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ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE UNIVERSITÉ DU QUÉBEC MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L’ÉCOLE

ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE UNIVERSITÉ DU QUÉBEC MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE COMME EXIGENCE PARTIELLE À L’OBTENTION DE LA MAÎTRISE EN GÉNIE, CONCENTRATION ÉNERGIES RENOUVELABLES ET EFFICACITÉ ÉNERGÉTIQUE M. Sc. A. PAR Samira CHERBAL ANALYSE D’UN SYSTÈME DE STOCKAGE THERMIQUE RÉSIDENTIEL PAR MASSE D’EAU MONTRÉAL, LE 23 JANVIER 2015 Samira CHERBAL, 2014 Cette licence Creative Commons signifie qu’il est permis de diffuser, d’imprimer ou de sauvegarder sur un autre support une partie ou la totalité de cette œuvre à condition de mentionner l’auteur, que ces utilisations soient faites à des fins non commerciales et que le contenu de l’œuvre n’ait pas été modifié. PRÉSENTATION DU JURY CE MÉMOIRE A ÉTÉ ÉVALUÉ PAR UN JURY COMPOSÉ DE : M. Louis LAMARCHE, directeur de mémoire Département de Génie Mécanique à l’École de technologie supérieure M. Vladimir BRAILOVSKI, président du jury Département de Génie Mécanique à l’École de technologie supérieure M. Stanislaw KAJL, membre du jury Département de Génie Mécanique à l’École de technologie supérieure IL A FAIT L’OBJET D’UNE SOUTENANCE DEVANT JURY ET PUBLIC LE 17 DÉCEMBRE 2014 À L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE REMERCIEMENTS Si on m’avait dit il y a quelques années que je présenterai un mémoire de recherche en maîtrise, ici au Canada, je n’y aurai pas cru. Ce mémoire est à mes yeux l’aboutissement d’un parcours riche en émotions et j’en suis fière! Ma première pensée va à ma famille qui a été fidèle et d’un soutien inconditionnel. Maman, Papa, Asma et Samir, merci d’avoir été là pour moi depuis le début. Malgré nos différends et la distance qui nous a séparés les 7 dernières années, l’amour qu’on s’est toujours porté les uns envers les autres m’a aidé à avancer et à concrétiser ce projet commencé un certain 15 Septembre 2007. Je vous aime et ce mémoire je vous le dédie! Mon oncle Réda, tu ne m’as jamais rien demandé malgré tout ce que tu m’as donné. Ton aide m’a menée en France puis au Canada; une petite phrase sincère : mille fois merci! Sabrina, Marie-Luce, Daniel, Delphine, Sylvain, vous avez rendu mon séjour au Québec plus agréable. Merci d’avoir été là. Je n’oublie pas Valérie, Julie D., Marie-Louise, Monique, Caroline G., Aurélie, Tina, ma cousine Farida, Pierre-Luc P., vous m’avez toutes aidée et soutenue d’une manière ou d’une autre : merci pour tous ces moments. Soley, ta présence a été précieuse cette année. Merci pour la belle histoire que nous écrivons. Julie C., mon amie, ma confidente, merci de faire partie de ma vie. Louis LAMARCHE, tu m’as accordé ta confiance pour ce projet, je t’en suis très reconnaissante. Ton soutien financier, tes conseils et ton aide ont beaucoup participé à la réalisation de ce projet. Aussi, je te remercie de m’avoir accordé le plaisir d’être un jour dans la peau d’un professeur. Je remercie également André ROY d’avoir accepté de travailler avec moi. M. KAJL et M. BRAILOVSKI, en tant que jury je vous remercie pour l’attention portée à ce mémoire. ANALYSE D’UN SYSTÈME DE STOCKAGE THERMIQUE RÉSIDENTIEL PAR MASSE D’EAU Samira CHERBAL RÉSUMÉ Le présent travail de recherche porte sur l’étude et l’optimisation d’un système de stockage thermique par masse d’eau dans un réservoir enfoui au sol. Relié à des collecteurs solaires et couplé à une pompe à chaleur eau/eau, le réservoir d’eau emmagasine la chaleur captée en été et la restitue en hiver pour le chauffage des locaux et de l’eau sanitaire. Le stockage thermique s’effectue aussi lors de la demande de climatisation. Le bâtiment à l’étude est une maison unifamiliale située à Granby près de Montréal avec une superficie chauffée de 584 m2. Dans le système de base, le réservoir d’eau à un volume de stockage de 30 m3, les collecteurs solaires une superficie de 6m2 et la pompe à chaleur une capacité de 1.5 tonnes de réfrigération. Le chauffage est assuré par des planchers chauffants et avec une unité de traitement d’air. La batterie chaude est reliée à un réservoir d’eau chaude et la batterie froide à un réservoir d’eau froide relié à la thermopompe. Le profil de charge du bâtiment a été réalisé avec une modélisation sur TRNBUILD. Le système de chauffage et climatisation a été modélisé et simulé sur le logiciel TRNSYS. Les résultats obtenus montrent une charge totale de 36344 kWh pour le chauffage des locaux, de l’eau sanitaire et la climatisation. Le système de base permet une économie totale annuelle de 3679 kWh. Une étude de sensibilité a permis de sélectionner deux systèmes optimisés. Les résultats démontrent l’importance des paramètres : volume de stockage et isolation du réservoir enfoui au sol. Plus le volume de stockage est grand, plus l’économie d’énergie annuelle est importante allant de 3679 kWh pour un réservoir de stockage de 30 m3 à 11344 kWh pour un réservoir de 100m3 couplé à 3 collecteurs au lieu de 2 collecteurs dans le cas de base. L’isolation du réservoir de stockage joue aussi un rôle important dans le bilan énergétique puisqu’on passe d’une économie d’énergie de 13509 kWh pour un système isolé à 21973 kWh pour un système non isolé. Les résultats obtenus montrent la faisabilité technique d’un système de chauffage et climatisation par stockage thermique, même dans un climat nordique comme le Québec. Pour conclure ce mémoire, une petite étude économique a été réalisée. Malgré la grande part d’économies d’énergies réalisées annuellement, un tel projet reste peu rentable d’un point de vue économique en raison du faible coût de l’électricité au