partie 1 – p. 1 Energie géothermique: systèmes à basse enthalpie
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partie 1 – p. 1 Energie géothermique: systèmes à basse enthalpie
Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design LEEE - DACD - SUPSI Laboratorio Energia Ecologia Economia Energie géothermique: systèmes à basse enthalpie – partie 1 - Panorama des applications géothermiques à basse enthalpie - Systèmes avec une sonde géothermique Daniel Pahud SUPSI – DACD – LEEE L’énergie géothermique Applications de la géothermie • utilisation indirecte (production d’électricité) • utilisation directe (production de chaleur) Dr. D. Pahud partie 1 – p. 1 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI (source Brunner et al., 2000) Production d’électricité géothermique dans le monde Géothermie à haute et basse enthalpie basse enthalpie => utilisation directe (chaleur) géothermie de faible profondeur et géothermie profonde (source Häring Geo-project, Steinmaur) Dr. D. Pahud partie 1 – p. 2 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI L’énergie géothermique en Suisse Ressource de faible profondeur • • • • basse enthalpie sondes géothermiques serpentins horizontaux captage de la nappe phréatique pieux énergétique X X X X Ressource de grande profondeur • • • • sondes géothermiques profondes aquifère profond eau de tunnel hot dry rock X Autres applications • stockage de chaleur dans le terrain X Sondes géothermiques Longueur: 20 – 300 m Chauffage, eau chaude, refroidissement Dimensionnement: • géologie locale, type de terrain • eau souterraine • utilisation, type de système • etc. Dr. D. Pahud Pour le chauffage: 20 – 70 W/m partie 1 – p. 3 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Longueur totale des sondes géothermiques installées annuellement (km/an) Evolution de la longueur des sondes installées annuellement 700 600 500 400 300 200 100 0 1993 1995 1997 1999 2001 2003 situation en Suisse Serpentins horizontaux Tubes enterrés jusqu’à 3 m de profondeur Chauffage, eau chaude Influence de la météo, grande surface nécessaire => de moins en moins utilisé Pour le chauffage: 20 – 30 W/m2 Dr. D. Pahud partie 1 – p. 4 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Corbeilles géothermiques • Tuyaux en polyéthylène enroulés en spirales. • Profondeur 1.5 m jusqu’à 3m • Chauffage, refroidissement • Alternative pour des faibles puissances de chauffage de l’ordre de 10kW • Compensation de sondes trop courtes Captage de la nappe phréatique Perméabilité suffisamment élevée Chauffage, eau chaude, refroidissement Eau de la nappe 8 – 12 °C, constante toute l’année Système à 1 ou 2 puits Dr. D. Pahud partie 1 – p. 5 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Pieux énergétiques LEEE - DACD - SUPSI Centro scolastico a Fully (VS) Pieux de fondations avec échangeur de chaleur Chauffage, eau chaude, refroidissement Similaire au stockage saisonnier de chaleur Pour le chauffage: 20 – 100 W/m Eau de tunnel Effet de drainage d’un massif rocheux Chauffage de bâtiment par le biais d’une pompe à chaleur Température jusqu’à 30 °C Exemple du tunnel de la Furka à Oberwald (VS): eau à la sortie du tunnel: 16 °C, débit de 5’400 litres/min potentiel de chauffage de 3’700 kW (si eau refroidie à 6 °C) actuellement: 177 appartements alimentés par l’eau de tunnel, puissance de chauffage installée de 960 kW Dr. D. Pahud partie 1 – p. 6 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Stockage de chaleur dans le terrain Stockage saisonnier de l’énergie solaire Chauffage, eau chaude, dégivrage de route, etc. Stockage saisonnier de “chaleur” et de “froid” Energie géothermique en Suisse Contribution des différentes sources d’énergie géothermique (estimation pour 1999, sans compter les centres thermaux) Production annuelle (GWh) Sondes géothermiques 362*) Serpentins horizontaux 32 Captage de la nappe phréatique 180 Pieux énergétiques 3 Sondes géothermiques profondes 1 Aquifère profond 36 Eau de tunnel 4 Total *) Dr. D. Pahud 618 (fonte Rybach e al., 2000) Système estimation 2001: environ 500 GWh/an partie 1 – p. 7 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Avantages de la géothermie • Indépendance énergie indigène et respectueuse de l’environnement • Durabilité inépuisable à l’échelle de l’ère humaine • Disponibilité disponible en permanence, ne dépend pas de conditions climatiques • Universalité utilisable dans tout pays et pour tout climat • Discrétion les installations ne nécessitent qu’un espace minimum en surface Sources d’information sur internet Dr. D. Pahud www.geothermal-energy.ch Société Suisse pour la Géothermie (SSG) www.energie-suisse.ch Geothermal Program of OFEN www.dhm.ch Deep Heat Mining Project Basel www.soultz.net European HDR project, Soultzs-F, France www.geothermie.de German geothermal association e.V. www.iga.igg.cnr.it International Geothermal Association (IGA) partie 1 – p. 8 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Unités d’énergie Unité de mesure d’énergie du système international : J (Joule) Ù 1J 1 W s (Watt seconde) 1 kJ (k : kilo) Ù 103 J 1 MJ (M : méga) Ù 106 J 1 GJ (G : giga) Ù 109 J 1 HJ (H : hexa) Ù 1012 J 1 PJ (P : péta) Ù 1015 J Ù 4.186 J 1 cal (calorie) 1 tep (tonne équivalent pétrole) Ù 1 tonne de pétrole brut Ù 1 tep Ù 1 toe (tonne oil equivalent) 7.3 barils Ù 1'160 litres 42.244 GJ Paramètres déterminants pour les processus thermiques Conduction dans le terrain => conductivité thermique λ W/mK => capacité thermique volumétrique ρC J/m3K λ ρC m2/s • diffusivité thermique a = Convection dans le terrain => perméabilité => gradient hydraulique Température initiale du terrain Dr. D. Pahud partie 1 – p. 9 SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Author: Daniel Pahud Propriétés physiques Dans la table suivante, les valeurs de conductivité thermique et de capacité thermique volumétrique des roches les plus courantes sont données à titre indicatif (VDI 4640, 2000). Type de roche – rock type Roches magmatiques – Magmatic rocks Basalte – basalt Diorite – diorite Gabbro – gabbro Granit – granite Péridotite – peridotite Rhyolithe – rhyolite Roche métamorphiques – Metamorphous rocks Gneiss – gneiss Marbre – marble Métaquartzite – metaquartzite Micaschistes – micaschists Schistes argilleux – argillaceous schists Roches sédimentaires – Sedimentary rocks Calcaire – limestone Marne – marl Quartzite – quartzite Sel – salt Grès – sandstone Roches argilleuses, limoneuses – claystone/siltstone Roches non consolidées – Unconsolidated rocks Gravier, sec – gravel, dry Gravier, saturé d’eau – gravel, watersaturated Moraine – moraine Sable, sec – sand, dry Sable, saturé d’eau – sand, watersaturated Argile/limon, sec – clay/silt, dry Argile/limon, saturé d’eau – clay/silt, watersaturated Tourbe – peat Autres substances – Other substances Bentonite – bentonite Béton – concrete Glace (-10°C) – ice (-10°C) Plastique (PE) – plastic (PE) Air (0-20°C, sec) – air (0-20°C, dry) Acier – steel Eau (+10 °C) – water (+10 °C) Table Conductivité thermique – Thermal conductivity λ (W/mK) min valeur typique max Capacité thermique volumétrique – Volumetric thermal capacity ρC (MJ/m3K) 1.3 2.0 1.7 2.1 3.8 3.1 1.7 2.6 1.9 3.4 4.0 3.3 2.3 2.9 2.5 4.1 5.3 3.4 2.3 – 2.6 2.9 2.6 2.1 – 3.0 2.7 2.1 1.9 1.3 4.0 3.1 1.5 1.5 2.9 2.1 env. 5.8 2.0 2.1 3.1 2.1 1.8 – 2.4 2.0 2.1 2.2 2.2 – 2.5 2.5 1.5 3.6 5.3 1.3 1.1 2.8 2.1 6.0 5.4 2.3 2.2 4.0 3.5 6.6 6.4 5.1 3.5 2.1 – 2.4 2.2 – 2.3 2.1 – 2.2 1.2 1.6 – 2.8 2.1 – 2.4 0.4 0.4 env. 1.8 2.0 0.4 2.4 0.5 1.7 0.4 0.5 1.4 – 1.6 env. 2.4 1.5 – 2.5 1.3 – 1.6 2.2 – 2.9 1.5 – 1.6 1.6 – 3.4 0.5 – 3.8 1.0 0.3 1.7 0.4 0.9 0.2 0.5 0.9 0.6 1.6 2.32 0.39 0.02 60 0.58 2.5 0.8 5.0 1.0 2.3 0.7 0.8 2.0 env. 3.9 env. 1.8 1.87 0.0012 3.12 4.19 Conductivité thermique et capacité thermique volumétrique de différents types de roche. Conductivité-et-capacité-roche.doc Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Influence de la surface sur les températures du terrain Onde de chaleur T(z, t) = To + dTo ⋅ exp(- z /δ ) ⋅ cos(ω (t-t o ) - z /δ ) Profondeur de pénétration δ = 2a / ω = a T/ π Période de l’onde de chaleur (T) Profondeur de pénétration (δ) Profondeur pour une réduction d’un facteur 10 de l’amplitude de l’onde de chaleur 1 heure 0.03 m 0.08 m 1 jour 0.17 m 0.38 m 1 semaine 0.44 m 1.01 m 1 mois 0.91 m 2.10 m 1 année 3.17 m 7.29 m calculé pour une diffusivité thermique de 10-6 m2/s Influence de la surface sur les températures du terrain - calcul dTo 0 Profondeur (z) [m] janvier juillet 5 avril octobre 10 diffusivité thermique du -6 2 terrain: 10 m /s 15 20 0 5 10 To 15 20 Température [°C] Dr. D. Pahud partie 1 – p. 10 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI (source Sanner) Influence de la surface sur les températures du terrain - mesure Dr. D. Pahud partie 1 – p. 11 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design LEEE - DACD - SUPSI Laboratorio Energia Ecologia Economia Systèmes avec une sonde géothermique - sonde géothermique - extraction à long terme – d’où vient l’énergie - dimensionnement d’un système de chauffage avec sonde géothermique - exercice Dr. Daniel Pahud Laboratoire d’Energie, d’Ecologie et d’Economie – DACD – SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Laboratorio Energia Ecologia Economia Qu’est-ce qu’une sonde géothermique ? Echangeur de chaleur avec le terrain, formé par la sonde géothermique et le terrain lui-même Taille de l’échangeur: longueur H de la sonde Q [W] = q [W/m] H [m] Un transfert de chaleur q [W/m] crée un écart de température entre le terrain Tm dans la zone non perturbée par la sonde et le fluide caloporteur Tf circulant dans la sonde q [W/m] = (Tm – Tf) [K] / (Rb* + Rg(t)) [K/(W/m)] Sonde géothermique Dr. D. Pahud partie 1 – p. 12 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design LEEE - DACD - SUPSI Laboratorio Energia Ecologia Economia Comment fait-on une sonde ? Forage diamètre: 10 – 15 cm profondeur: 20 – 300 m Sonde géothermique Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Laboratorio Energia Ecologia Economia Sonde géothermique en double-U polyéthylène PE diamètre ext. tube 20 - 25 - 32 - 40 mm Sonde géothermique Dr. D. Pahud partie 1 – p. 13 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana LEEE - DACD - SUPSI Laboratorio Energia Ecologia Economia Matériau de remplissage Idéalement un matériau - facilement mis en place - bon contact tube-terrain - bon conducteur thermique - très peu perméable à l’eau En pratique - coulis ciment-bentonite Matériaux plus conducteur - ThermoCem© Stüwatherm® - sable de quartz ? Sonde géothermique Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Laboratorio Energia Ecologia Economia Paramètre clef d’une sonde géothermique Résistance thermique effective de la sonde Rb* = (Tb-Tf) / q ground - + + upward fluid channel - downward fluid channel borehole wall pipes - + spacer filling material 0.1 m Rb* ~ 0.1 K/(W/m); Importance - diamètre forage - écartement des tubes - conductivité thermique matériau de remplissage - régime d’écoulement - débit et longueur ∆T=Tb-Tf de 5 K avec transfert de 50 W/m Sonde géothermique Dr. D. Pahud partie 1 – p. 14 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design LEEE - DACD - SUPSI Laboratorio Energia Ecologia Economia Effet du débit et de la longueur de la sonde sur Rb* (double-U) Résistance thermique locale de la sonde Rb Résistance thermique effective de la sonde Rb* régime d’écoulement débit et longueur H de la sonde Tf Tf Tb Tf ⎛ H ⎞ ⎟ Rb = Rb + A ⎜ ⎝ débit ⎠ 2 * Tf Sonde géothermique Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Laboratorio Energia Ecologia Economia Résistance thermique effective Rb* [K/(W/m)] Calcul de Rb* (double-U) pour la sonde pilote du centre D4 0.30 Sonde pilote: longueur 160 m diamètre forage 15 cm double-U 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0.0 Sonde géothermique Dr. D. Pahud 0.5 1.0 Débit dans la sonde [m3/h] 1.5 2.0 partie 1 – p. 15 SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 1/13 Author: Daniel Pahud 1. BOREHOLE HEAT EXCHANGER – LONG TERM EFFECT AND CALCULATION Shallow geothermal energy had a great development these last years with the ground coupled heat pump systems (GCHP system). Borehole