Performance énergétique de puits canadiens

XXXe Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012
Performance
énergétique
de
puits
canadiens : impact du retour d’expérience
sur les données d’entrée de la simulation
Jérôme LOPEZ1, Stéphanie DECKER1, Stéphane GINESTET2
1
Nobatek, Esplanade des Arts et Métiers, F-33405 Talence Cedex, France.
([email protected])
2
Université de Toulouse, Laboratoire LMDC, EA3027 Université Paul Sabatier
Toulouse 3, INSA de Toulouse, 135 avenue de Rangueil, 31077 Toulouse Cedex 04,
France.
([email protected])
RÉSUMÉ. Le puits canadien peut être considéré comme une des réponses actuelles
apportées aux problématiques d’utilisation rationnelle de l’énergie et de la maîtrise du
confort dans le secteur de l’habitat. Le projet Effipuits a pour but de valider
expérimentalement et numériquement les performances thermiques et l’impact sur la qualité
de l’air intérieur, de ces solutions sous un climat océanique (Aquitaine). Cette
communication aborde les performances énergétiques d’une installation des points de vue
expérimental et numérique avec comme objectif de réaliser un retour d’expérience sur le
fonctionnement de puits canadiens réels. Basés sur les caractéristiques d’un site
expérimental, deux outils de simulation ont été utilisés : DesignBuilder/EnergyPlus et
Pleiades+Comfie®. Les résultats ont permis une analyse des données d’entrée de ces outils
dans le cas d’un puits connecté à une maison individuelle. Une analyse critique de ces deux
outils a ensuite permis de mieux affiner les données d’entrée des modèles.
ABSTRACT. Earth-air heat exchanger can be considered as one of the current responses to
the problem of rational use of energy and comfort control in buildings. The Effipuits project
aims to validate experimentally and numerically the thermal performance and the impact on
the indoor air quality of this solution under an oceanic climate (Aquitaine). This paper
discusses the energy performance of an installation from experimental and numerical point of
view, in order to achieve a feedback on real earth-air heat exchanger. Based on experiment
site characteristics, two simulation tools were used, DesignBuilder / EnergyPlus and
Pleiades+ Comfie ®. The results enabled an input data analysis of tools in the case of an
earth-air heat exchanger connected to a single house. A critical analysis of these tools
allowed refining the input data models.
MOTS-CLÉS :
puits canadien, métrologie, simulation
KEY WORDS:
earth-air heat exchanger, metrology, simulation
XXe Rencontres Universitaires de Génie Civil. Chambéry, 6 au 8 juin 2012.
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1. Contexte du projet
Une des réponses actuelles aux problématiques d’utilisation rationnelle de
l’énergie dans le secteur de l’habitat peut être apportée par les puits canadiens.
Ceux-ci sont maintenant fréquemment installés dans les projets labellisés HQE®,
mais peu de travaux s’attachent à valider sur site les économies d’énergie réalisées.
Le projet Effipuits a pour but de valider expérimentalement et numériquement les
performances thermiques et l’impact sur la qualité de l’air intérieur, de ces solutions
sous un climat océanique (Aquitaine). Dans ce projet, le puits canadien est donc
abordé dans différentes phases : conception, mise en œuvre, usage et
démantèlement. Ce projet a pour objectif principal la diffusion du retour
d’expérience, afin de valoriser cette technologie en mettant en avant toutes les
difficultés liées à l’utilisation et la mise en œuvre d’un puits.
La communication présentée ici est axée à la fois sur la partie modélisation du
puits canadien via les logiciels de simulation thermique dynamique, mais aussi sur le
retour d’expérience in situ. En effet, certains logiciels sont souvent utilisés pour
réaliser la conception du puits canadien, mais la principale difficulté est de caler
leurs données d’entrée, et les paramètres des modèles afin qu’ils représentent au
mieux la réalité. L’étude présentée ici s’apparente à une étude en phase de
conception mais permet également d’expliquer certains écarts en phase d’utilisation.