Québec puisque la période de retour sur investissement du système le plus économique est de 38.6 années. Mots-Clés : stockage thermique, TRNSYS, collecteurs solaires, pompe à chaleur. ANALYSIS OF A RESIDENTIAL THERMALSTORAGE SYSTEM BY MASS OF WATER Samira CHERBAL ABSTRACT The present research focuses on the study and optimization of a thermal storage system by mass of water in a tank buried in the ground. Connected to solar collectors and coupled to a water / water heat pump, the water tank stores the heat collected in summer and releases it in winter for space heating and domestic hot water. Thermal storage is also carried out at the request of air conditioning. The building under consideration is a single family house located in Granby near Montreal with a heated area of 584 m2. In the basic system, the water tank has a storage volume of 30 m3, the solar collectors have an area of 6m2 and the heat pump has a capacity of 1.5 tons of refrigeration. Heating is provided by underfloor heating and an air handling unit. The heating coil is connected to a hot water tank and the cooling coil is connected to a cold water reservoir connected to the heat pump. The building load profile was achieved with a TRNBUILD modeling. The heating and cooling system has been modeled and simulated on the TRNSYS software. The results show a total load of 36344 kWh for space heating, domestic water and air conditioning. The basic system allows a total annual saving of 3679 kWh. With a sensitivity study, we have selected two optimized systems. The results demonstrate the importance of the storage volume and tank insulation parameters of the buried tank in the ground. The more storage volume, the greater the annual energy saving is going from 3679 kWh with a storage tank 30 m3 to 11344 kWh for a 100m3 reservoir coupled to 3 instead of 2 collectors in the initial case. The insulation of the storage tank also plays an important role in the energy balance since changes from 13509 kWh of energy savings for a single system 21973 kWh, for non-isolated system. The results show the technical feasibility of heating and cooling system thermal storage, even in a northern climate like Quebec. To conclude this brief, a small economic study was carried out. Despite the great amount of energy savings conducted annually, such a project is not profitable from an economic point of view due to the low cost of electricity in Quebec since the period of return on investment of the most economical system 38.6 years. Keywords : thermal storage, TRNSYS, solar collectors, heat pump TABLE DES MATIÈRES Page INTRODUCTION .....................................................................................................................1 CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTERATURE ....................................................................5 1.1 Introduction ....................................................................................................................5 1.2 Stockage de l’énergie .....................................................................................................7 1.3 Stockage thermique ........................................................................................................7 1.4 Stockage thermique solaire ..........................................................................................10 1.4.1 Chauffage de l’eau domestique ................................................................. 11 1.4.2 Chauffage solaire urbain ........................................................................... 13 1.5 Classification des systèmes de stockage thermique .....................................................15 1.5.1 Matériaux de stockage thermique par chaleur sensible ............................ 16 1.5.2 Technologie de stockage thermique saisonnier ........................................ 18 1.6 Initiatives et projets internationaux ..............................................................................20 1.6.1 AIE ............................................................................................................ 20 1.6.1.1 Task 7 ......................................................................................... 21 1.6.1.2 Task 26 ....................................................................................... 21 1.6.1.3 Task 32 ....................................................................................... 22 1.6.2 Canada et États-Unis ................................................................................. 23 1.6.2.1 Maisons EQuilibrium ................................................................. 24 1.6.2.2 Communauté Drake Landing ..................................................... 25 1.6.3 Europe ....................................................................................................... 26 1.7 Conclusion ...................................................................................................................29 CHAPITRE 2 DESCRIPTION DU BÂTIMENT....................................................................31 2.1 Description générale de la maison ...............................................................................31 2.2 Modélisation numérique du bâtiment ..........................................................................32 2.2.1 TRNSYS Simulation Studio ..................................................................... 33 2.2.2 TYPE 56.................................................................................................... 34 2.2.3 TRNBUILD .............................................................................................. 35 2.2.4 Enveloppe du uploads/Geographie/ samira-cherbal-2014.pdf