heat exchangers (BHE) are coupled to a heat pump for heating purposes. In certain cases, the borehole heat exchangers are also used for cooling purposes. They may serve as a heat sink for a cooling machine. Direct use is also possible, for the cooling of the building structure or the air without cooling machine. A borehole heat exchanger is a ground heat exchanger devised for the extraction or injection of thermal energy from/into the ground. A borehole heat exchanger is usually drilled to a depth of between 20 and 300 m with a diameter of 10 – 15 cm. Pipes are inserted inside the borehole so that a heat carrier fluid can circulate and exchange heat with the surrounding ground. For example a double U-pipe heat exchanger (see figure 1) is made of 2 plastic pipes forming a U-shape in the borehole, so that the fluid is driven down to the bottom and then back up (typical outer pipe diameter: 25 – 40 mm). A filling material is introduced between the pipes and the borehole wall, in order to ensure good thermal contact with the ground. In some cases, the filling material also has to prevent vertical circulation of ground water. ground - + + upward fluid channel - downward fluid channel borehole wall pipes - + spacer filling material 0.1 m Figure 1 Schematic cross section of a typical double U-pipe borehole heat exchanger. Every few metres, spacers may also be fixed on the pipes to keep them apart. Calculation tools for the thermal simulation of a borehole heat exchanger or even multiple borehole exchangers exist for the calculation of both short-term and long-term effects. At Lund University in Sweden, simple and fast methods were developed to quickly estimate the thermal behaviour of a borehole configuration. They are based on the concept of g-functions (Claesson and Eskilson, 1987a; Geothermie-EPFL-BHE-calculation.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 2/13 Author: Daniel Pahud Eskilson, 1987). Eskilson also found analytical solutions of the heat conduction equation for a single borehole exchanger. They will help us to better understand the long-term thermal process in the ground, the spatial extension of the thermal perturbation and the origin of thermal heat in the case of pure heat conduction and for heat extraction only. Long-term thermal process of a single borehole heat exchanger Thermal heat processes in the ground are heat conduction and heat convection (free or forced). The processes tend to bring the system to a steady state. Where a significant regional ground water flow exists, it is often not allowed to make a borehole heat exchanger. The “worst case”, in the point of view of the heat extraction efficiency of a borehole heat exchanger, is when the heat transfer by convection is negligible. In the following considerations, we will restrict the calculations to the pure heat conduction case. The yearly variations of the thermal power extracted by a borehole heat exchanger can be seen as a periodic function that is added to an average heat extraction power Q, which would be the resulting power if a constant heat extraction rate was achieved during the year. After one period, the net energy extracted by the periodic component is zero. The amplitude of the resulting temperature oscillations in the ground are decreasing with the distance to the borehole, and they can be neglected after a few meters already. Due to the cylindrical symmetry, the attenuation of this thermal wave is even stronger than for the plane case discussed in the previous chapter. As we are interested in long term effects in the ground, it is sufficient to consider only the average heat extraction power Q of the borehole. As seen in the previous chapter, the influence of the annual variations at the ground surface are small after a few meters. They can be neglected, since the typical length of a borehole is around 100 m. It is quite sufficient to use an equivalent constant air temperature To at the ground surface (Claesson and Eskilson, 1987b). This temperature is normally close to the annual mean air temperature. These considerations allow us to define the long term thermal problem related to a borehole heat exchanger. In figure 2a we consider the ground before heat is extracted by a borehole. The geothermal heat flux qgeo, assumed to be constant, is responsible for the geothermal temperature gradient. This is an equilibrium state which defines the natural conditions. The temperature field in the ground is stationary and depends only on the depth z. The geothermal heat flux crosses the ground surface and is entirely dissipated in the environment. Geothermie-EPFL-BHE-calculation.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia 2a: before Page 3/13 Author: Daniel Pahud 2b: after To To H q = 0 (W/m) T o(z) H q = q 1 (W/m), t > 0 T(r,z,t) Q = q 1 H = Qg(t)+Qs(t) q geo (W/m2) Figure 2 q geo (W/m2) Definition of the thermal problem related to a single borehole heat exchanger (of active length H) in the case of pure heat conduction in a homogeneous ground. In figure 2b, heat is extracted from the borehole heat exchanger. The heat extraction can be characterised by the average heat extraction rate q1, defined by the ratio Q/H (Claesson and Eskilson, 1987b). H is the active length of the borehole, i.e. the length along which heat is extracted. Deep enough below the borehole, the geothermal heat flux qgeo will not be influenced and will remain constant. At the ground surface, a time- and radial-dependent heat flux (qsurf(r,t)) will start to flow from the environment to the ground. It will be superposed to the natural geothermal heat flux that normally crosses the ground surface. The thermal power Qs(t) results from the integration of this heat flux over the ground surface. Qs(t) is one of the two energy sources of the borehole. It is called the boundary heat source, as heat originates from both the geothermal heat flux and the environment. The net contribution from the environment is known from the integration of the overall heat flux at the ground surface (i. e. qsurf(r,t) - qgeo) over the area where it flows towards the ground, thus where (qsurf(r,t) qgeo) is positive. The other heat source is Qg(t), which is simply the thermal power extracted from the thermal capacity of the ground. This heat source can last only if the ground temperature is decreasing with time. The questions to answer are how the relative importance of the two heat sources evolves with time and does a stabilisation of the borehole temperature occur ? As we consider a pure heat conductive problem in a homogeneous medium, the equation to solve is the heat conduction equation. The superposition principle allows us to treat the influence of the borehole heat extraction as a temperature perturbation that is superposed to the natural temperature field To(z). As a result, the initial and top boundary temperature that the temperature perturbation field has to satisfy are zero (see figure 3). Geothermie-EPFL-BHE-calculation.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 4/13 Author: Daniel Pahud To T = 0 °C To H H q = q1 , t>0 q = q1 , t > 0 To(r,z,t=0)= To(z) Tq(r,z,t=0)= 0 °C T(r,z,t) = T o(z) qgeo (W/m2) Figure 3 + Tq(r,z,t) qgeo (W/m2) The influence of the borehole heat extraction is treated as a temperature perturbation. The problem has been solved by Eskilson who approximated the borehole with a finite line sink. The zero temperature at the ground surface is obtained by adding a finite mirror source (Claesson and Eskilson, 1987b). The transient analytical solution is (equations 1 and 2): Tq1 (r, z, t) = - q1 D+ H 4π λ ∫ D ⎛1 ⎛ r ⎞⎞ ⎛ r ⎞ 1 ⎜ erfc⎜⎜ + ⎟⎟ - erfc⎜⎜ − ⎟⎟ ⎟ ds ⎜r ⎟ ⎝ 4 a t ⎠⎠ ⎝ 4 a t ⎠ r− ⎝ + r+ = r 2 + (z - s) 2 r− = r 2 + (z + s) 2 (1) (2) The time t is counted from the beginning of the heat extraction rate q1. The depth z is measured with a positive value from the ground surface. The radius r is the radial distance to the borehole axis. The total depth of the borehole is D+H, where D is the distance from the ground surface to the top part of the borehole where heat is extracted. The solution contains the complementary error function erfc, defined by the formula (3). erfc(x) = 2 π ∞ ∫e -µ 2 dµ (3) x When the time t is increasing to large values (infinity), the solution for the temperature field Tq1 tends toward a stationary solution (see equation 4). Geothermie-EPFL-BHE-calculation.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Tq1s (r, z) = - Page 5/13 Author: Daniel Pahud D+ H q1 4π λ ∫ D ⎛1 1⎞ ⎜⎜ - ⎟⎟ ds r ⎝ + r− ⎠ (4) This steady state solution means that heat can be extracted from the borehole without any decrease of the temperature field. In other terms, heat extraction can never stop and the heat source will never be exhausted. In this sense, shallow geothermal energy is a fully renewable source of energy. The transient solution for Tq1 can be used to calculate the perturbation heat flux qsurf(r,t) at the ground surface. It is then integrated over the ground surface to establish a formula for the boundary heat source Qs(t). Eskilson did the job and found (equations 5 and 6): ⎛ ⎛ D + H ⎞⎞ ⎛ D ⎞ Q s (t) = q1 4 a t ⎜⎜ ierfc⎜ ⎟ ⎟⎟ ⎟ - ierfc⎜ a a 4 t 4 t ⎝ ⎠⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ierfc(x ) = 1 π e - x - x erfc(x ) 2 (5) (6) Let us define a typical example with the following characteristics: • • • • • • rb H D λ ρC Tm • Qsource • toperation = 0.06 m (borehole radius) = 120 m (active borehole length) =2m = 2.4 W/mK (mean ground thermal conductivity) = 2.16 MJ/m3K (mean ground volumetric thermal capacity) = 11.5 °C (average ground temperature before heat extraction, corresponds more or less to the average ground temperature at half of the borehole length (depth of 60 m)) = 4.5 kW (Heat extraction power from the borehole during system operation; it fixes the design heat extraction rate q to 4500W/120m = 37.5 W/m) = 1800 h/y (Annual operating time of the borehole heat exchanger / heat pump) These numbers fix the ground thermal diffusivity a to 1.1 . 10-6 m2/s and the average heat extraction rate q1 to 7.7 W/m. The formulas given above allow us to calculate the fraction of the extracted heat that originate from the boundary heat source (η = Qs(t)/(H q1)) and the borehole wall temperature Tb, calculated as the average ground temperature along the borehole at the borehole radius (see table 1). Geothermie-EPFL-BHE-calculation.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 6/13 Author: Daniel Pahud Time t / year 1 2 5 10 50 100 500 1000 η = Qs(t)/(H q1) 4% 6% 11% 16% 37% 50% 75% 82% Tb / °C 8.98 8.82 8.62 8.48 8.23 8.17 8.11 8.11 Table 1 Fraction of the extracted thermal energy that originates from the boundary heat source (η and average borehole wall temperature Tb). In the stationary state all the extracted energy comes from the boundary heat source. Assuming a geothermal temperature gradient of 30 K per km and the previous data, the net contribution from the environment is calculated to about 5%. The remaining 95% comes from the geothermal heat flux that has been trapped by the borehole heat exchanger. From table 1 it can be seen that steady state conditions require an extremely long time to be reached. The necessary time so that more than 90% of the extracted heat originates from the boundary heat source is counted in millenniums. However the thermal influence of the borehole is relatively modest. At a radial distance of 10 meters, the maximum temperature decrease in the ground is about 1 K under steady state conditions. For a single borehole heat extraction system, the borehole temperature stabilises much faster than the time required for a stationary state. After 1 operation year the long term temperature decrease has already reached three quarters of its maximum value. The long term temperature decrease is superposed to the annual and daily temperature variations in the borehole, which are typically of about 10 K. For the calculated example, the remaining temperature decrease is less than 1 K after 1 year. The g-function concept Eskilson has shown by numerical studies that the thermal process within the borehole can be separated from the thermal process in the ground by considering the average temperature of the borehole wall Tb (Claesson and Eskilson, 1987c). When a constant heat extraction rate q1 is extracted from the borehole, the evolution of the borehole wall temperature Tb can be calculated with the help of a dimensionless g-function (equation 7). Tb(t) = Tm - q1 2π λ g(Es, rb /H) or q1 = (Tm – Tb(t)) / Rg(t) (7) with Rg(t) = 1 g(Es, rb /H) 2πλ The undisturbed ground temperature Tm is the average temperature of the ground layer crossed by the borehole before heat is extracted. Es is called the Eskilson number and is defined by the ratio t/ts. The time ts is the time scale associated to a single borehole so that the steady state solution provides a good approximation of the borehole temperature (see equation 8). The borehole radius is rb. Geothermie-EPFL-BHE-calculation.