La première partie de cette communication présente une synthèse des modèles
utilisés pour décrire les phénomènes physiques que l’on retrouve dans les puits
canadiens. Dans un second temps, l’instrumentation sur site et les données d’entrée
ainsi récupérées sont présentées. Les deux logiciels utilisés sont ensuite présentés,
ainsi que les résultats des simulations. Un des sites instrumenté pour le projet a servi
de base pour la comparaison des modèles utilisés dans la simulation numérique. La
recherche de l’explication d’un écart significatif sur le résultat final constitue
l’apport majeur de ce travail.
2. Quelques éléments bibliographiques sur la modélisation des puits
canadiens
L’étude du puits canadien dans son ensemble se révèle être très conséquente si
l’on souhaite faire une modélisation exhaustive. Cette revue documentaire a pour
but de faire la synthèse de la littérature actuelle. On retrouve principalement des
études comparatives entre la simulation et les relevés expérimentaux afin de valider
le modèle numérique utilisé. Cependant, cette vérification se cantonne souvent à un
nombre de valeurs expérimentales plutôt restreint ou à la mise en place d’hypothèses
souvent trop restrictives. Ces études s’accompagnent aussi la plupart du temps d’une
analyse théorique des échanges thermiques. Enfin, certains auteurs essayent
d’ajuster les paramètres de dimensionnement (diamètre de tuyau, longueur de
canalisations, débit, etc…) afin d’optimiser les performances énergétiques du puits
canadien.
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2.1. Modélisation des échanges dans le sol
Les phénomènes présents autour de l’échangeur air-sol sont complexes à
modéliser. La première difficulté tient dans la représentation du transfert thermique
au sein du sol pour déterminer la température au niveau des tubes de l’échangeur. Il
est alors possible de calculer l’échange thermique entre l’air et les tubes au sein de
l’échangeur afin d’obtenir une température de l’air insufflée dans le bâtiment.
2.1.1. Modèle simplifié
De nombreuses études [DEP 03, BAD 03, GHO 06] utilisent une forme simple
afin de modéliser la température de l’air en sortie du puits canadien. Ces modèles,
souvent cantonnés à une configuration linéaire avec un seul tube, considèrent la
température du sol comme un paramètre sans prendre en compte l’influence que
peut avoir l’échange entre l’air dans l’échangeur et le sol sur cette température. De
ce fait la température du sol s’apparente à une fonction sinusoïdale simplifiée,
dépendante uniquement de la profondeur et du temps.
2.1.2. Modèle de Hollmuller
La thèse de doctorat de Hollmuller constitue aujourd’hui l'une des principales
références pour la thermique des échangeurs air-sol [HOL 02]. En s'appuyant sur
une modélisation théorique analytique approfondie mais aussi sur de nombreuses
mesures in-situ, l'auteur y établit des règles simples pour le dimensionnement des
échangeurs air-sol. La dynamique de l’échange et l’influence des différentes
caractéristiques physiques du sol sont étudiées dans un cas idéal (un seul tube enfoui
dans le sol). Après une adimensionnalisation du problème, l’étude aboutit à des
solutions analytiques complètes permettant de simuler les échanges de chaleurs
intervenant entre un tube et le sol qui l'entoure. La dynamique du stockage
thermique réalisé dans le sol est analysée : l’échangeur est considéré comme un
filtre intervenant sur le signal thermique constitué par la température de l’air entrant.
L’auteur analyse les capacités d’amortissement et de déphasage du signal en
fonction de la fréquence de variation de ce dernier.
2.1.3. Modèle de Thiers
Plus récemment, le modèle de Thiers [THI 08] considère un modèle construit
comme la superposition de trois phénomènes indépendants : la conduction dans le
sol du signal de température provenant de la surface du sol (effet des conditions
atmosphériques, dont la prise en compte des effets du vent), la conduction du flux
thermique provenant d’un bâtiment situé à proximité de la portion de sol considérée
(influence du bâtiment sur la température du sol) et enfin la conduction d’un flux
thermique en provenance du sous-sol (flux géothermique).
