes fractions solaires. Des rapports optimaux entre les tailles des principaux composants du système sont cherchés pour permettre un dimensionnement rapide. L’influence de l’importance de la demande de chaleur annuelle, de la part relative de l’eau chaude sanitaire ainsi que des niveaux de température de distribution de chaleur sont analysés. Quelques milliers de simulations ont été effectuées de manière à caractériser le comportement thermique de tels systèmes ainsi que de mettre en évidence les points importants. Des comparaisons avec des systèmes ne possédant qu’un stockage à eau ont permis de montrer qu’un stockage diffusif devient économiquement plus attractif pour des fractions solaires supérieures à 50%, i. e. pour des besoins de stockage saisonnier.

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