Soutenance mémoire
Comportement des échangeurs verticaux dans le sol
Comportement des échangeurs verticaux dans le sol
Lors de l’opération d’un système géothermique à boucle fermée verticale, on compte plusieurs phénomènes d’une influence considérable. Entre autres, l’effet axial définit l’impact de l’échange thermique entre le puits et la surface du sol (Marcotte et al. 2010).
Comme d’écrit précédemment, à partir d’une certaine profondeur, le sol est en équilibre thermique avec les conditions climatiques à la surface de ce dernier et demeure à température constante en tout temps. Suite aux variations engendrées par le rejet ou l’accumulation de chaleur du système géothermique, l’équilibre thermique est altéré et une certaine quantité d’énergie est perdue ou gagnée à travers la surface du sol. Ce dérèglement énergétique entraîne des changements dans la température aux alentours du puits influant par le fait même les performances du système global. On observe généralement l’impact de cet effet après de longues périodes de temps, en raison de l’importante inertie du sol. L’effet axial permet donc à la température du champ géothermique d’atteindre graduellement un nouvel équilibre thermique (Zeng et al. 2002).
Modélisation de la maison sous TRNSYS
Dans le but d’évaluer le plus précisément possible les charges annuelles de climatisation et de chauffage relatives à ladite maison, cette dernière a été entièrement modélisée dans TRNSYS avec l’aide du sous-logiciel TRNBuild. Celui-ci permet de définir l’ensemble des caractéristiques physiques d’un bâtiment comportant plusieurs zones de charge et d’utilisation différentes pour ensuite générer l’élément TYPE 56 utilisé par TRNSYS pour simuler le comportement thermique de l’ensemble. Il est donc nécessaire d’entrer dans ce sous-logiciel la surface des murs et des fenêtres, leur orientation et leur composition, de définir les systèmes et les zones thermiques, l’occupation, etc. L’ensemble de ces valeurs a donc été déterminé à partir des plans réels de la maison qui n’était pas encore construite à l’époque de son implémentation numérique. Cette dernière est en fait une maison de type unifamiliale à demi-niveau de 350 m2 de surface habitable comprenant également un garage double répartie sur deux étages. La façade de la maison est orientée franc Nord, à quelques degrés près. L’enveloppe du bâtiment est principalement composée de béton au niveau du sous-sol et d’une ossature de bois recouverte de briques au rez-de-chaussée et à l’étage.
Conditions climatiques
Les conditions climatiques dans lesquelles se trouve la maison ont été modélisées à l’aide des éléments Type 109, 33e et 69 b qui représentent respectivement un lecteur de données climatiques, une table psychométrique ainsi qu’un indicateur de température effective du ciel. Le Type 109 tire ses valeurs d’une bibliothèque incluse dans TRNSYS appelé Meteonorm, contenant des informations sur les températures extérieures, la pression atmosphérique, l’ensoleillement, les vents, le taux d’humidité et plusieurs autres données pour différentes régions et villes du monde entier.
Comme la maison a été construite à proximité de Montréal, les conditions climatiques de cette métropole qui ont été utilisées. Le Type 33e permet notamment de calculer la température du point de rosé extérieur utilisé par le Type 69 b pour déterminer une température effective du ciel. Cette dernière permet de tenir compte de l’énergie perdue par les parois de la maison sous forme de radiation vers le ciel. Ces trois éléments permettent donc de modéliser précisément les conditions extérieures que l’enveloppe de la maison et son système mécanique doivent pallier pour maintenir un espace intérieur confortable.
Modélisation du système générale
Le système destiné au chauffage et à la climatisation qui a été mis en place dans cette maison comprend plusieurs équipements spécifiques. En plus du plancher radiant, un réseau de distribution d’air a également été installé pour permettre la climatisation de la maison en période estivale à partir de la thermopompe géothermique. Un ensemble de capteurs solaires a également été installé sur le toit de la résidence. Cependant, ce dernier n’a pas été modélisé dans le cadre du présent mémoire puisque l’échangeur géothermique constituait le centre d’intérêt. Par contre, il serait intéressant d’ajouter cette composante au système pour en étudier son impact dans le cadre d’une future analyse.
Thermopompe géothermique :L’élément principal du système, outre l’échangeur géothermique, est sans contredit la thermopompe. a la particularité de fonctionner du côté de la charge avec deux médias d’échange différents, soit l’air et l’eau. Elle est constituée de trois échangeurs thermiques distincts et d’un jeu de valves d’inversion lui permettant d’opérer selon trois modes différents. En climatisation, le serpentin de l’unité permet de refroidir l’air soufflé par le ventilateur à l’instar d’une thermopompe conventionnelle. En chauffage par contre, il est possible d’utiliser le serpentin ou l’échangeur à eau pour rejeter de l’énergie dans une boucle hydraulique. C’est d’ailleurs ce dernier mode, dont le schéma est présenté ci-dessous, qui est utilisé pour produire la chaleur nécessaire au plancher radiant.
