La modélisation des transferts couplés dans le sol pour l

La modélisation des transferts couplés dans le sol pour
l’étude des systèmes de stockage thermique inter-saisonniers
Directeurs de thèse : Ian Beausoleil-Morrison et Monika Woloszyn
24 juillet 2013
Contexte
Les systèmes de stockage d’énergie thermique peuvent être utilisés pour répondre au décalage
temporel entre la disponibilité de l’énergie solaire et les besoins des bâtiments. Notamment,
les réservoirs d’eau de quelques centaines de litres sont employés pour les besoins de stockage
diurne [Khalifa and Abbas, 2009]. Mais, cela est insuffisant pour le stockage à plus long terme.
Ce stockage inter-saisonnier de l’énergie a pour objectif de capter l’énergie thermique au moment où elle est abondante (l’été), la stocker, puis la restituer au moment où elle est nécessaire
(l’hiver).
Plusieurs options de stockage à long-terme (inter-saisonnier) existent mais elles sont pour la
plupart complexes, volumineuses, et onéreuses. Cependant, la mise en place d’un système de
stockage inter-saisonnier permet de réduire la taille, et donc le coût, de certaines parties du
système comme la superficie des capteurs installés [Fisch et al., 1998]. Le développement de
concepts de stockage d’énergie solaire inter-saisonnier viables pouvant répondre à la majorité
des besoins thermiques d’un bâtiment reste un enjeu de taille.
Il existe à l’heure actuelle quatre grandes classes de concepts de stockage inter-saisonnier : Les
stockages sensible, avec changement de phase, chimique, et thermochimique. Suivant Hadorn
[2008], les systèmes qui emploient les réactions chimiques peuvent offrir de grands avantages
au niveau de leur compacité. Cependant, de nombreux travaux de recherche restent à mener tant
en ce qui concerne les couples de réactifs que le système [Bales et al., 2008]. Dans le cas des
systèmes thermochimiques, mettant en œuvre les réactions de sorption, quelques prototypes de
laboratoire ont été déjà réalisés, comme celui du LOCIE à l’Université de Savoie [N’Tsoukpoe
et al., 2009]. Les recherches à faire sont encore nombreuses sur ces systèmes, comme l’optimisation des réacteurs, des échangeurs, ainsi que sur l’intégration aux bâtiments. L’autre classe
de concept, les matériaux à changement de phase comme les paraffines [Zalba et al., 2003; Kenisarin and Mahkamov, 2007] pourraient être des candidats intéressants pour les systèmes de
stockage inter-saisonnier, mais leurs faibles conductivité et capacité thermique les pénalisent
fortement [Streicher, 2008].
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La quatrième option pour les systèmes de stockage inter-saisonnier est le stockage de chaleur
sous forme sensible, via l’augmentation de la température d’un matériau sans changement de
phase ni réaction chimique. Après une revue bibliographique exhaustive, le laboratoire de recherche SBES (Sustainable Building Energy Systems) de l’Université Carleton a conclu que
les systèmes sensibles utilisant l’eau ou la terre sont de bons candidats pour un tel système de
stockage inter-saisonnier [Pinel et al., 2011].
Dans le cadre de la Tâche 7 du programme SHC (Solar Heating and Cooling) de l’Agence Internationale de l’Énergie, plusieurs systèmes de stockage de chaleur sensible enterrés ou utilisant
la terre ont été construits [Dalenbäch, 1990]. Plus récemment, Pinel and Beausoleil-Morrison
[2009] ont suggéré deux concepts pour le stockage inter-saisonnier pour des maisons individuelles :
1. Le stockage sensible dans un grand réservoir d’eau (inférieur à 100 m3 ) isolé et enterré.
2. Le stockage sensible dans une couche de terre ou sable isolée et enterrée sous les fondations de la maison.
Malgré quelques études effectuées récemment [Clarke et al., 2013; Hugo et al., 2010] il y a un
manque de connaissance sur le comportement et le rendement des systèmes de stockage intersaisonnier à l’échelle de maisons individuelles. Par contre, plusieurs études sur la conception et
l’analyse des systèmes de stockage inter-saisonnier à plus grande échelle (500 à 10 000 m3 ) ont
été effectuées. Selon Ochs et al. [2009], plus du 30 systèmes de ce type ont été construits dans
les 30 dernières années. Les mêmes auteurs ont aussi remarqué que dans la majorité des cas les
pertes de chaleur du système de stockage ont excédé les valeurs estimées : souvent par 30 à 50
pour cent.