2.1.4. Autres modèles
La littérature offre quelques modèles assez proches des précédents. Par exemple,
[BAD 07] propose un modèle de transfert thermique dans le sol en deux dimensions,
s’appuyant sur un bilan thermique à la surface du sol, et un modèle d’échangeur
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simple monotube. [TIT 08] proposent un modèle basé la méthode convolutive des
facteurs de réponse. [BOJ 97] détaille un modèle unidimensionnel simple. Le profil
de température variable le long des tubes et l’influence du bâtiment proche ne sont
pas pris en compte. Par contre, cette étude considère bien le couplage de l’échangeur
au bâtiment. [TZA 92] a réalisé une étude comparative de plusieurs modèles
utilisant dans chaque cas un calcul discret sur la longueur du tube. Il en conclut alors
qu’il existe une limite à partir de laquelle les changements de configuration n’ont
plus d’influence sur la température de sortie avec une erreur d’environ 3.5% en
moyenne par rapport à des résultats expérimentaux. D’autres auteurs [MIH 94]
utilisent une prédiction paramétrique de la température de sortie. En effet, en
considérant les paramètres influençant comme critères de calcul, ils développent un
algorithme basé sur l’utilisation d’abaque permettant de prédire la température
suivant la configuration installée. Enfin, le modèle mis en œuvre au sein du logiciel
WKM ® (proche du modèle [THI 08]) intègre une approche en différences finies et
la prise en compte d’une température de sol variable [HUB 06].
2.2. Modélisation des autres paramètres fondamentaux
D’autres paramètres sont essentiels à la définition de la dynamique thermique du
système : le débit d’air total, le nombre et le diamètre des tubes, la vitesse de l’air
dans les tubes, la longueur des tubes, la distance entre tubes, la profondeur
d'enfouissement des tubes et enfin la nature du sol et son taux d'humidité. Ces
informations-là sont souvent des données d’entrée de certains modèles.
3. Présentation du site instrumenté
Deux maisons BBC en pin maritime ont été livrées en Janvier 2010 au TaillanMédoc en Gironde (Figure 1). Ces maisons ont la particularité d’intégrer du pin
maritime dans leur structure. Un suivi de leurs performances mandaté par la Région
Aquitaine est effectué par Nobatek depuis leur livraison. L’une d’entre elles (maison
10, MPPMF pour Maisons Passive en Pin Maritime du Futur dans le reste du
document), est équipée d’un puits canadien. Le puits canadien est couplé à une
VMC double flux équipée d’un by-pass sur son échangeur. Ce dernier permet
d’éviter la récupération de chaleur sur l’air extrait de la maison en été. Il peut être
commandé manuellement à partir d’un tableau de commande présent dans la
cuisine. Une vanne, installée sur l’arrivée d’air neuf extérieur, permet de choisir
entre l’utilisation exclusive de l’air provenant du puits et l’utilisation d’un mélange
de cet air avec l’air extérieur. Son fonctionnement est automatique et asservi en
fonction de la température extérieure. Une batterie de capteurs a été alors installée
afin de réaliser un bilan complet du puits [GAS 11].
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Figure 1. Photo de la maison MPPMF et caractéristiques des maisons et du
puits canadien associé
Figure 2 : Déploiement des capteurs de température et d'humidité relative
4. Etudes en simulation thermique dynamique
L’étude menée consiste à exploiter des logiciels utilisés pour la simulation du
puits canadien afin d’analyser la cohérence de leurs résultats. L’étude [GAS 11,
POU 12] s’articule autour du projet MPPMF. Actuellement, il existe de nombreux
logiciels de simulation tels que Pleiades+Comfie, DesignBuilder, TRNSYS, etc. le
choix a été fait ici en s’appuyant sur les publications traitant le sujet comme vu dans
la partie précédente. Les logiciels très largement utilisés que sont Pleiades+Comfie
® (par la suite noté P+C) et DesignBuilder (par la suite noté DB) ont été retenus. La
modélisation du puits canadien est relativement rapide dans Pléiades Comfie, qui
utilise le modèle de Thiers [THI 08]. L’interface graphique DesignBuilder n’offre
pas la modélisation de puits canadien. Il est cependant possible d’enrichir la
simulation en liant des fichiers de format idf (format de fichier EnergyPlus). Ceux-ci
ont été ajoutés à l’idf généré par DesignBuilder puis traités par EnergyPlus. Pour lire
les résultats associés au puits (fichier .eso), il est nécessaire d’utiliser un logiciel
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fourni par EnergyPlus : xEsoView. Le module proposé par EnergyPlus
ZoneEarthtube permet de définir le puits canadien et son environnement.