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 7/13 Author: Daniel Pahud ts = H2 9a (8) For times greater than ts, Eskilson approximated the g-function of a single borehole (equation 9) with the help of the steady state solution Tq1s given in the previous section (Claesson and Eskilson, 1987b). ⎛ H ⎞ ⎟⎟ g(Es > 1, rb /H) = ln⎜⎜ ⎝ 2 rb ⎠ (rb << H) (9) 5 rb2 The maximum deviation is 7% at Es = 1. For smaller times ( < t < t s ), Eskilson established a radial a solution with the help of an infinite line source. The lower limit, which is typically a few hours, is due to the line source approximation (see equation 10). g( ⎛ H 5 rb2 < Es < 1, rb /H) = ln⎜⎜ a ts ⎝ 2 rb ⎞ 1 ⎟⎟ + ln(Es) ⎠ 2 (10) The time ts is actually defined by the time where the two approximations intersect (see figure 4). For the example given above, the time ts corresponds to about 50 years. Figure 4 Graphic representation of the g-function for a single borehole heat exchanger (having rb/H=0.0005) and its approximation with relations 9 and 10 (dashed line). Geothermie-EPFL-BHE-calculation.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 8/13 Author: Daniel Pahud The solution for a variable heat extraction rate q(t) is obtained from the solution for a constant heat extraction step q1 by using the principle of superposition. The concept of g-function can be applied to any borehole configuration. Eskilson did calculate many different configurations with the Superposition Borehole Model (SBM) he developed (Eskilson and Claesson, 1987). The g-function depends also on geometric parameters, such as the dimensionless borehole spacing B/H. The dependence on D/H was found to be small (Claesson and Eskilson, 1987a). In figure 5 the g-functions for a two borehole configuration is shown as an example. The distance B is the spacing between the two boreholes. The g-function for a single borehole is shown with the dashed line. Figure 5 Dimensionless g-function for a two borehole configuration. The spacing between the two borehole is B. The g-functions do not depend on the parameters for the heat exchanger in the borehole. For a different borehole radius r1 the dependence is given by relation 11 (Claesson and Eskilson, 1987a). ⎛r ⎞ g(Es , r1/H, ...) = g(Es , rb /H, ...) - ln⎜⎜ 1 ⎟⎟ ⎝ rb ⎠ Geothermie-EPFL-BHE-calculation.doc (11) SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 9/13 Author: Daniel Pahud The borehole thermal resistance The thermal characteristic of a borehole heat exchanger is determined by its effective borehole thermal resistance Rb*, which defines the proportional relationship between the temperature difference fluid–ground on the borehole wall and the heat rate exchanged by the borehole. As the temperatures and heat rate are time-dependent, this relation disregards the heat capacitive effects of the borehole itself, whose effects are normally small. The effective borehole thermal resistance takes into account both the geometrical parameters of the borehole heat exchanger (pipe spacing, diameter, number of pipes, depth) and the physical parameters (thermal conductivity of the materials, flow rate in the borehole, fluid properties, etc.). The quality of the borehole heat exchanger is higher with a lower borehole thermal resistance. By definition, the mean fluid temperature is the arithmetic mean of the inlet/outlet fluid temperature to/from the borehole (cf. relation 12, Hellström, 1991). Tb - Tf = q ⋅ R *b Tf = • • • • or q = (Tb-Tf) / Rb* 1 (Tfin + Tfout ) 2 (12) (13) Rb* : Tf : effective borehole thermal resistance of the borehole heat exchanger [K/(W/m)]; mean fluid temperature defined by relation (13). Tf is the arithmetic mean of the inlet fluid temperature (Tfin) and the outlet fluid temperature (Tfout) into/out of the borehole heat exchanger [°C]; Tb : average ground temperature on the borehole wall [°C]; q = Q/H [W/m], Q : total heat rate transferred by the borehole [W] whose active length is H [m]. A low flow rate tends to increase the effective borehole thermal resistance, especially if the borehole is long. A typical value for a double-U pipe heat exchanger is 0.1 K/(W/m). It means that a heat extraction rate of 50 W/m induces a temperature loss of 5 K (= 0.1 K/(W/m) x 50 W/m) between the mean fluid temperature Tf and the average ground temperature on the borehole wall Tb. Minimum fluid temperature The minimum temperature of the heat carrier fluid is an important parameter for the viability of the GCHP system (ground coupled heat pump system). The fluid temperature should not decrease below a minimum value, which is normally fixed by technical and geological reasons (constraint). The boreholes have to be sized in order to both fulfil the minimum fluid temperature constraint and the heat requirement of the heat pump (heat rate and annual extracted thermal energy). The same considerations also apply for a maximum fluid temperature in the case of cooling. It is often sufficient to use a rather simple form for the heat extraction rate evolution q(t). In figure 6, an annual evolution is shown. The constant component q1 is the mean heat extraction rate that Geothermie-EPFL-BHE-calculation.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 10/13 Author: Daniel Pahud corresponds to the annual thermal energy extracted. A periodic heat extraction rate qp is superposed to represent the seasonal variations. Integrated during the period, the net thermal energy transferred is zero. When the heat extraction rate is maximum, a short term heat extraction rate qm is superposed, so that the total heat extraction rate corresponds to the design heat rate when the heat pump is operating. The duration of this pulse is denoted tm (typically a few days). The net energy extracted by this pulse is negligible. With data from the previous example, q1 = 7.7 W/m, qp = 20 W/m and qm = 9.8 W/m (q1 + qp + qm = 37.5 W/m). Heat extraction rate [W/m] 40 qm 30 20 qp 10 q1 0 Time (one year) Figure 6 Simplified heat extraction rate evolution for a typical year (constant + periodic + pulse). The minimum fluid temperature is assessed for a given time horizon tdim. The largest effect of each of the heat rate components (constant + periodic + pulse) are calculated with their respective formulas and added (superposition principle). We assume that the largest effects occur roughly at the same time. The minimum fluid temperature is calculated with equation 14. Tf,min = Tm - q 1 ⋅ R g -func (t dim ) - q p ⋅ R periodic-max - q m ⋅ R pulse (t m ) - (q 1 + q p + q m ) ⋅ R *b (14) The minimum fluid temperature Tf,min is the average fluid temperature defined by relation (13). To determine for example the minimum inlet fluid temperature, the equation for the heat rate extracted by the heat carrier fluid is used. & ⋅ cpFluid ⋅ (Tfin − Tfout ) q⋅H = m Geothermie-EPFL-BHE-calculation.doc (15) SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia • • • Page 11/13 Author: Daniel Pahud q : heat extraction rate (W/m) ; in the case of the minimum fluid temperature, q = q1 + qp + qm; & : mass flow rate of the heat carrier fluid (kg/s) ; m cpFluid : thermal capacity of the heat carrier fluid (J/kgK). In order to be able to calculate an estimate of the minimum fluid temperature, each term of equation 14 are explained below (see equation 7 for Tm). The long-term influence Rg-func(tdim) The long term influence is calculated with the g-function, and takes into account the borehole configuration and geometric parameters. From equation 7 the expression is: R g -func (t dim ) = 1 2π λ (16) g(Es(t dim ), rb /H) The time horizon tdim fixes the Eskilson number Es = tdim/ts. The time scale of the thermal process ts is calculated with relation 8. In the case of a single borehole and for the stationary state, relation 9 can be used: R g -func-single (t = ∞ ) = Data from example gives: ⎛ H ln⎜⎜ 2π λ ⎝ 2 rb 1 Rg-func-single q1 Rg-func-single ⎞ ⎟⎟ ⎠ (rb << H) (17) = 0.458 K/(W/m) = 3.53 K The seasonal influence Rperiodic-max The thermal problem of a periodic heat extraction from a single borehole heat exchanger has been solved by Claesson and Eskilson (1987b). The influence radius of this periodic solution is only a few meters from the borehole for an annual variation. The solution can be applied to multiple heat extraction boreholes if the smallest distance between the borehole Bmin satisfy criterion (18). B min > 0.7 a T (18) The period T is one year. The maximum influence of the periodic component is calculated with relation 19. Geothermie-EPFL-BHE-calculation.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia R periodic-max = rpb' = rb • • Page 12/13 Author: Daniel Pahud (ln(2 / r 1 ' pb 2π λ 2 /δ and )−γ ) 2 + π 2 / 16 ( rpb' < 0.1 ) δ = a T/ π (19a) (19b) γ is the Euler number, γ = 0.5772; δ is the penetration depth. rpb' = 0.025 m Data from example gives: Rperiodic-max qp Rperiodic-max = 0.257 K/(W/m) = 5.13 K The short-term influence Rpulse(tm) The short term pulse corresponds to a constant heat extraction rate at the nominal power of the heat pump. This pulse lasts typically a few days. It will decrease the fluid temperature to its minimal value. The short duration of this pulse allows us to use the line source solution (10) for a single borehole. R pulse (t m ) = • ⎡ ⎛ H ⎢ln⎜ 2 π λ ⎣ ⎜⎝ 2 rb 1 ⎤ ⎞ 1 1 ⎡ ⎛⎜ 4 a t m ⎟⎟ + ln(t m /t s )⎥ = ⎢ln⎜ 2 2 4 π λ ⎢⎣ ⎝ rb ⎠ ⎦ ⎤ ⎞ ⎟−γ⎥ ⎟ ⎠ ⎦⎥ (20) tm is the duration of the pulse (s); Data from example gives: Rpulse(1 day) qm Rpulse(1 day) = 0.136 K/(W/m) = 1.33 K Rpulse(10 day) qm Rpulse(10 day) = 0.212 K/(W/m) = 2.08 K The borehole influence Rb* When the lowest fluid temperature is reached, the design heat rate (q1 + qp + qm) is extracted from the borehole heat exchanger. The temperature loss is calculated with the last term of equation 14. Data from example gives: Borehole thermal resistance of 0.1 K/(W/m) q1 + q p + q m (q1 + qp + qm) Rb* = 37.5 W/m = 3.75 K The maximum temperature decrease is calculated to about 14 K. It is interesting to notice that more than a quarter of the total temperature loss occurs in the borehole. The total temperature loss is Geothermie-EPFL-BHE-calculation.