La modélisation des systèmes de stockage inter-saisonnier prend typiquement en compte uniquement les transferts de chaleur par conduction. Pinel et al. [2011] discutent les modèles utilisés
pour la conception et l’analyse des systèmes de stockage inter-saisonnier. Une question importante concerne l’impact des transferts de masse (eau et air) dans le sol sur le comportement
énergétique des systèmes : que ce soit l’énergie transportée par ces transferts ou leurs impacts
sur les propriétés du sol. Ceci pourrait expliquer les écarts constatés par Ochs et al. [2009] entre
les résultats de simulations numériques et les mesures expérimentales.
Ainsi, le développement des approches de modélisation et de simulation numérique représentant les transferts couplés de chaleur et de masse est une question très importante ; à la fois pour
mieux comprendre le comportement des systèmes de stockage inter-saisonnier et pour pourvoir optimiser leur conception et leur utilisation dans le contexte de l’efficacité énergétique du
bâtiment.
Objectif
Le doctorant suivra les recherches en cours au SBES à l’Université Carleton et au LOCIE à
l’Université de Savoie. La conception d’une maison expérimentale (la maison « C-RISE ») est
en cours actuellement à l’Université Carleton. Cette maison inclura deux systèmes de stockage
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inter-saisonnier : un grand réservoir d’eau et une couche de sable isolée et enterrée. Cette dernière servira de support au travail de recherche décrit ici.
Pour répondre aux besoins décrits ci-dessus, le développement d’un modèle couplé de chaleur et
de masse est présentement en cours à l’Université Carleton (voire Pinel and Beausoleil-Morrison
[2009] et Pinel et al. [2011]). Ce modèle a pour l’objectif de considérer les transferts de chaleur
et masses couplés dans la couche de sable et entre le système de stockage et la maison. Ce
modèle est complet dans le sens qu’il considère tout les phénomènes importants (écoulement
liquide, diffusion de l’humidité, advection de l’humidité avec l’air, hystérésis dans la rétention
d’eau par le sol entre le mouillage et le séchage, la gel et le dégel.....).
Mais, à cause de sa complexité, ce modèle est pratiquement insoluble dans sa forme complète.
Donc, à l’aide d’une implémentation numérique en une et deux dimensions, un analyse de sensibilités est en cours avec le but de simplifier le modèle. Cependant, malgré les simplifications, à
la fin de cette étape de l’étude le modèle sera encore trop lourds pour être implémenté dans des
codes énergétiques considérant la performance du système entier comprenant les capteurs solaires, les systèmes de stockage inter-saisonnier et diurne, la maison, les échangeurs de chaleur,
les pompes, etc.
En parallèle, l’Université de Savoie explore la possibilité d’utiliser des méthodes de réduction
de modèles pour résoudre les problèmes couplés. Le travail en cours explore des méthodes de
réduction pour traiter les transferts couplés de chaleur et de l’humidité dans les parois de bâtiment [Berger et al., 2013]. Dans le cadre de ce travail, les méthodes classiques sont contrastés
avec méthodes émergents comme le méthode « Proper Generalized Decomposition » ou PGD
[Chinesta et al., 2011]. Les premiers résultats avec le méthode PGD sont prometteurs et laissent
croire que cette méthode pourrait permettre la résolution du problème couplé pour les systèmes
de stockage inter-saisonnier.
