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Dimensionnement du « puits climatique » Analyse, modélisation, validation d’un

Dimensionnement du « puits climatique » Analyse, modélisation, validation d’un modèle de simulation dynamique pour les puits « canadiens » ou « provençaux » IZUBA énergies Thierry SALOMON Renaud MIKOLASEK contact@izuba.fr CENTRE ENERGETIQUE ET PROCEDES Ecole des Mines de Paris Bruno PEUPORTIER Stéphane THIERS bruno.peuportier@ensmp.fr SOLARTE Yves JAUTARD solarte@free.fr Alain TROMBE INSA de Toulouse Rapport final PREBAT ADEME 04 04C 000 1 Région Languedoc-Roussillon E 200 – 200307a E200 – Développement du puits climatique – Rapport final 2 A - Objectifs et intervenants Objectifs Cette étude a pour objet l’étude du potentiel de l’inertie du sol par le système de « puits canadien » ou de ‘puits provençal » (pour l’été), que l’on se propose de nommer ici « puits climatique ». Elle vise à : 1. Mieux analyser et quantifier les valeurs physiques nécessaires à la prise en compte de ces systèmes, 2. En déterminer un modèle de dimensionnement, 3. Implémenter ce modèle dans un logiciel de simulation dynamique, 4. Valider le modèle par rapport aux résultats observés sur des sites en service. Equipe L’équipe constituée par sa pluridisciplinarité a pu couvrir les besoins en études, recherches et mesures du projet : IZUBA Energies a apporté son expertise sur l’analyse des réalisations actuelles, la définition du module de calcul, l’implémentation et les test dans « Pleiades + Comfie ». ARMINES est intervenu principalement sur la modélisation et la conception du module de calcul et la validation sur site. SOLARTE a apporté son expertise sur l’analyse des réalisations récentes, sur les aspects de mise en œuvre et de conception architecturale globale des ouvrages. Alain TROMBE, consultant, a été sollicité pour l’antériorité de ses études et son expertise reconnue sur ce domaine. Synthèse des travaux réalisés Le travail réalisé au cours des six premiers mois de l'étude a permis l'état de l'art et son analyse, qui a aboutit à une première modélisation. Une première tentative de validation de cette modélisation a permis d'en identifier quelques imperfections et insuffisances. Le travail élaboré durant les six mois suivants a permis de faire évoluer la modélisation réalisée, notamment avec l’amélioration du détail du maillage, la refonte d’une partie des équations et la modélisation spécifique de la thermique du sol à travers une analyse de Fourier des conditions climatiques et un bilan énergétique à la surface du sol. Une première campagne de mesure a permis de faire avancer la validation de ce modèle. Le travail réalisé de février à août 2006 a consisté en l'amélioration du modèle, notamment en vue d’une meilleure prise en compte de la variété des échangeurs air/sol mis en œuvre au sein de bâtiments réels. Deux fonctionnalités majeures ont ainsi été apportées au modèle déjà développé : la prise en compte de l’influence du bâtiment situé à proximité pour le calcul la température du sol et la prise en compte de plusieurs nappes de tubes superposées au sein de l’échangeur. Dans ce rapport final, l’évaluation du modèle est présentée sous deux aspects. D’abord, une analyse de sensibilité du modèle à différents paramètres permet d’identifier les paramètres les plus influents et de vérifier qu’ils correspondent aux paramètres qui avaient été identifiés dans l’état de l’art. Ensuite, une première validation du modèle est réalisée à partir de la confrontation de résultats de simulation avec les mesures issues de deux installations instrumentées. E200 – Développement du puits climatique – Rapport final 3 B - Analyse et état de l’art L’analyse des ressources bibliographiques est séparée en deux parties. La première est consacrée aux travaux effectués sous la direction du professeur Alain Trombe qui participe à ce projet en tant que consultant. La seconde montre d’autres approches possibles à travers l’analyse d’autres ressources. Essais et instrumentations réalisés par l’INSA de Toulouse Liste des documents [T1] A.TROMBE et B.BOURRET INSA de Toulouse Contrat Puits Provençal ADEME – FRME : expérimentation de l’INSA 1993 [T2] A.TROMBE INSA de Toulouse Rafraîchissement d’air par puits provençal : expérimentation de l’Ariège 1993 [T3] A.TROMBE INSA de Toulouse Rafraîchissement d’air par puits provençal :expérimentation de Castanet 1991 [T4] INSA de Toulouse. KUNETZ J., LEFEBVRE L., Les puits provençaux. Etude et méthode de dimensionnement. Rapport de projet tutoré de 5ème année. Janvier 2004. 