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 13/13 Author: Daniel Pahud calculated relative to the undisturbed mean ground temperature, fixed to 11.5 °C in the example. As a consequence, the minimum fluid temperature is about -3 °C. However the average ground temperature on the borehole wall is 3 to 4 K warmer than the fluid and should not freeze. Dimensioning the total borehole length H Dimensioning using formula (14) is simple. Suppose that Q1 = q1 H, Qp = qp H and Qm = qm H are given, and the total borehole length is to be chosen. The depth H is obtained with formula (14) for a given Tf,min (system constraint). Negligible effects • The thermal impact of a heat extraction borehole near and at the ground surface is completely negligible compared to natural variations. • The natural temperature variations, effect snow, etc. are negligible on the thermal performance of a typical borehole heat exchanger (length of about 100 m). Calculation programmes An alternative to the method exposed in the previous section is to use any sequence of stepwise constant values for the given heat extraction. This has been implemented in the Earth Energy Designer (EED) programme (Hellström and Sanner, 2000; www.buildingphysics.com/earth1.htm). This easy-to-use and fast tool contains more than 300 borehole configurations which are stored with g-function families. Another easy-to-use and fast programme is EWS (Huber and Schuler, 1997; Huber and Pahud, 1999). The circulation pump has also to be correctly sized. Oversized circulation pumps are often a reason for a low overall heat pump coefficient of performance (COP). The electric power required to operate the system (circulation pumps, system control, etc.) should not exceed 5 to 10% of the electric power of the heat pump compressor. Simple tools exists to help the pump sizing. For example, the Excel sheet EWSDRUCK (Huber, 1999) can be downloaded from the web site www.igjzh.com/huber/download/. Ground properties are also important parameters to estimate. For the Swiss plateau, the SwEWS programme (Leu and al., 1999) provides good estimates. There are also numerous detailed programmes for the simulation of multiple borehole heat exchanger. They are SBM, COSOND, NUSOND, FRACTURE, PILESIM, TRNSYS with TRNSBM or TRNVDSTP. This list is not exhaustive. Geothermie-EPFL-BHE-calculation.doc Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Extraction à long terme 2a: before 2b: after To To H H q = 0 (W/m) q = q 1 (W/m), t > 0 T o(z) T(r,z,t) Q = q 1 H = Qg(t)+Qs(t) qgeo (W/m2) qgeo (W/m2) Extraction à long terme – d’où vient l’énergie Résolution du problème thermique To T = 0 °C To H H q = q1 , t>0 q = q1 , t > 0 To(r,z,t=0)= To(z) Tq(r,z,t=0)= 0 °C T(r,z,t) qgeo (W/m2) = T o(z) + Tq(r,z,t) qgeo (W/m2) Extraction à long terme – d’où vient l’énergie Dr. D. Pahud partie 1 – p. 16 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Résolution du problème thermique Surface du terrain, perturbation sonde : qsurf(r,t) environn. => terrain Qs(t) => intégration de qsurf(r,t) => boundary heat source Qg(t) => refroidissement terrain => ground heat source Contribution nette de l’environnement: intégration de qsurf(r,t) – qgeo dans la zone où le flux de chaleur résultant est dirigé vers le sol Questions à répondre: => quelle est l’importance relative entre Qs(t) et Qg(t) ? => est-ce qu’une stabilisation des températures à lieu ? => quelle est la part d’énergie en provenance de l’environnement ? Extraction à long terme – d’où vient l’énergie Solutions (Claesson et Eskilson, 1987b) Tq1 (r, z, t) = - q1 4π λ D+ H ∫ D ⎛1 ⎛ r ⎞ 1 ⎛ r ⎞⎞ ⎜ erfc⎜⎜ + ⎟⎟ - erfc⎜⎜ − ⎟⎟ ⎟ ds ⎟ ⎜r ⎝ 4 a t ⎠ r− ⎝ 4 a t ⎠⎠ ⎝ + r+ = r 2 + (z - s) 2 r− = r 2 + (z + s) 2 ⎛ ⎛ D + H ⎞⎞ ⎛ D ⎞ Qs (t) = q1 4 a t ⎜⎜ ierfc⎜ ⎟ ⎟⎟ ⎟ - ierfc⎜ ⎝ 4 a t ⎠⎠ ⎝ 4at ⎠ ⎝ Régime stationnaire Tq1s (r, z) = - q1 4π λ D+ H ∫ D ⎛1 1⎞ ⎜⎜ - ⎟⎟ ds ⎝ r+ r− ⎠ Extraction à long terme – d’où vient l’énergie Dr. D. Pahud partie 1 – p. 17 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Exemple typique (sonde de 120 m) Time t / year 1 2 5 10 50 100 500 1000 η = Qs(t)/(H q1) 4% 6% 11% 16% 37% 50% 75% 82% Tb / °C 8.98 8.82 8.62 8.48 8.23 8.17 8.11 8.11 Pour avoir η > 90% (régime stationnaire) => millénaires Stabilisation température forage beaucoup plus rapide (après 1 an, la baisse de température atteint ¾ de l’abaissement total) Influence thermique sonde modeste, maximum 1 K à 10 mètres Régime stationnaire, 5% énergie de l’environnement 95% énergie du flux géothermique Extraction à long terme – d’où vient l’énergie Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Laboratorio Energia Ecologia Economia Règles de dimensionnement Petites installations de chauffage (Pth < 30 kW) Pdemande => Pextraction => H sondes H • clef de dimensionnement => puissance spécifique d’extraction - 50 W/m ?! - VDI 4640 (2001) - Documentations SIA D025, SIA D0136 - etc. Dimensionnement d’un système de chauffage avec sonde géothermique Dr. D. Pahud partie 1 – p. 18 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Demande d’énergie thermique • puissance thermique chauffage bâtiment (norme SIA 384/2) eau chaude sanitaire (ajouter environ 0.2 kW/personne pour une habitation) correction si N heures par jour sans électricité (facteur multiplicatif de 24/(24-N) ) • énergie thermique bilan énergétique (norme SIA 380/1) eau chaude (selon SIA 380/1: 830 kWh/personne/an pour une habitation) • distribution de chaleur à la température la plus basse possible: chauffage au sol – dalles actives – panneaux rayonnants – etc. Dimensionnement d’un système de chauffage avec sonde géothermique ( fonte: Borel, 1991, Thermodynamique et énergétique) Pompe à chaleur Dimensionnement d’un système de chauffage avec sonde géothermique Dr. D. Pahud partie 1 – p. 19 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Pompe à chaleur sol - eau ou eau - eau Importance des températures de travail. Les performances de la PAC sont données pour des points de fonctionnement déterminés. Par ex.: B0 / W35 (PAC sol - eau) Pompe à chaleur (PAC) 35 °C W0 / W35 (PAC eau - eau) 0 °C Sonde géothermique Dimensionnement d’un système de chauffage avec sonde géothermique Pompe à chaleur sol - eau et eau - eau Coefficient de performance COP = Qchauffage / Qélectrique Qchauffage = Qcondensateur 7 6 Température sortie condensateur 35°C 5 40°C B0 / W35 45°C COP - 50°C 4 55°C 3 B5 / W45 B0 / W55 2 1 0 -5 0 5 10 15 Température entrée évaporateur °C Dimensionnement d’un système de chauffage avec sonde géothermique Dr. D. Pahud partie 1 – p. 20 Dimensionnement d’un système de chauffage avec sonde géothermique Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Choix de la pompe à chaleur: LEEE - DACD - SUPSI http://www.wpz.ch/ http://www.ntb.ch/files/1/3895/SW_WW_DE_EN255_14.3.05.pdf Choix de la pompe à chaleur • selon la demande de puissance thermique • selon les températures de travail sonde géothermique et chauffage à basse température => point de fonctionnement PAC à B0 / W35 Dimensionnement d’un système de chauffage avec sonde géothermique Dr. D. Pahud partie 1 – p. 21 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Type de système et dimensionnement • méthode simple pour petites installations (<30 kWth) 7 typologies standards - PAC sans accumulateur et avec / sans production d’eau chaude sanitaire (2 typologies) - PAC avec accumulateur en série / parallèle et avec / sans production d’eau chaude sanitaire (4 typologies) - PAC avec support solaire pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire (1 typologie) Source: Schémas standard pour petites installations de pompes à chaleur. 1ère partie: fiches techniques (2002) Office Fédéral de l’Energie. => rapport téléchargeable: www.waermepumpe.ch et sélectionner « Forschung/Entwicklung » et puis « Français » ou www.pac.ch/downloads_01.html, section « Technique » Dimensionnement d’un système de chauffage avec sonde géothermique Sélection du type de système (STASCH 1, 2, 3, … o 7) Dimensionnement d’un système de chauffage avec sonde géothermique Dr. D. Pahud partie 1 – p. 22 Dr. D. Pahud Dimensionnement d’un système de chauffage avec sonde géothermique Solution standard n°2 Dimensionnement d’un système de chauffage avec sonde géothermique Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Solution standard n°7 LEEE - DACD - SUPSI partie 1 – p. 23 Dr. D. Pahud Dimensionnement d’un système de chauffage avec sonde géothermique LEEE - DACD - SUPSI Dimensionnement de la sonde géothermique Dimensionnement d’un système de chauffage avec sonde géothermique Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie VDI Richtlinien – valeurs possibles de qextrait [W/m] • un dimensionnement simple (pour petites installations) se base sur: la puissance d’extraction de la pompe à chaleur (Pevap) => déterminée aux conditions B0 / W35 la géologie locale => déterminer la conductivité du terrain les heures de fonctionnement annuelles de l’installation => déterminent l’énergie annuelle géothermique extraite • permet d’établir la longueur nécessaire H de la sonde géothermique H [m] = Pevap [W] / qextrait [W/m] Underground q extraction (W/m) up to 1800 ore/a up to 2400 ore/a Poor underground (dry sediment) (λ<1.5 W/mK) 25 W/m 20 W/m Normal rocky underground and water saturated sediment (λ= 1.5 – 3 W/mK) 60 W/m 50 W/m Consolidated rock with high thermal conductivity 84 W/m 70 W/m General guideline values (λ>3.0 W/mK) Individual rocks Gravel, sand, dry <25 W/m <20 W/m Gravel, sand, water saturated 65 – 80 W/m 55 – 65 W/m For strong groundwater flow in gravel and sand 80 – 100 W/m 80 – 100 W/m Clay, loam, damp 35 – 50 W/m 30 – 40 W/m Limestone (massif) 55 – 70 W/m 45 – 60 W/m Sandstone 65 – 80 W/m 55 – 65 W/m Siliceous magmatite (e.g. granite) 65 – 85 W/m 55 – 70 W/m Basic magmatite (e.g. basalt) 40 – 65 W/m 35 – 55 W/m Gneiss 70 – 85 W/m 60 – 70 W/m source: VDI Richtlinien 4060, Blatt 2 (p.17) partie 1 – p. 24 Dimensionnement d’un système de chauffage avec sonde géothermique Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI VDI Richtlinien – valables pour les conditions suivantes: • petites installations (puissance < 30 kWth et moins de 2’400 heure de fonctionnement à l’année) • chauffage avec ou sans eau chaude sanitaire • système avec une sonde géothermique unique jusqu’à 100 m, voir deux si espacement d’au moins 6 m • pas de densité élevée de sondes géothermiques (pas pour un quartier dans lequel chaque maison a une sonde géothermique) • plaine (température moyenne du terrain à environ 10°C) www.vdi.de/vdi/vrp/richtliniensuche/index.php et chercher VDI 4640 Quelques programmes de calculs • calculs nécessaires pour de grands systèmes ou des application particulières => EED Earth Energy Designer www.buildingphysics.com/earth1.htm => EWS Erdwärmesonden Software contacter Huber Energietechnik, [email protected] => PILESIM stockage avec sondes géothermiques ou pieux énergétiques http://www.leee.supsi.ch/ > software > PILESIM => TRNSYS avec TRNSBM ou TRNVDSTP contacter D. Pahud, [email protected] Dimensionnement d’un système de chauffage avec sonde géothermique Dr. D. Pahud partie 1 – p. 25 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Exercice Dimensionner la PAC et la sonde géothermique d’un futur propriétaire de maison qui désire construire sa maison en respectant le standard Minergie. Maison de 200 m2 de surface de ré référence énergé nergétique SIA 384/2 => 30 W/m2 SIA 380/1 => 30 kWh/m2an 5 personnes roche de conductivité conductivité thermique 3 W/mK W/mK chauffage basse tempé température à max. 35 °C pas d’ d’interruption de fourniture électrique durant la journé journée Exercice Dr. D. Pahud partie 1 – p. 26 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Pompe à chaleur (PAC) 35 °C 5.4 kW Demande de puissance pour le chauffage (SIA 384/2) 7 kW 1.6 kW Sonde géothermique Exercice Exercice COP B0 / W35 de 4.41) 30 W/m2 demande 6 kW+1 kW, PAC de 7 kW aux conditions B0 / W35 Demande d’énergie thermique Puissance d’extraction 5.4 kW (géothermique) Chauffage avec pompe à chaleur 2 Maison, SRE de 200 m Chauffage (max. 35 °C) Demande d’énergie pour le chauffage (SIA 380/1) 30 kWh/(m2an) Pompe à chaleur 3 4 1 Demande d’énergie pour l’eau chaude 5 x 830 kWh/pers./an 4’150 kWh/an COP annuel moyen de 4 => 10’150 kWh/an Durée de fonctionnement annuelle 10’150 kWh/an / 7 kW = 1’450 h/an Géologie locale Exercice Exercice 0 °C par exemple les résultats du centre de test PAC http://www.wpz.ch/ Maison, SRE de 200 m 5 personnes Puissance thermique de la pompe à chaleur 2 1)voir Demande de puissance thermique Sonde géothermique 10’150 kWh/an = 2’540 (électricité) + 7’610 (géothermie) Longueur de la sonde 5’400 W / 50 W/m = 108 m Energie annuelle extraite par mètre de sonde conductivité thermique de 3 W/(mK) 7’610 kWh/an / 108 m = 70 kWh/m/an VDI – Richtlinien 4640, Blatt 2 (p. 17) Underground Specific heat extraction for 1800 h/a for 2400 h/a Coût moyen électricité Poor underground (dry sediment) (λ<1.5 W/mK) 25 W/m 20 W/m Normal rocky underground and water saturated sediment (λ= 1.5 – 3 W/mK) 60 W/m 50 W/m Consolidated rock with high thermal conductivity 84 W/m 70 W/m Dr. D. Pahud (λ>3.0 W/mK) Exercice Exercice General guideline values 2’540 kWh/an x 0.15 Fr.-/kWh + él. pompes env. 400 Fr.