Réservoir d’eau chaude: Un réservoir de stockage d’eau chaude, faisant office de tampon entre la thermopompe et le plancher radiant, a été inclus dans le système. Il s’agit d’un réservoir des plus standards d’un volume de 225 litres avec deux entrées et sorties. Au niveau du schéma informatique, le réservoir a été modélisé avec le Type 4a de la bibliothèque TRNSYS. Ce dernier a été spécialement choisi puisqu’il tient compte du phénomène de stratification de la température du fluide à différents degrés en fonction des paramètres d’entrées. Étant donné que le présent mémoire ne porte pas sur ce point particulier, trois niveaux de stratification ont été jugés suffisants. Ainsi, le logiciel modélise les raccords dans la partie supérieure du réservoir pour le fluide chaud et dans la partie inférieure pour le fluide plus froid. Pour ce qui est des autres paramètres et variables d’entrée, outre les débits et les températures d’eau provenant de la thermopompe et du plancher chauffant, les valeurs standard du logiciel, jugées représentatives de la réalité, ont été conservées au niveau de l’isolation et de la température environnante.
Puits géothermique Type 557a: Pour la modélisation initiale du système, l’élément représentant les puits géothermiques verticaux de la bibliothèque TESS du logiciel TRNSYS, soit le Type 557a, a été utilisé.
Comme mentionné précédemment, ce dernier emploie le modèle DST de Hellström (1989).
Au niveau des paramètres d’entrée, la plupart des valeurs standards du logiciel ont été conservées. En effet, le but premier du présent mémoire consiste à analyser l’impact de l’utilisation d’échangeurs géothermiques particuliers. Ainsi, les valeurs de conductivité thermique du sol, du tuyau de PEHD et d’autres variables, jugées assez représentatives, ont été conservées. Par contre, la dimension totale réelle de l’échangeur à l’étude a été utilisée et répartie sur deux puits verticaux espacés de 5 mètres. Les variables d’entrée et de sortie sont quant à elles déterminées par les éléments de pompes et thermopompes présentés précédemment.
Système de contrôle: Afin d’assurer une bonne opération de tous les éléments décris précédemment, un système de contrôle a été implanté dans le modèle numérique. Comme aucun équipement permettant un certain niveau de modulation n’a été pris en compte, le système de contrôle de type digital, c’est-à-dire qui tient compte de seulement deux états pour chaque équipement, est relativement simple.
Les principales composantes du système de contrôle sont les éléments de calcul paramétrables qui font office de contrôleurs. Cette application, incluse dans le logiciel, permet d’effectuer plusieurs opérations mathématiques à partir de n’importe quelle variable d’entrée pour ensuite retourner la réponse de son calcul sous forme de paramètre de sortie.
Simulation avec le Type 557a de la bibliothèque TRNSYS
Afin d’évaluer l’impact de l’utilisation de puits géothermiques très courts comparativement à des puits de dimension standard, des simulations préliminaires ont été effectuées avec le modèle compris dans la bibliothèque TESS du logiciel TRNSYS, soit le Type 557a décrit précédemment. Selon la longueur déterminée à partir de la méthode de dimensionnement de Kavanaugh et Rafferty (1997), un échangeur de 180 mètres de longueur de puits géothermique a été modélisé d’après deux configurations différentes.
La première configuration d’échangeur consiste en un puits unique de 180 mètres de profondeur alors que dans le deuxième arrangement, 18 puits de 10 mètres ont été considérés.
Les puits du second échangeur ont été espacés de 5 mètres afin de réduire l’effet de l’interférence thermique observable à long terme (ASHRAE, 2007).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Mise en contexte
1.2 Comportement des échangeurs verticaux dans le sol
1.3 Dimensionnement des échangeurs
1.4 Simulation numérique
CHAPITRE 2 MODÉLISATION NUMÉRIQUE ET ANALYTIQUE DU SYSTÈME
2.1 Description générale
2.2 Modélisation de la maison sous TRNSYS
2.3 Conditions climatiques
2.4 Validation du modèle de maison
2.5 Modélisation du système générale
2.5.1 Thermopompe géothermique
2.5.2 Réservoir d’eau chaude
2.5.3 Échangeur d’air
2.5.4 Puits géothermique Type 557a
2.5.5 Système de contrôle
2.6 Modélisation analytique des puits géothermiques
2.6.1 Dimensionnement de l’échangeur géothermique selon le modèle de Kavanaugh et Rafferty pour la charge de chauffage
2.6.2 Description du champ géothermique à l’étude
2.6.3 Utilisation du modèle source linéaire finie pour puits incliné
CHAPITRE 3 SIMULATION DU SYSTÈME
3.1 Simulation avec le Type 557a de la bibliothèque TRNSYS
3.2 Validation du nouveau modèle analytique
3.3 Simulation et comparaison des deux modèles de puits géothermiques
3.4 Simulation avec l’échangeur géothermique dimensionné selon Kavanaugh et Rafferty
CHAPITRE 4 ANALYSE DES RÉPONSES THERMIQUES
4.1 Étude économique
CONCLUSION
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