4.1. Démarche adoptée
Dans un premier temps, les travaux ont consisté à simuler le puits sous les deux
logiciels afin de faire varier chacun des paramètres et étudier l’influence qu’ils
avaient sur le résultat final (température de sortie du puits). Les résultats, attendus,
ont été les suivants : la performance du puits augmente avec la profondeur
d’enfouissement et avec la longueur de tubes jusqu’à atteindre un optimum, et le
bâtiment n’a de réelle influence que lorsque le puits se situe sous le bâtiment. Cette
étude a également révélée un écart de type « offset » pour les températures de sortie
du puits entre les deux modèles.
4.2. Paramètres d’entrée
Afin de pouvoir faire un comparatif le plus représentatif possible, il a été fait en
sorte que les paramètres d’entrée soient les plus proches possibles dans chacun des
logiciels. Le choix de l’étude de la Maison en Pin Maritime du Futur (MPPMF), un
cas réel, a été fait pour ensuite pouvoir comparer la simulation aux mesures issues
de la campagne.
4.3. Les différences entre P+C et DB
Les paramètres d’entrée ayant été rapprochés autant que possible dans les deux
logiciels, la simulation du puits a été effectuée. La simulation a été menée sur une
année complète avec un pas de temps horaire. Après simulation, le résultat final est
la courbe annuelle de température de sortie du puits présentée sur la Figure 3.
Figure 3. Comparaison de la température d’air en sortie du puits sous P+C et DB
Sur le graphe, apparait clairement la différence de type « offset » soulevée par
[GAS 2011]. Deux éléments se dégagent pour expliquer cet écart.
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5. Analyses et premières préconisations
5.1. Validation des modèles
La validation des modèles implémentés sur les logiciels par la comparaison avec
des relevés expérimentaux est essentielle. Dans la majorité des publications relatives
à l’échangeur air-sol, on retrouve une comparaison mais malheureusement plusieurs
paramètres font qu’elles sont difficilement exploitables. De la même manière, on
retrouve des données (conductivité du sol, air extérieur,…) qui sont très spécifiques
à chaque projet et qui nécessitent une caractérisation bien précise pour éviter
l’accumulation d’erreurs sur la comparaison finale. Même si des auteurs comme
[BAN 09] annonce un écart de 2,07% pour l’été et 11,4% pour l’hiver entre sa
modélisation et ses relevés expérimentaux ou encore [ALA 05] qui constate un écart
de ±0.1°C-±0.6, la validation du modèle reste complexe. Il est nécessaire de
s’attacher à bien définir celle-ci le plus exhaustivement possible pour ne pas tomber
dans l’erreur et ne pas hésiter à nuancer ses conclusions vis-à-vis des hypothèses qui
auront été posées [SER 97]. [THI 08] a ainsi réalisé une étude de sensibilité des
paramètres afin de limiter toutes les erreurs possibles. Ainsi selon lui, pour un
échangeur air-sol dont l’efficacité moyenne est élevée, la validation du modèle passe
par une détermination correcte de la température du sol « non-perturbé ». [THI 08]
récapitule l’ensemble des résultats de l’étude de sensibilité réalisée.
5.2. Sources potentielles de l’écart
Les paramètres les plus influents sont ceux liés à l’échange thermique entre le
sol et l’atmosphère (exposition du sol au vent, absorptivité de la surface du sol,
données de rayonnement solaire) et ceux décrivant la nature du sol. Après analyse et
comparaison des résultats numériques et expérimentaux réalisés dans le cadre
d’Effipuits, la différence entre les deux logiciels se situe au niveau du modèle de sol
et au niveau du traitement du fichier météo par les logiciels de simulation.