-/an correction ex. partie 1 – p. 1 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design LEEE - DACD - SUPSI Laboratorio Energia Ecologia Economia Energie géothermique: systèmes à basse enthalpie – partie 2 - Systèmes avec sondes géothermiques multiples et stockage de chaleur - Systèmes avec pieux énergétiques Daniel Pahud SUPSI – DACD – LEEE Sondes multiples – stock chaleur Centre D4, Root - LU Dr. D. Pahud partie 2 – p. 1 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Centre D4, Root - LU Sondes multiples – stock chaleur Sondes multiples – stock chaleur Dr. D. Pahud partie 2 – p. 2 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design LEEE - DACD - SUPSI Laboratorio Energia Ecologia Economia Concept de base d’un système avec sondes géothermiques multiples – geocooling HIVER Chauffage ETE Refroidissement Pompe à chaleur Echangeur de chaleur Sondes géothermiques Sondes multiples – stock chaleur Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Laboratorio Energia Ecologia Economia Concept de base d’un système avec sondes géothermiques multiples – machine frigorifique Pompe à chaleur / ETE machine frigorifique Refroidissement HIVER Chauffage Sondes géothermiques Sondes multiples – stock chaleur Dr. D. Pahud partie 2 – p. 3 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design LEEE - DACD - SUPSI Laboratorio Energia Ecologia Economia Sondes multiples – stock chaleur Problématique du dimensionnement • géologie et hydrogéologie locale • besoins thermiques à couvrir (puissances et énergies en chaud et en froid) • niveaux de température des distributions de chauffage et de refroidissement • nombre, disposition et longueur des sondes géothermiques possibles; • transferts thermiques sous la base du bâtiment si les sondes sont placées sous le bâtiment (isolation nécessaire ou pas); • concept de système (schéma de principe) pour satisfaire les demandes d’énergie tout en intégrant au mieux les sondes géothermiques. Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Laboratorio Energia Ecologia Economia Contraintes sur le système • température minimum permise du fluide circulant dans les sondes (0°C si les sondes sont placées sous le bâtiment ou plus si de l’eau sans antigel est utilisée) • température maximum permise ou possible dans les sondes (avec du geocooling, la température maximum possible est conditionnée par la température de départ dans la distribution de froid) => avantage d’avoir un système bivalent Sondes multiples – stock chaleur Dr. D. Pahud partie 2 – p. 4 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana LEEE - DACD - SUPSI Laboratorio Energia Ecologia Economia Intégration dans le système • paramètres d’intégration sont déterminants sur efficacité globale du système => chauffage T↓ refroidissement T↑ => Minergie • paramètres de dimensionnement sont déterminants sur la faisabilité technique du système à court terme et à long terme pour garantir les contraintes de température sur le fluide caloporteur Sondes multiples – stock chaleur Dr. D. Pahud COPA [-] 35 Température maximum dans la distribution de chaleur [°C] 42 49 5 5 4 4 3 3 2 coefficient de performance annuel (COPA) simulé de la PAC 2 1 COPA de la PAC avec pompes de circulation 1 0 0 35 Température min [°C] • niveau de température dans la distribution de chauffage Paramètres d’intégration 42 49 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 -1 -1 -2 -2 fluide sortie sondes -3 -3 fluide entrée sondes -4 -4 -5 -5 35 Sondes multiples – stock chaleur 42 Température de départ maximum [°C] 49 partie 2 – p. 5 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Comportement dynamique des dalles actives 8 Thermal power kW 25 indoor air temperature active solar gains passive solar gains 6 20 auxiliary power 15 4 10 2 5 0 0 thermal power emitted by active concrete plates -2 day 15 day 16 day 17 February Temperature °C 10 outdoor air temperature -5 day 19 day 18 • Auto-regulating properties (Tfor < 30°C and Tret < 24 °C) Sondes multiples – stock chaleur Paramètres de dimensionnement Sondes multiples – Dr. D. Pahud Longueur unitaire des sondes géothermiques [m] 40 50 60 70 80 90 5 5 4 4 3 3 2 coefficient de performance annuel (COPA) simulé de la PAC 2 1 COPA simulé de la PAC avec pompes de circulation 1 0 -50% -40% -30% -20% -10% 4 Température min [°C] • longueur des sondes géothermiques COPA [-] 30 0% 10% 20% 30% 40% 0 50% 4 3 3 2 2 1 1 0 0 -1 -1 -2 -3 -4 fluide sortie sondes fluide entrée sondes -5 -50% -40% -30% -20% -10% 0% 10% 20% 30% 40% stock chaleur Variation relative de la longueur des sondes [% ] -2 -3 -4 -5 50% partie 2 – p. 6 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie COPA [-] 2 Sondes multiples – 6 5 5 4 4 3 3 2 coefficient de performance annuel (COPA) simulé de la PAC 2 1 COPA simulé de la PAC avec pompes de circulation 1 0% 10% 20% 30% 40% 0 50% 4 3 3 2 2 1 1 0 0 -1 -1 -2 fluide sortie sondes -3 -2 -3 fluide entrée sondes -4 -4 -5 -5 -50% -40% -30% -20% -10% 0% 10% 20% 30% 40% 50% stock chaleur Variation relative de la conductivité thermique [% ] Paramètres de dimensionnement Température initiale du terrain [°C] 11.5 13.5 15.5 COPA [-] 9.5 5 17.5 5 4 4 3 3 2 coefficient de performance annuel (COPA) simulé de la PAC 2 1 COPA simulé de la PAC avec pompes de circulation 1 0 -30% 4 Température min [°C] • température initiale du terrain Conductivité thermique du terrain [W/(mK)] 3 4 5 0 -50% -40% -30% -20% -10% 4 Température min [°C] • conductivité thermique du terrain Paramètres de dimensionnement LEEE - DACD - SUPSI -20% -10% 0% 10% 20% 0 30% 4 3 3 2 2 1 1 0 0 -1 -1 -2 fluide sortie sondes -3 -4 -5 -30% fluide entrée sondes -20% -10% 0% 10% 20% -2 -3 -4 -5 30% Sondes multiples – stock chaleur Variation relative de la température initiale du terrain [% ] Dr. D. Pahud partie 2 – p. 7 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design LEEE - DACD - SUPSI Laboratorio Energia Ecologia Economia Simulation thermique • vérifier faisabilité d’un concept, établi avec règles pouce • évaluer variantes de système • dimensionner principaux composants du système • optimiser schéma de principe et stratégie de contrôle • aider à la mise en service et contrôler bon fonctionnement PILESIM [email protected] EED www.buildingphysics.com/earth1.htm EWS www.igjzh.com/huber/download/ TRNSYS www.transsolar.com + TRNVDSTP ou TRNSBM Sondes multiples – stock chaleur Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Laboratorio Energia Ecologia Economia Implication des outils de simulation Avantprojet Projet définitif Règles du pouces Établissement d’un concept Modèle de calcul simplifié (EED, PILESIM) Évaluation de variantes, faisabilité technique, pré dimensionnement Dimensionnement définitif, optimisation, régulation du système Simulation détaillée (TRNSYS avec TRNVDSTP ou TRNSBM) Sondes multiples – stock chaleur Dr. D. Pahud partie 2 – p. 8 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design LEEE - DACD - SUPSI Laboratorio Energia Ecologia Economia Influence de la taille du projet Variante min. – petit projet Variante max. – grand projet Étude PILESIM ou équivalente Étude PILESIM + analyse TRNSYS Propriétés du terrain Propriétés du terrain valeurs littérature valeurs littérature + test de ré réponse + … Demandes d’énergie Demandes d’énergie (en chaud et en froid) (en chaud et en froid) valeurs annuelles et valeurs annuelles et puissances de pointe puissances de pointe + profil annuel + … Sondes multiples – stock chaleur Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Laboratorio Energia Ecologia Economia Concept de chauffage/refroidissement avec des sondes géothermiques multiples • importance de la pertinence de - recommandations - règles du pouces • dépendance très forte avec le bâtiment • nécessite une approche globale et multidisciplinaire Sondes multiples – stock chaleur Dr. D. Pahud partie 2 – p. 9 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design LEEE - DACD - SUPSI Laboratorio Energia Ecologia Economia Règles de dimensionnement Installations avec sondes géothermiques multiples (systèmes de taille importante) • clefs de dimensionnement => puissance spécifique d’extraction => puissance spécifique d’injection qext (W/m) qinj (W/m) => énergie thermique annuelle extraite Eext (kWh/m.an) => énergie thermique annuelle injectée Einj (kWh/m.an) => ratio injecté sur extrait ηterrain = Einj/Eext Réalisations documentées et analysées => ordres de grandeurs Sondes multiples – stock chaleur Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Laboratorio Energia Ecologia Economia Meister + Co (Wollerau) – variante « dalles actives » SRE: Chauffage: 3’000 m2 190 kW 350 MWh/an système monovalent - 32 sondes de 135 m sous le bâtiment - espacement moyen de 8 m Sondes multiples – stock chaleur Dr. D. Pahud partie 2 – p. 10 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana LEEE - DACD - SUPSI Laboratorio Energia Ecologia Economia Potentiel de geocooling pour le cas « Wollerau » Système avec distribution de "froid" à 22 °C (temp. départ) 5.0 COP [-] 4.5 4.5 élévation de la température moyenne du terrain demande de froid trop faible 4.0 5.0 4.0 3.5 3.5 3.0 3.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Rapport des demandes d'énergie annuelles de Sondes multiples – stock chaleur refroidissement et de chauffage - Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Laboratorio Energia Ecologia Economia Wollerau - variante du type « dalles actives » 32 sondes de 135 m = 4'320 m Système monovalent en chauffage et en refroidissement Température distribution de froid aller : 22 °C retour : 24 °C Chauffage (qext et Eext) Refroidissement (qinj et Einj) Ratio injecté sur extrait (ηterrain) 40 W/m 10 – 13 W/m 60 kWh/(m an) 20 – 35 kWh/(m an) 0.3 – 0.6 Sondes multiples – stock chaleur Dr. D. Pahud partie 2 – p. 11 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design LEEE - DACD - SUPSI Laboratorio Energia Ecologia Economia Ordres de grandeurs pour le geocooling avec sondes géothermiques • puissance spécifique moyenne de refroidissement: 10 – 30 W/m • énergie thermique annuelle de refroidissement: 20 – 40 kWh/m.an • ratio des énergies annuelles injectées sur extraite: environ 0.5 Ratio de 0.5 => Qchaleur ≈ 2.5 à 3 x Qrefroidissement => Qrefroidissement ≈ 0.3 à 0.4 x Qchaleur Sondes multiples – stock chaleur Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Laboratorio Energia Ecologia Economia Coûts d’un système de geocooling • avantageux si permet, en combinaison avec la production d’énergie de chauffage, de garantir une recharge thermique du terrain Système de geocooling pur • caractérisé par un - investissement élevé - coût de gestion très bas Sondes multiples – stock chaleur Dr. D. Pahud partie 2 – p. 12 Ground heat storage Dr. D. Pahud SUPSI – DACD – LEEE Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente, Costruzioni e Territorio Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia CH – 6952 Canobbio Ground-heat-storage.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 2/24 Author: Daniel Pahud Table of content 1. Ground heat storage ........................................................................................................... 3 1.1 Storage families ........................................................................................................... 3 1.2 System families ............................................................................................................ 4 1.3 Borehole thermal energy storage ................................................................................. 6 1.4 System examples....................................................................................................... 10 1.5 CSHPSS system ........................................................................................................ 15 2. Références........................................................................................................................ 21 Ground-heat-storage.