enr810 – Énergies renouvelables géothermie : basse énergie
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ENR810 – Énergies renouvelablesGéothermie : Basse énergie
Daniel R. Rousse, ing., M.Sc.A., Ph.D.Département de génie mécanique
Patrick Belzile, ing., M.ing.Louis Lamarche, ing. M.Sc.A, Ph.D.Pierre-Luc Paradis, B.Ing, M.Ing, Ph.D.Stéphane Hallé, M.Sc.A., Ph.D.
Groupe de recherche industrielleen technologie de l’énergie et en efficacité énergétique
Plan de cours
• Système à basse énergie– Système classique– Exemples de projets– Échangeur sol-air
2ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Système à basse énergie• Comment faire pour alimenter un espace
avec de l’air à 30oC à partir d’un sol à 8oC?
14/03/2018 ENR810 Énergies renouvelables 3
http://bioclimatic-technology.com/equipements/la-geothermie/
Système à basse énergie• Pompe à chaleur
14/03/2018 ENR810 Énergies renouvelables 4
Réf.: Canmet Énergie manuel RETScreen
12
3 4
QLQH
Système à basse énergie• Pompe à chaleur (cycle idéal)
14/03/2018 ENR810 Énergies renouvelables 5
Système à basse énergie
6ENR810 - Éneries renouvelables14/03/2018
Système à basse énergie• Pompe à chaleur à boucle secondaire
14/03/2018 ENR810 Énergies renouvelables 7
Chauffage Climatisation
QL
QH
QH
QL
Système à basse énergie• Pompe à chaleur à expansion directe
14/03/2018 ENR810 Énergies renouvelables 8
Chauffage Climatisation
Système à basse énergie
• Systèmes hybrides– Tour de refroidissement– Collecteurs solaires– …
9
Réf.: Energy Center of Wisconsin
ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Pourquoi coupler un champ géothermique avec une tour de refroidissement ou des collecteurs solaires?
Système à basse énergie
10
-40
-20
0
20
40
60
80
1001
259
517
775
1033
1291
1549
1807
2065
2323
2581
2839
3097
3355
3613
3871
4129
4387
4645
4903
5161
5419
5677
5935
6193
6451
6709
6967
7225
7483
7741
7999
8257
8515
Char
ge (k
W)
Heure
Exemple de charge débalancée
ChauffageClimatisation
ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Système à basse énergie
• Extraction– Épuiser l’énergie utile après une période de
temps (de 10 à 25 ans)– Les performances diminuent avec le temps
• Stockage thermique– Balancer les charges thermiques
11ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Système à basse énergie• L’écoulement d’eau souterraine peut être:
– Bénéfique pour l’extraction• Source de chaleur inépuisable
– Néfaste pour le stockage• Emporte la chaleur avec elle
12
Réf.: Environnement Canada
ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Système à basse énergie
• Puits verticaux
13ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Système à basse énergie
• Puits horizontaux
14
Réf.: Ressources Naturelles Canada
ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Système à basse énergie• Systèmes à boucle ouverte
14/03/2018 ENR810 Énergies renouvelables 15
Système à basse énergie• Quel système est préférable?
– Puits concentriques– Boucles fermées – Boucles ouvertes – Expansion directe– Thermopieux
16ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Système à basse énergie• Deux approches de conception:
– Dimensionnement• Déterminer les longueurs• Systèmes classiques, plus simples• Données mensuelles, maximales
– Simulation• Évaluer le comportement du sol et du fluide• Systèmes hybrides, plus complexes• Données horaires
17ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Système à basse énergie• Logiciels de dimensionnement
– Ground Loop Design– EED– RetSCREEN– GCHPCALC– GLHEPRO– …
• Logiciels de simulation– TRNSYS– Simeb
18ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Système à basse énergie• Validité des logiciels de simulation
– Balance entre niveau de détails et précision
Réf.: Shonder et Hugues (1998)
19ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Système à basse énergie
20
0
20
40
60
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1200,
0%2,
5%5,
0%7,
5%10
,0%
12,6
%15
,1%
17,6
%20
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22,6
%25
,1%
27,6
%30
,1%
32,6
%35
,2%
37,7
%40
,2%
42,7
%45
,2%
47,7
%50
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%55
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57,8
%60
,3%
62,8
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,3%
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,3%
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%75
,3%
77,8
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82,9
%85
,4%
87,9
%90
,4%
92,9
%95
,4%
97,9
%
Chau
ffag
e (k
W)
Charge en fonction du temps
95% du temps
Demande maximale
ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Système à basse énergie• Conception1. Calcul des charges du bâtiment 2. Choix initial des composantes et du fluide caloporteur 3. Détermination des propriétés et de la température du sol 4. Spécifications du type de configuration de puits et calcul des
longueurs de puits 5. Design du système hydraulique
1. Collecteur et système de purge2. Choix des pompes de circulation
6. Évaluation d’autres designs7. Itérations pour tenter d’optimiser
14/03/2018 ENR810 Énergies renouvelables 21
Système à basse énergie• Puits géothermiques
– Puit vertical avec tube en U
Réf.: Eskilson
22ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Système à basse énergie• Puit vertical avec tube en U
– Fluide caloporteur– Tuyau– Coulis– Sol
GroundBorehole
U-Tube Tf
Tp
Tb
23ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Système à basse énergie
• Tuyaux (HDPE)
• Coulis– Évite que les puits artésiens inondent le terrain– Protège l’eau souterraine de contamination– Généralement moins bonnes propriétés
thermiques que le sol
24
http://www.centennialplastics.com
ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Système à basse énergie• Choix du fluide caloporteur, un compromis:
– Toxicité– Inflammabilité– Conductivité thermique– Chaleur spécifique– Viscosité– (éthylène glycol, propylène glycol, méthanol, etc.)