54 p. Analyse des documents : expérimentation de l’INSA Le document [T1] propose une modélisation d’un puits canadien suivie de sa validation expérimentale. Le modèle est construit grâce au principe de superposition permettant de chercher des solutions séparées pour les différentes sollicitations thermiques subies par la terre, la solution étant la somme des solutions séparées. Dans notre cas la terre est soumise à un échange thermique au niveau de la surface et à la charge imposée par le puits canadien. Le modèle prend en compte tous les phénomènes de transfert de chaleur à l’exception des échanges radiatifs et latents au niveau de la surface et des échanges latents dans le puits. Les échanges radiatifs sont principalement l’ensoleillement reçu par le sol et dans une moindre mesure les radiations émises par le sol vers le ciel la nuit. Les échanges latents sont relatifs à l’évaporation de l’eau. Les échanges latents dans les puits, en l’absence d’infiltrations sont négligés. L’avantage de ce modèle est d’être analytique. Il évite ainsi un maillage de la terre qui est délicat étant donné la géométrie du problème. Cependant, la présence de fonctions mathématiques dans les formules est susceptible d’augmenter nécessairement le temps de calcul. En outre, le principe de superposition peut être extrapolé à plusieurs puits facilement alors que c’est très délicat dans le cas des modélisations numériques par maille.0 Les deuxième et troisième parties constituent la validation expérimentale. La deuxième partie est consacrée uniquement à l’expérimentation. Elle présente trois expériences distinctes. La première est consacrée à l’étude d’un puits canadien classique et évalue son incidence sur la thermique d’un petit bâtiment. La seconde compare trois puits canadiens ne se différenciant que par le matériau le constituant. Enfin la troisième étudie l’évolution de la température du sol en l’absence de puits canadiens. La première expérience étudie à la fois l’été et l’hiver. Elle permet plusieurs constats. Les puits canadiens amortissent très bien l’oscillation jour-nuit qui passe d’une amplitude de 10°C pour l’air extérieur à 1°C pour la température de sortie des puits. En été, la température de sortie passe de 20 à 23°C entre début juillet et début août ce qui montre l’incidence de l’utilisation du puits et donc la nécessité de modéliser les puits canadiens de manière dynamique. Cela montre aussi 0 Toutes les autres modélisations sont construites en subdivisant la terre en maille. E200 – Développement du puits climatique – Rapport final 4 la capacité de rafraîchissement du système puisque l’air entre dans la pièce avec une température environ 5°C inférieure à celle de l’air extérieur. Pour l’hiver : Au mois de novembre et décembre la température de sortie vaut 14°C environ ce qui permet un préchauffage efficace de l’air de ventilation, environ 55% des besoins relatifs au renouvellement d’air sont assurés. Pendant la période allant de janvier à mars, ce chiffre n’est plus que de 25% à cause de la baisse de température de sortie du puits due à la fois à la baisse naturelle de température de la terre et aux prélèvements effectués pendant la période précédente. Au bilan, la couverture énergétique des puits canadiens pour le renouvellement d’air est d’environ 40%. La seconde expérience compare les températures en sortie de 3 puits de 10 mètres de long de ne se différenciant que par le matériau les constituant. Les écarts ne dépassent pas 2°C. Dans le cas d’un puits canadien réel, c’est à dire d’une longueur d’environ 30 mètres, ils seront encore bien plus faibles (de l’ordre de 0,5°C). Le choix du matériau constitutif du puits n’influe donc pas de manière significative sur son efficacité. La troisième expérience permet de vérifier la bonne concordance entre les valeurs expérimentales et théorique de la température du sol en l’absence de puits canadien. La température expérimentale est supérieure de 1 °C au maximum à 2,5 mètres de profondeur. La troisième partie compare les mesures expérimentales avec les résultats donnés par le modèle. La température de sortie théorique est plus faible d’environ 0,5°C en moyenne par rapport à la température expérimentale été comme hiver. Les températures le long du canal sont suivies par pas de 3 mètres. Les profils de température concordent très bien confirmant ainsi la pertinence de la modélisation de l’échange thermique air-sol. En conclusion de cette étude. • les performances des puits canadiens peuvent être évalués grâce au modèle présenté avec une bonne précision à condition de bien connaître les caractéristiques thermiques du sol. • en hiver les puits canadiens permettent de réaliser des économies de chauffage de l’ordre de 40% sur le poste de renouvellement d’air. • en été, la puissance de froid lors des périodes les plus chaudes vaut 800 W par puits et elle pourrait être augmentée grâce à une augmentation de débit. Etude paramétrique En partant du modèle ainsi construit et validé, la dernière partie de l’étude évalue l’influence des différents paramètres sur les performances du puits. Les uploads/Management/ puits-canadien-ademe.pdf