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 3/24 Author: Daniel Pahud 1. GROUND HEAT STORAGE Heat storage is required when heat demand does not match heat production. Seasonal heat storage is a long term storage (from a few months to a few seasons) devised to store thermal energy collected during the summer for winter use. It can be waste heat, thermal loads from a cooling requirement, solar energy, etc. Seasonal storage of “cold” energy is also a possibility for cooling needs. The advantage of ground heat storage is that large volumes can be realised with a low ground occupation at the surface. The acronym UTES (underground thermal energy storage) is dedicated for ground heat storage. General guidelines and detailed information can be found in the SIA documentation D028 (1988). State of the art information and an overview of the past experience can be found in the Giessener Geologische Schriften number 67 (1999). 1.1 Storage families Large heat storages can be categorised in four main families : • Ground diffusive storage The principal heat transport process in the storage is conductive. The storage medium is the ground itself. The ground heat exchanger is vertical and normally formed with borehole heat exchangers. Such a store is also called borehole thermal energy storage (BTES). Very large ground volume can be realised. In soft ground, the heat exchangers can be pushed down or hammered into the ground. • Earth storage The principal heat transport process in the storage is also conductive and the storage medium is earth. The ground heat exchanger is horizontal and normally requires the excavation of the storage volume. All the storage sides can be insulated. • Aquifer storage Heat transport is both convective and conductive. The storage medium is ground water and the matrix (ground) containing the water. A common application is a doublet for cooling purposes. With high temperature storage in aquifer, chemical problems have to mastered and controlled. • Water storage The principal heat transport process in the storage is convective. The storage medium is water. It includes large water tank, on ground or buried, water pit and even rock cavern. Ground-heat-storage.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 4/24 Author: Daniel Pahud The cheapest storages are in the ground diffusive and aquifer storage families. In this chapter, we will concentrate on the borehole thermal energy storage of the ground diffusive storage family. 1.2 System families Two main system families can be defined: • Seasonal heat storage with heat pump A heat pump is used to extract heat from the store. A thermal recharge of the store is necessary, and is best combined with cooling requirements. In figure 1.1, a system with solar thermal recharge is shown. It can also be waste heat or another source of cheap thermal energy. The storage operates at low temperature, typically between 5 and 35 °C. Figure 1.1 Seasonal heat storage in a system with heat pump (source : Hadorn, 1992). Ground-heat-storage.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 5/24 Author: Daniel Pahud • Seasonal heat storage without heat pump No heat pump is used in the system. The source of energy (solar energy or waste heat from a thermal process) is used directly when possible (a short-term storage can also be integrated in the system for this purpose) and stored in the seasonal storage otherwise. In figure 1.2, a system with seasonal heat storage of solar energy is shown. It can also be waste heat from a thermal process. Depending on the temperature level of the heat distribution, the seasonal storage normally operates at medium (25°C – 50°C) or high (30°C – 80 °C) temperature. Figure 1.2 Seasonal heat storage in a system without heat pump (source : Hadorn, 1992). Ground-heat-storage.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 6/24 Author: Daniel Pahud 1.3 Borehole thermal energy storage A borehole thermal energy storage (BTES) is at the same time a heat exchanger and a heat storage. The heat exchanger, called ground heat exchanger, has poor heat transfer thermal characteristics, due to the dominating conductive heat transport process. As a result, a large heat transfer rate often induces a significant temperature loss. Three main properties characterise such a storage on the thermal point of view: • The heat transfer capacity • The specific storage capacity • The storage efficiency Heat transfer capacity When a constant heat transfer rate is injected through a ground heat exchanger, a temperature difference will develop between the fluid and the ground. This temperature difference will increase until a steady flux regime is established. At this moment, the average ground temperature in the store increases as fast as the mean fluid temperature. The temperature difference remains stable and constant as long as the heat injection rate lasts. The heat transfer capacity UA is defined for steady flux conditions. It determines the heat transfer rate per temperature difference unit between the heat carrier fluid mean temperature and the storage mean temperature. The transient period until a steady flux regime is obtained can be estimated with relation 1.1 (Hellström, 1991). t sf = 0.065 • tsf • Ap • a Ap a (1.1) required time until a steady flux regime is obtained (s); ground section ascribed to 1 borehole (m2). With a quadratic borehole arrangement, Ap = B x B, where B is the spacing. ground diffusivity (m2/s). Typical values for a ground heat storage are a = 10-6 m2/s and B = 3 m. The steady flux time tsf is about one week. The heat transfer capacity UA (equation 1.3) depends on the total borehole length and the steady flux thermal resistance, composed by the sum of the borehole thermal resistance and the ground thermal resistance. The ground thermal resistance (in equation 1.2) is calculated for a circular region around each borehole. It can also be used with good precision for a Ground-heat-storage.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 7/24 Author: Daniel Pahud quadratic or an hexagonal region. The condition for the validity of formula 1.2 ( Ap π rb ≥ 15 ) is normally satisfied with ground heat storage. R sf = • • • • Rsf λ rb Rb* ⎡ ⎛ Ap ⎢ln⎜ 2πλ ⎢ ⎜ π rb ⎣ ⎝ 1 if Ap π rb ≥ 15 (1.2) steady flux thermal resistance (K/(W/m)); mean ground thermal conductivity (W/mK); borehole radius (m); effective borehole thermal resistance of the borehole heat exchanger (K/(W/m)). UA = • UA • n • H ⎤ ⎞ ⎟ - 0.75⎥ + R * b ⎟ ⎥ ⎠ ⎦ nH R sf (1.3) storage heat transfer capacity (W/K); number of borehole heat exchangers (-); mean active length of a borehole heat exchanger (m). An estimation of the heat transfer rate under steady flux condition is calculated with relation 1.4 for a given temperature loss. P = UA (Tf - Tstk ) • P • Tf • Tstk (1.4) heat transfer rate transferred to/from the storage (W); heat carrier fluid mean temperature in the ground heat exchanger; can be estimated with the arithmetic mean of inlet / outlet fluid temperature (°C); storage mean temperature (°C). Specific storage capacity The specific storage capacity Csp is equivalent to the amount of thermal energy necessary to change the storage mean temperature of 1K. It is estimated with the ground volumetric thermal capacity and the storage volume (equation 1.5). C sp = ρC V = ρC n A p H Ground-heat-storage.doc (1.5) SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia • Csp • ρC • V Page 8/24 Author: Daniel Pahud specific storage capacity (J/K); mean ground volumetric thermal capacity (J/m3K); storage volume, defined by n Ap H (m3). Another interesting quantity is the storage capacity C. It is the maximum amount of thermal energy that can be stored. It depends on the minimum and maximum storage mean temperature during a cycle (one year). It clearly depends on the integration of the storage in the system, the system type and operation. In particular, the maximum storage temperature is conditioned by the temperature level of the heat source and the storage heat transfer capacity. For system without heat pump, an important parameter for the minimum storage temperature is the return fluid temperature from the heat distribution. C = C sp (Tstk -max - Tstk -min ) = ρC V (Tstk -max - Tstk -min ) (1.6) • C storage capacity (J); • Tstk-max maximum storage mean temperature (°C); • Tstk-min minimum storage mean temperature (°C). An index associated to the storage capacity is the equivalent cycle index EC. This index is defined with relation 1.7. EC = Q ext / C • EC • Qext (1.7) equivalent cycle index (-); annual thermal energy extracted from the store (J). This index indicates how many time the storage has been “recycled” during a year. For most of the long term storage in the world, this index lies between 1.5 and 2. For a purely seasonal heat storage EC is equal to 1. It is much higher for a short-term storage, and would be 365 for an ideal daily storage, fully used all over the year. This index shows the necessity of a low cost for a seasonal heat storage. Storage efficiency The storage efficiency η is defined by the ratio of the annual extracted energy by the annual injected energy in the storage. η = Q ext / Q inj • η seasonal storage efficiency (-); Ground-heat-storage.doc (1.8) SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia • Qinj Page 9/24 Author: Daniel Pahud annual thermal energy injected in the store (J). Assuming that the storage temperature returns to the same value after 1 cycle (1 year), the storage efficiency can also be calculated with relation 1.9. η = Q ext / (Q ext + Q loss ) = (Q inj − Q loss ) / Q inj = 1 − Q loss / Q inj • Qloss (1.9) annual storage heat losses (J). If the storage temperature returns to the same value after 1 year, a storage heat balance gives Qinj = Qext + Qloss. The storage efficiency depends on the annual storage heat losses Qloss and on its mode of utilisation Qext. As for the storage capacity, the storage efficiency depends on the integration of the storage in the system, the system type and operation. For low temperature seasonal storage application, storage efficiencies of 60 – 90 % can be reached. For medium and “high” temperature storage, the storage efficiency strongly depends on the relative importance of heat losses to the energy stored (which is in fact the ratio Qloss/Qinj). The magnitude of the ratio is decreasing with increasing storage size, as heat losses are increasing with the storage envelope surface (proportional to the square of a length) and stored energy is increasing with the storage volume (proportional to the cube of a length). For “small” seasonal storage (volume in the range 10’000 – 20’000 m3), storage efficiencies of 30 to 60% can be realised. With larger volume (> 20’000 m3), storage efficiencies of 50 – 80% can be expected. Storage heat losses depend mainly on the mean annual storage temperature Tstk-moy, the mean ambient temperature To, an equivalent heat loss factor U and the area of the store border A. The average heat loss factor is essentially conditioned by the store design (insulation of upper parts of storage border, geometry, etc.), the ground properties and is time-dependent. A transient thermal process usually lasts a few years until a steady-state thermal process is established. Forced and free convection in the ground results in increased heat losses. In the case of a dominant conductive thermal process, storage heat losses can be expressed with relation 1.10 for steady state conditions. Q loss = U A (Tstk -moy − To ) t year • • • • • Qloss U Tstk-moy To tyear annual storage heat losses (J); equivalent mean storage heat loss factor (W/m2K); mean annual storage temperature (°C); mean annual ambient temperature (°C); duration of one year (s) (≈ π 107 s per year). Ground-heat-storage.doc (1.10) SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 10/24 Author: Daniel Pahud Heat losses can be reduced with: • • • storage insulation at the top (more important for small storage); storage shape (vertical extension about twice the storage diameter, and not one, as would be the case without ground); low temperature heat distribution (result in a lower mean annual storage temperature); The design of a borehole thermal energy storage requires dynamic system simulations, especially for a system without heat pump. It is important to simulate the store as part of the system and take into account both short term and long term thermal processes. 