25
Photo: www.reuk.co.uk
ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Système à basse énergie• Fluides caloporteurs
26
Réf.: Heinonen et Tapscott
ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Système à basse énergie• Évaluer les propriétés
du sol– Coalition canadienne
de l’énergie géothermique:
• Cartes géologiques• Rapports de forage
27
http://www.geo-exchange.ca/
ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Système à basse énergie• TRT (Thermal Response Test)
28ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
http://www.nb-construction.net
Système à basse énergie• TRT (Thermal Response Test)
– Utiliser une charge thermique la plus stable possible
– Observer le développement des températures à l’entrée et à la sortie du puits géothermique
– La durée du test est recommandée de 50 heures au minimum
29
Réf.: Sanner, B., Hellström, G., Spitler, J., Gehlin, S. (2005)
ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Système à basse énergie• Température du sol (Ts)
14/03/2018 ENR810 Énergies renouvelables 30
Réf.: Canmet Énergie manuel RETScreen
Plan de cours
• Système à basse énergie– Système classique– Exemples de projets– Échangeur sol-air
31ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Exemples de projets• Différentes échelles:
– Campus UQAR-Lévis– Patinoires (Centre Grant-Harvey Center)– Épiceries (Résidences ÉTS)– Quartiers/Communautés
• Drake Landing
32ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Exemples de projets• UQAR Lévis
– Design à 88% de la charge de chauffage– Pay-back 8-12 ans– 125 puits– 200 m
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Exemples de projets• Centre Grant-Harvey Center
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La chaleur rejetée par l’aréna permet de chauffer les terrains de tennis.
Exemples de projets
35
• Résidences ÉTS– 18 puits– 139 m
Réf.: Bouthillette Parizeau et Associés
ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Exemples de projets
36
Réf.: www.dlsc.ca
ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
• Drake Landing
Exemples de projets
37
Réf.: www.dlsc.ca
• Drake Landing– Okotoks, Ab.– 52 maisons
détachées (~1500 pi2)
– Pas de pompes à chaleur
– 90% de fraction solaire de chauffage
ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Exemples de projets• Drake Landing
– 144 puits– Séries de 6 puits– 35 m– 80°C en été
38
Réf.: www.dlsc.ca
ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
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L’énergie géothermique
ENR 810 - Énergies renouvelables
• Étude de cas– Une résidence unifamiliale exclusivement
alimentée en électricité possède un profil de consommation tel que représenté ci-dessous.
14/03/2018 40
L’énergie géothermique
ENR 810 - Énergies renouvelables
14/03/2018 41
L’énergie géothermique
ENR 810 - Énergies renouvelables
• Étude de cas– On propose de remplacer l’unité de chauffage
central à l’électricité par une pompe à chaleur (4000$) et un champ géothermique (16000$).
– En première approximation, que recommandez-vous suite à une étude de faisabilité?
• De ne pas pousser plus avant l’étude de faisabilité• De faire une étude exhaustive (aux frais du client) de la
rentabilité du projet.• D’accorder un contrat à une firme de manière à
dimensionner et installer le matériel le plus approprié.