5.2.1. Modèles de sol
Le flux géothermique dépend du site considéré [KUN 08]. Cependant, en raison
de la faible profondeur d'enfouissement d'un échangeur air-sol, l’effet du flux
géothermique est faible devant les autres contributions (quelques dixièmes de degré
au maximum). Finalement, après étude des modèles de sol, ce paramètre semble
modifier le résultat d’une valeur plutôt faible. Dans notre cas, nous pouvons dire que
l’effet géothermique engendre à 2 m de profondeur un écart d’environ 0,4°K sur le
résultat final. Un autre paramètre entraîne donc cette différence. L’étude menée nous
a permis d’identifier un phénomène liée à la prise en compte de la météo.
5.2.2. Effets de la météo
Le graphe montre que le choix de l’exposition au vent sur P+C déplace la courbe
verticalement ce qui veut dire que l’on applique un « offset » au résultat final. Par
rapport au choix d’exposition « normal » au départ, l’option vent « sévère » semble
correspondre mieux ou du moins rapprocher la courbe de température de sortie du
puits de P+C vers celle de DB (Figure 3).
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Figure 3. Etude comparative du choix d’exposition au vent dans P+C par rapport à
DB
Pour P+C, le vent est pris en compte selon trois critères. Nous avons aussi vérifié
si lors de la conversion via Meteocalc une perte des données vent était constatable
ce qui pourrait expliquer ce mode de prise en compte du vent par P+C. Lors de la
conversion automatique d’un fichier .epw (pour DB) en .try (pour P+C), la donnée
vent ne paraît plus prise en compte correctement ce qui semble être une piste
sérieuse pour expliquer cet écart.
5.3. Perspectives pour les mesures in situ
La comparaison au cas réel est une des phases essentielles à réaliser puisqu’elle
va permettre de voir l’adéquation de la modélisation avec la réalité du terrain. Cette
phase est actuellement en cours de réalisation. Un travail va être mené pour effectuer
la distinction entre le rayonnement solaire direct et le diffus (la station météo du
Taillan Médoc ne permet que la mesure du rayonnement global) et affiner les
résultats. Toutefois, en se basant sur les caractéristiques du site du Taillan Médoc et
pour des données météo simulées proches des données expérimentales (température
extérieure notamment, Figure 4), on constate une température réelle en sortie du
puits qui oscille entre les deux températures de sortie simulées sous P+C et DB
(Figure 5). Pour ces écarts entre les données expérimentales et celles issues de la
simulation, une autre explication d’origine météorologique peut être invoquée (en
plus de la prise en compte du vent). En effet, la régénération (et le rafraîchissement)
du sol lors d’averses n’est pas prise en compte par les modèles. Qui plus est ce type
de sol en périphérie de la métropole bordelaise est très sensible à l’eau de pluie.
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Figure 4. Comparaison de la température extérieure réelle et de celle issue du
fichier de simulation (Poly = interpolation polynomiale)
Figure 5. Comparaison de la température mesurée en sortie du puits avec celle
issue des logiciels de simulations en phase de conception (fichier météo de
simulation)
6. Conclusion
La synthèse bibliographique associée à l’analyse des deux logiciels P+C et DB
permettent d’aborder plus finement la phase modélisation/conception d’un projet
incluant un puits canadien. L’impact des données d’entrée a été clairement mis en
évidence, et des solutions pour limiter les offsets constatés sont en cours d’étude.
L’impact du flux géothermique apparaît négligeable. L’influence du vent doit
clairement être considérée avec la plus grande attention. La récupération des
mesures de rayonnements solaires direct et diffus va être prise en compte dans la
suite du projet et permettra d’affiner ces résultats.
Remerciements
Les auteurs tiennent à remercier le Conseil Régional d’Aquitaine pour son soutien
administratif et financier au projet Effipuits.
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