1.4 System examples Examples of borehole thermal energy storage are numerous and spread worldwide. Storages of up to 1’000’000 m3 have been built (Sanner and Stile, 1995). In this section, two examples are presented: a system with heat pump/cooling machine (the D4 centre) and a system without (ice-melting system for a bridge at Serso, Därlingen). Two response tests for the D4 centre were performed. Le centre D4 Sur la commune de Root près de Lucerne, la suva réalise la première étape du centre d’entreprises et d’innovation D4. D4 désigne les 4 dimensions homme, haute technologie, environnement et temps. Le centre D4 sera justement occupé par des PME actives dans les branches high-tech, technologies de l’environnement et service de santé. Dès le début du projet en 1990, la suva a fixé comme objectif de doter le centre D4 d’un concept énergétique respectueux de l’environnement. En plus d’un usage rationnel et optimal de l’énergie, le recours aux énergies renouvelables est explicitement spécifié. Elles doivent couvrir au moins 50% des demandes d’énergie de chauffage et de refroidissement restantes. Compte tenu de la difficulté de connaître avec exactitude les demandes de chaleur, et en particulier la demande de refroidissement (qui dépend également des besoins particuliers des utilisateurs qui ne sont pas encore connus), le concept énergétique doit avoir un caractère flexible et polyvalent. Il fera intervenir une toiture solaire, une pompe à chaleur/machine frigorifique combinée et un stockage diffusif de chaleur dans le terrain (B+B Energietechnik et al., 1999). L’énergie thermique est transférée au stockage au moyen d’un échangeur de chaleur souterrain, formé par un ensemble de sondes géothermiques régulièrement espacées. Le stockage diffusif jouera un rôle clef dans le concept énergétique et permettra de satisfaire aussi bien des besoins de chauffage que de refroidissement. Les sondes géothermiques atteindront une profondeur de 160m. Trois concepts de système ont été évalués et ont permis d’optimiser le stockage de chaleur diffusif dans le terrain en tant que partie intégrante du système thermique. Les trois concepts de système sont: Ground-heat-storage.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 11/24 Author: Daniel Pahud • cas 1: refroidissement direct sur le stockage diffusif; seule une partie des besoins de refroidissement est satisfaite. La pompe à chaleur est dimensionnée en fonction de l’importance de la recharge thermique du stockage effectuée par le refroidissement direct. • cas 2: la totalité des besoins de refroidissement sont injectés dans le stockage de chaleur par l’intermédiaire d’une machine frigorifique. La pompe à chaleur, dimensionnée pour « vider » le stockage en hiver, permettra de couvrir une plus grande fraction de la demande de chaleur que dans le cas 1. • cas 3: la taille de la pompe à chaleur est fixée arbitrairement à 1.5 fois celle du cas 2. La recharge thermique du terrain est effectuée par les rejets de chaleur de la machine frigorifique et par l’énergie thermique collectée par des absorbeurs solaires. Des contraintes sur la température du fluide circulant dans les sondes sont imposées. Une température minimale de 3 °C est prescrite, puisqu’il n’est pas prévu d’ajouter de l’antigel à l’eau qui circulera dans les sondes. Une température maximale de 50 °C est tolérée, afin de ne pas risquer l’endommagement des tubes en polyéthylène utilisés dans les sondes. Pour les trois cas, le nombre et l’espacement adéquat des sondes est à peu près le même. La 3e variante a été choisie. Les demandes annuelles de chauffage et de refroidissement estimées pour le dimensionnement du système sont de respectivement 1’510 MWh/an et 730 MWh/an. La pompe à chaleur couplée au stockage, avec une puissance thermique nominale de 450 kW, permet de couvrir 90% de la demande de chauffage annuelle des bâtiments. Il en résulte une extraction annuelle de 910 MWh du stockage, qui doit être compensée par une injection estivale de 1'270 MWh. Cette solution implique donc que l’énergie annuelle injectée dans le stockage soit environ 40% plus grande que celle qui est extraite. Elle sera couverte par les besoins de refroidissement des bâtiments et la toiture solaire. La température moyenne du stockage, initialement de 12 °C, augmentera au cours des années pour se stabiliser vers 18 °C. Les caractéristiques et les performances thermiques calculées du stockage sont énumérées dans la table 1.1. Ground-heat-storage.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Stockage de chaleur 49 sondes de 160 m espacement de 6.5 m Bilan stockage Energie Puissance maximum Température Page 12/24 Author: Daniel Pahud volume de stockage: 330’000 m3 capacité de transfert de chaleur: 30 kW/K capacité spécifique du stockage: 200 MWh/K Extraite Injectée 910 MWh/an 1’270 MWh/an 116 kWh/m/an 162 kWh/m/an 300 kW 38 W/m moyenne annuelle stockage Ratio injecté/extrait 1.39 Efficacité stockage 72% 18 °C chauffage refroidissement 1’370 MWh/an (91 %) 730 MWh/an (100 %) Caractéristiques et performances thermiques du stockage après 10 ans de fonctionnement pour le concept n° 3: recharge complémentaire estivale avec toiture solaire. Demande d’énergie satisfaite Table 1.1 Serso Le projet Serso est né de l’idée de vouloir dégivrer un pont avec de l’énergie solaire. Il en résulte un concept qui met en œuvre un stockage saisonnier de chaleur dans le terrain. L’énergie solaire est captée par le pont en été, stockée dans le terrain par l’intermédiaire d’un ensemble de sondes géothermiques, puis restituée en hiver pour le dégivrage du pont. Le pont est équipé de serpentins qui permettent de collecter les gains solaires estivaux et de chauffer la chaussée en hiver pour empêcher la formation de glace ou de givre. A l’exception de l’énergie électrique nécessaire au fonctionnement des pompes, le système est conçu pour fonctionner sans énergie auxiliaire. En raison du niveau de température extrêmement bas pour le dégivrage du pont, ce système est une exception aux catégories présentées au début du chapitre. C’est un système sans pompe à chaleur, mais le stockage de chaleur diffusif fonctionne malgré tout à basse température (entre 5 et 15 °C). Cette installation a été mise en route en 1994 et a fait l’objet d’une campagne de mesure détaillée (Hopkirk et al., 1995). Les caractéristiques du stockage sont données dans la table 1.2. Il est isolé en surface par une couche de 25 cm d’épaisseur de morceaux de mousse de verre. Elle est recouverte par une autre couche de 30 cm avec des matériaux de très faible perméabilité pour limiter les infiltrations d’eau par la surface. Puis une couche de drainage de 30 cm d’épaisseur et finalement une couche de terre recouvre le tout. La surface occupée par le stockage peut à nouveau être cultivée. Ground-heat-storage.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 13/24 Author: Daniel Pahud Stockage de chaleur Nombre de sondes géothermiques (n) 91 Longueur active des sondes (H) 65 m Espacement des sondes (B) 3 m (arrangement hexagonal) 2 Surface de terrain occupée par sonde (B x 7.8 m2/sonde 3 /2) Volume de stockage (B2 x 46'100 m3 3 /2 x N x H) Diamètre des sondes (forage) 11.5 cm Type de sonde Double-U Diamètre intérieur des tubes formant les U 26 mm Matériau de remplissage Bentonite et ciment Résistance thermique d’une sonde Rb (1) Résistance thermique interne d’une sonde Ra 0.12 K/(W/m) (1) 0.44 K/(W/m) (1) calculé avec le programme EED (Hellström and Sanner, 2000) et les paramètres supplémentaires suivants : diamètre externe / interne du tube en plastique 32 / 26 mm conductibilité thermique du tube en plastique 0.42 W/mK conductibilité thermique du matériau de remplissage 0.8 W/mK espacement axe – axe de deux tubes opposés 75 mm débit de fluide par sonde 440 litres/h type de fluide éthylène glycol point de congélation du fluide -21 °C Table 1.2 Caractéristiques du stockage saisonnier de l’installation de Serso. La figure 1.3 montre deux années de mesures. Les mesures de température du terrain dans le volume du stockage ont été utilisées pour calculer sa température moyenne. Cette dernière est reportée en fonction du bilan cumulé de l’énergie injectée moins l’énergie soutirée du stockage. Ground-heat-storage.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 14/24 Author: Daniel Pahud Température stockage / °C 14 01.01.98 13 12 11 10 31.12.99 9 8 -300 -200 -100 0 100 200 Energie transférée dans stockage / GJ Figure 1.3 Température moyenne du stockage représentée en fonction de l’énergie nette transférée par l’échangeur souterrain (cumul énergie injectée – énergie soutirée) (source : Pahud, 2001c). Si le stockage n’a pas de pertes thermiques, un cycle de charge – décharge fera déplacer les points de la courbe sur une droite dont la pente (en K/GJ) est l’inverse de sa capacité thermique spécifique (en GJ/K). Les pertes thermiques du stockage ont pour effet de déplacer les points sur la droite. A l’inverse ils seront déplacés à gauche, si les pertes thermiques sont en réalité des gains thermiques. Lors de l’hiver 98 – 99, l’extraction importante de chaleur a eu pour résultat de sensiblement abaisser la température du stockage, si bien que les pertes du stockage ont été réduites à zéro, voir inversées. Au cours de la décharge du stockage pendant l’hiver 98-99 et de sa recharge le printemps – été suivant, les pertes thermiques du stockage ont été faibles relativement aux énergies transférées. Cette période a l’avantage de permettre une estimation directe de la capacité thermique spécifique du stockage. La régression linéaire montrée dans la figure 1.3 permet de l’estimer à environ 100 GJ/K, soit près de 30 MWh/K. En divisant la capacité thermique spécifique du stockage par son volume, on obtient la capacité thermique volumétrique moyenne du terrain. On trouve 2.2 MJ/m3K, qui est une valeur tout à fait acceptable pour de la molasse. La conductibilité thermique du terrain a été mesurée en laboratoire à 4.5 W/mK sur des échantillons de la couche de molasse qui se trouve à 10 m de la surface. La capacité de transfert de chaleur de l’échangeur souterrain est estimée à 28 kW/K. Ground-heat-storage.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 15/24 Author: Daniel Pahud 1.5 CSHPSS system CSHPSS system is an acronym for central solar heating plant with a seasonal storage. A CSHPSS system with a BTES is a CSHPSS system whose seasonal storage is a borehole thermal energy store. Such a system operates without a heat pump. Neckarsulm in Germany is an example. The system involves 2’700 m2 of flat plate solar collectors, a 20’000 m3 BTES with 168 boreholes of 30 m long each and an auxiliary gas burner to feed a heat distribution network for up to 1’300 flats and terraced houses (Seiwald and al, 1999). A solar fraction of about 50% is expected. In this section, design guidelines for a CSHPSS system with a BTES are presented. They were obtained by dynamic thermal simulations of the whole system (Pahud, 1996b; Pahud, 2000). Methodology A system must be completely defined before its thermal performances can be assessed. In other terms, the system layout, which determines how the subsystems are connected together, and the system control strategy, which determines the system operation, should be known in advance, in addition to the many parameters that define each subsystem. Furthermore, the conditions that drive the system, i.e. the weather data and the heat load, are set to a particular climate and type of consumer. A reference system is defined by fixing its system layout and control strategy. The collector area is used as a scaling factor for the design of the subsystems. Five main system parameters are varied and expressed in relation to the collector area when possible. They are the collector area (m2), the specific buffer store volume (litre per m2), the specific duct store volume (m3 per m2), the specific total borehole length (m per m2) and the shape factor of the duct store (m per m), defined by the ratio between its vertical extension and its diameter; (the duct store volume is taken as being a vertical cylinder). For each set of parameters, the thermal performances of the system are simulated with the dynamic model of the system over several years. The delivered heat in the distribution network that originates from the solar part of the system, called solar heat, is thus known year after year. The average yearly value, calculated for the life-time of the system, takes into account a cold start of the stores and the ground. Cost functions for the collector field, buffer store and duct store are used to establish a yearly cost of the solar part for each of the systems. This yearly cost takes into account the investment and operational costs. Combined with the average yearly solar heat simulated with the dynamic programme, the cost of the solar energy delivered in the distribution network, called solar cost, is calculated for a variety of systems. They all satisfy a known fraction of the annual heat demand, which is called the solar fraction. A cluster of points is obtained when the solar cost is plotted in relation to the solar fraction. The lower points provide optimal system designs in relation to the solar fraction. The whole procedure is repeated for different annual heating requirements, so that the influence of the annual heat quantity and the heat distribution temperature levels can be explored. Ground-heat-storage.