L’énergie géothermique
14/03/2018 ENR810 Énergies renouvelables 42
Plan de cours
• Introduction• Système à basse énergie
– Système classique– Exemples de projets– Échangeur sol-air
43ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Système à basse énergie• Les échangeurs sol-air
44ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Ecohabitation, 2012
Système à basse énergie• Les échangeurs sol-air
45ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
http://www.fiabitat.com/dimensionner-un-puits-canadien/
Système à basse énergie• Les échangeurs sol-air
46ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
http://www.fiabitat.com/dimensionner-un-puits-canadien/
Système à basse énergie• Les échangeurs sol-air
47ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Desmeules, S. 2017, Rapport de projet, 15 crédits, ÉTS
Système à basse énergie• Les échangeurs sol-air
– Une analyse simple
48ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Desmeules, S. 2017, Rapport de projet, 15 crédits, ÉTS
∆𝑇𝑇𝑎𝑎,𝑜𝑜
∆𝑇𝑇𝑎𝑎,𝑖𝑖=𝑇𝑇𝑠𝑠 − 𝑇𝑇𝑎𝑎,𝑜𝑜
𝑇𝑇𝑠𝑠 − 𝑇𝑇𝑎𝑎,𝑖𝑖= 𝑒𝑒
− 1�̇�𝑚𝑎𝑎𝑐𝑐𝑝𝑝,𝑎𝑎 𝑅𝑅𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡
Système à basse énergie• Les échangeurs sol-air
– Une analyse simple
49ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Desmeules, S. 2017, Rapport de projet, 15 crédits, ÉTS
𝑅𝑅𝑡𝑡𝑜𝑜𝑡𝑡 = 𝑅𝑅𝑎𝑎 + 𝑅𝑅𝑝𝑝 + 𝑅𝑅𝑔𝑔
𝑅𝑅𝑎𝑎 =1
ℎ𝑎𝑎𝜋𝜋𝐷𝐷𝑖𝑖𝐿𝐿
𝑅𝑅𝑝𝑝 =𝑙𝑙𝑙𝑙 𝐷𝐷𝑜𝑜
𝐷𝐷𝑖𝑖2𝜋𝜋𝐿𝐿𝑘𝑘𝑝𝑝
𝑅𝑅𝑔𝑔 =𝑙𝑙𝑙𝑙
𝐷𝐷𝑔𝑔𝐷𝐷𝑜𝑜
2𝜋𝜋𝐿𝐿𝑘𝑘𝑔𝑔
Système à basse énergie• Les échangeurs sol-air
– Une analyse améliorée• Hollmuler et al.(2013) proposent un modèle équivalent
mais amélioré pour le dimensionnement d’un puits canadien.
• Ce modèle analytique se base sur une impulsion temporaire, et permet d’évaluer la zone du sol impactée par le puits.
• Pas à l’étude dans ce cours.
50ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Desmeules, S. 2017, Rapport de projet, 15 crédits, ÉTS
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L’énergie géothermique
ENR 810 - Énergies renouvelables
• Étude de cas– Dans ce problème, un échangeur sol-air est considéré
pour préchauffer l'air frais d'une VRC.– Le sol est considéré à température constante de 7oC
pendant toute la période de chauffage. – Le tube de PVC de longueur L = 40 m possède un
diamètre extérieur de 20 cm et une épaisseur de 3mm. Le rayon considéré au-delà duquel le sol ne varie pas en température est de 15 cm.
– Les conductivités du sol et du PVC sont de 0,52 W/mKet 0,35 W/mK
14/03/2018 52
L’énergie géothermique
ENR 810 - Énergies renouvelables
• Étude de cas– On circule 200 CFM d'air.– Les températures moyennes mensuelles pour
Montréal sont de :• January -10,2• February -8,4• March -2,3• November 1,6• December -6,3
– Quel est le gain thermique pendant ces cinq mois?– Quelle est la valeur de cette énergie si vous devez
entrer en compétition avec un fournisseur:• d'électricité à 0,10$/kWh?• de gaz à 0,40$/m3?
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L’énergie géothermique
ENR 810 - Énergies renouvelables
• Étude de cas– Si vous désirez une PRI simple de 10 ans, quel est le
budget d'investissement initial maximal possible?– Quelle est votre recommandation:
• On abandonne, ce ne sera jamais rentable• On poursuit par une étude de faisabilité en engageant une
firme spécialisée
– Note : vous négligez, en première approximation:• les variations de propriétés de l'air,• les variations de la température du sol,• la consommation du ventilateur (pertes de charge), • les frais annuels d'entretien et de maintien d'actifs
Conclusion• Plusieurs paramètres sont importants dans le
dimensionnement de champs géothermiques;• Les choix de ces paramètres est une question
de compromis;• En stockage thermique, les charges d’un
champ géothermiques doivent être balancées le plus possible;
• Ce qui détermine la faisabilité sera toujours ultimement une question de $.
54ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
Références• Shonder (2000), A comparison of vertical ground heat exchanger design software for
commercial applications• Shonder et Hugues (1998), Increasing confidence in geothermal heat pump design methods• Hellström (1991), Ground Heat Storage• Dinçer et Rosen (2011), Thermal Energy Storage• Florides et Kalogirou (2007), Ground heat exchangers--A review of systems, models and
applications• Kavanaugh (1985), Simulation and experimental verification of vertical ground-coupled heat
pump systems• Eskilson (1987), Thermal analysis of heat extraction boreholes• Sanner, B., Hellström, G., Spitler, J., Gehlin, S. (2005), Thermal response test—current status
and world-wide application• ASHRAE Applications (2003)• ASHRAE Journal (2012), Vol. 54, no. 6• Heinonen, E.W. and R.E. Tapscott (1996), Assessment of anti-freeze solutions for ground-
source heat pump systems
55ENR810 Énergies renouvelables14/03/2018
https://www.esmap.org/sites/esmap.org/files/ESMAP_Geothermal%20Handbook_FRENCH.pdf
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