Les objectifs du travail de thèse de doctorat proposé ici sont les suivants :
1. Examiner si la PGD ou autre méthode de réduction pourrait résoudre le modèle couplé
pour le système de stockage inter-saisonnier (couche de sable) et ses interactions thermiques avec la maison. Concevoir des cas d’études et contraster les résultats du modèle
réduit avec ceux de l’implantation numérique du modèle complet.
2. Implanter le modèle réduit dans les codes de simulation énergétique, tel TRNSYS ou
ESP-r.
3. À l’aide de l’outil de co-simulation entre ESP-r et TRNSYS [Beausoleil-Morrison et al.,
2013] effectuer des simulations des systèmes complets comprenant les capteurs solaires,
les systèmes de stockage inter-saisonnier et diurne, la maison, les échangeurs de chaleur,
les pompes, etc. correspondant à l’installation expérimentale C-RISE et explorer la sensibilité de la performance du système.
4. Analyser les données mesurées sur l’installation de la maison expérimentale à l’Université
Carleton incluant une analyses des incertitudes des capteurs. Développer une base de données de cas de validation dérivé des mesures, comprenant par exemple les températures
dans la couche de sable, teneur en eau du sable, flux de chaleur, bilans énergétiques.
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5. Effectuer une validation expérimentales du modèle complet ainsi que du modèle réduit en
utilisant la base de données décrite ci-dessus.
Cadre de l’étude
L’étude proposée ici sera effectuée en cotutelle entre l’Université de Carleton et l’Université de
Savoie sous la direction des professeurs Ian Beausoleil-Morrison (SBES à Carleton) et Monika
Woloszyn (LOCIE en Savoie).
Le LOCIE (www.locie.univ-savoie.fr), unité mixte de recherches l’Université de Savoie – CNRS
(UMR 5271), est associé à l’INES (Institut National de l’Energie Solaire). Il est situé près de
Chambéry dans le Département de Savoie en France. On y étude les aspects énergétiques ainsi
que leur intégration dans le bâtiment et son environnement : autant pour le neuf que pour l’existant. Ces nombreux travaux de recherches concernent en particulier les bâtiments à haute efficacité énergétique : l’enveloppe performante, l’intégration des systèmes solaires, l’utilisation des
matériaux à faible impact environnemental, etc. Ils allient en général l’approche expérimentale
et numérique.
Le laboratoire SBES (www.SBES.ca) est situé dans la Faculté du Génie et de la Conception de
l’Université Carleton à Ottawa (Ontario) Canada. On y étude des systèmes énergétiques tel que
les systèmes solaires-thermiques et les systèmes de micro-cogénération ainsi que leur intégration
dans le bâtiment.
Le candidat travaillera dans les deux universités pendant son doctorat. La durée de financement
prévue est de 4 ans.
Candidat
Qualifications recherchées chez les candidats :
1. Formation : Master Recherche, Maîtrise en Sciences Appliquées, ou équivalent en études
de thermique du bâtiment, énergétique, écoulement et transferts dans les sols ou méthodes
numériques.
2. Compétences en méthodes numériques et programmation en Matlab, Fortran, C/C++, ou
autres langages de programmation.
3. Expérience d’utilisation des logiciels de simulation thermique dynamique et d’analyse
énergétique des bâtiments tel que TRNSYS, ESP-r, EnergyPlus, ou autre.
4. Un goût pour les méthodes mathématiques et la programmation.
5. La capacité de communiquer en français et en anglais.
Les candidats qui souhaitent postuler doivent envoyer leur dossier (CV ; liste de publications
éventuelles ; échantillon de texte écrit en français ou en anglais ; notes des 2 dernières années ;
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deux lettres de référence ; lettre de motivation) par courriel à [email protected]
et à [email protected].
Bibliographie
Bales, C., et al., Final report of subtask B—chemical and sorption storage, IEA SHC Task 32
Report B7. , 2008. , Technical report.
Beausoleil-Morrison, I., et al., 2013. Co-Simulation Between ESP-r and TRNSYS. Journal of
Building Performance Simulation Accepted for publication.
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