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 16/24 Author: Daniel Pahud System layout The system is formed by a solar collector array, a short-term water store (buffer store), a long-term borehole thermal energy store (duct store), an auxiliary heater (boiler) and a heat distribution network to provide heat and hot water to consumers. The system layout is shown in figure 1.4. Solar heat Pressure relief valve exchanger Distribution network Buffer Three-way store valve Boiler Collector array Pump Duct store Two-way valve Load heat exchanger Figure 1.4 Analysed system layout of the CSHPSS system with a BTES. Weather conditions and heat demand The meteorological conditions are chosen to correspond to typical Swiss plateau conditions (north of the Alps). Various heat demands are defined. They depend on the quantity of annual energy (from 500 to 5’000 MWh per year), the forward distribution temperatures (medium: 50 to 55 °C and low: 25 to 30 °C) and the proportion of annual energy used for hot water (hw) and space heating (sh). Simulation results Simulation showed that a BTES can be justified from an economical point of view for solar fraction greater than 50%. For a smaller solar fraction, a system with only a water store has a cheaper solar cost. Large scale solar heating is an important factor for cost reduction (large storage), together with low temperature heat distribution. In figure 1.5, solar cost for a solar fraction of 70% are shown in relation to the annual heat demand and for different heat distribution temperature. Ground-heat-storage.doc Solar cost / CHF per MWh (3.6 GJ) SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia 0 Annual heat demand / MWh 1000 2000 3000 4000 Page 17/24 Author: Daniel Pahud 5000 500 Medium-temperature heat distribution; 75% sh + 25% hw 450 400 Medium-temperature heat distribution; 50% sh + 50% hw 350 300 Low-temperature heat distribution; 100% sh 250 200 0 3600 7200 10800 14400 18000 Annual heat demand / GJ sh: space heating hw: hot water Figure 1.5 Influence of the load type on the solar cost. A large annual heat demand and a low temperature heat distribution are major factors for a significant solar cost reduction. A ground heat storage volume greater than 20’000 m3 requires an annual thermal energy demand of at least 1’000 MWh/year. It corresponds to about 100 – 150 low energy houses (annual heat demand for space heating and domestic hot water of 50 – 80 kWh/m2y, and a heated floor area of 100 – 150 m2 per house). A system designed for a solar fraction of 70% has following sizing values: • Collector area 2 – 3 m2/(MWh/y) of annual heat demand, or about 20 – 30 m2 per house; • Buffer water tank volume 110 – 130 litre/m2 of collector area; • Borehole thermal energy store volume 11 – 13 m3/m2 of collector area with low heat distribution (space heating only); 6 – 8 m3/m2 of collector area with medium heat distribution and 75% sh + 25% hw; 4 – 6 m3/m2 of collector area with medium heat distribution and 50% sh + 50% hw; • Borehole spacing 2.3 – 2.7 m (ground thermal conductivity of 2.5 W/mK). • Ground storage shape factor ~ 2 (ratio store vertical extension over store diameter). Ground-heat-storage.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 18/24 Author: Daniel Pahud Temperature level C l Au y Se gu s pt em t b O er ct N ob e ov em r D b ec er em be r 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Ju ne Ju M ay ril Ap ch ry M ar br ua Fe nu Ja Collectors GR HX + Mean duct GR HX - Collected heat Stored in duct Recover from duct Solar heat Heat load 120 100 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 ar y Monthly energy MWh System thermal behaviour In figure 1.6, a system monthly heat balance is shown. 12th year Figure 1.6 Monthly heat balance for the system designed for the small heat load, 500 MWh/y, 75% sh + 25% dhw and a medium temperature distribution. The solar fraction is 70%. Figure 1.6 clearly show the task of each store: the short-term heat storage requirements are mainly covered by the buffer store, whereas the borehole heat store is principally used for seasonal heat storage requirements. The temperature loss between the temperature level in the collector array and the mean temperature of the duct store is mostly significant when the duct store is loaded. For all the optimal simulated systems, a monthly loss of around 20 K is calculated, of which about 15 K is caused by the ground heat exchanger. Another 5 to 10 K is lost when heat is recovered from the ground storage. Ground-heat-storage.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 19/24 Author: Daniel Pahud Average temperature / °C System control strategy The thermal performances of the systems that have a solar fraction of 70% reveal two main operation modes: a “summer” mode, observed from early June until late September, and a “winter” mode, from early December until late February. During the “summer” mode, heat always flows from the buffer store to the duct store, and inversely from the duct store to the buffer store during the “winter” mode. This also confirms the fact that the duct store is principally used for seasonal heat storage requirements. There are also two transition periods where both modes are present; (in the spring from March to May and during the autumn from October to November). These modes can be deduced from figure 1.7, which shows the temperature evolution of the two stores for the twelfth-operation year. During these transition periods, the operation strategy of the system may have some influence on the thermal performances of the system. Is it better to keep as much heat as possible in the buffer store, so that the heat load can be met by solar heat as often as possible, or to transfer heat to the duct store as soon as possible, in order to enhance the efficiency of the collector array? Depending on the weather forecast, each alternative has its advantages. If the next day is sunny, it might be better to load the duct store in order to make “room” in the buffer store for the solar gains to come. On the other hand, if the next day is cloudy, it might be preferable to keep the heat in the buffer store to have it available for the heat load. It should be remembered that once a heat quantity is transferred to the duct store, it probably will not be available to the heat load the next day, due to the large temperature losses caused by the ground heat exchanger. 90 Water Buffer Store 80 Ground Duct Store 70 60 50 40 -ter mode 30 Summer mode Win- 20 0 30 61 91 122 152 183 213 243 274 304 335 365 th Day of the year for the 12 operation year Figure 1.7 Evolution of the mean buffer and borehole heat store temperatures for the 12th year of operation. System designed for the small heat load, 500 MWh/y, 75% sh + 25% dhw and a medium temperature distribution. The solar fraction is 70%. The optimisation of the system control can be achieved with the help of a new generation of simulation tools applied to solar heating with seasonal heat storage (Rüdiger, 1997). Numerical optimisation procedures are integrated together with the dynamic models describing the system. An optimum system design is directly calculated, given the objectives Ground-heat-storage.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 20/24 Author: Daniel Pahud (for example the solar fraction), the optimisation criteria and the constraints on the variables. A multi-parameter optimisation of a system can be realised in one run. Such a simulation tool cannot yet provide as detailed simulations as TRNSYS can, but it has successfully been used for the simulation of a central solar heating plant with a water tank in Särö, Sweden (Rüdiger, 1997). The methodology has been further developed to simulate a CSHPSS-system with a ground heat storage, including a buffer store in the system design (Rüdiger and Hellström, 1997). Preliminary simulations have shown that relative to a simple system control that would transfer heat between the buffer and the duct store as soon as it is possible, an optimum system control would increase the annual solar heat of a typical solar heating system by about 10%. This optimum control is established using knowledge of the weather in the near future, so that the best decision can be anticipated at the right time. So far, it has been difficult to reproduce the optimum system control with a simple control criterion. However, the optimum system control suggests that the buffer store should cover the short-term heat storage requirement as much as possible, while the mean temperature level of the buffer store is kept as low as possible. Ground-heat-storage.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 21/24 Author: Daniel Pahud 2. RÉFÉRENCES B+B ENERGIETECHNIK, P. 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Fiche technique Géothermie 4, Société Suisse pour la Géothermie SSG, programme SuisseEnergie. Des rapports de recherche de l’auteur peuvent être consultés et rapatriés depuis le site du LEEE sur internet : http://www.leee.supsi.ch Ground-heat-storage.doc Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Stockage de chaleur dans le terrain Stockage de chaleur nécessaire quand demande ≠ offre Stockage souterrain => grand volume accessible => stockage saisonnier réalisable => chauffage et/ou refroidissement Acronyme anglais « UTES » pour Underground Thermal Energy Storage Sondes multiples – stock chaleur Familles de stockage • stockage diffusif dans le terrain Acronyme anglais « BTES » Borehole Thermal Energy Storage • stockage en terre • stockage en aquifère • stockage à eau – en bassin Sondes multiples – stock chaleur Dr. D. Pahud partie 2 – p. 13 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Familles de système (source Hadorn, 1992) Stockage saisonnier de chaleur avec pompe à chaleur Stockage à basse température Sondes multiples – stock chaleur (source Hadorn, 1992) Familles de système Stockage saisonnier de chaleur sans pompe à chaleur Stockage à moyenne ou haute température Sondes multiples – stock chaleur Dr. D. Pahud partie 2 – p. 14 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Stockage de chaleur avec sondes géothermiques => stockage de chaleur + échangeur de chaleur Caractérisation thermique: 3 propriétés principales • capacité de transfert thermique • capacité de stockage spécifique • efficacité de stockage Sondes multiples – stock chaleur Capacité de transfert thermique UA [W/K] R sf = ⎡ ⎛ Ap ⎢ln⎜ 2πλ ⎢ ⎜ π rb ⎣ ⎝ 1 UA = ⎤ ⎞ ⎟ - 0.75⎥ + R * b ⎟ ⎥ ⎠ ⎦ nH R sf P = UA (Tf - Tstk ) Sondes multiples – stock chaleur Dr. D. Pahud partie 2 – p. 15 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Capacité de stockage spécifique Csp [J/K] C sp = ρC V = ρC n A p H Capacité de stockage C [J] C = C sp (Tstk -max - Tstk -min ) = ρC V (Tstk -max - Tstk -min ) Nombre équivalent de cycle EC [-] EC = Q ext / C Pour la plupart des stocks à long terme, EC = 1.5 - 2 Sondes multiples – stock chaleur Efficacité de stockage η [-] η = Q ext / Q inj Dépend du fonctionnement du système Stock à basse température 60 – 90 % Stock à moyenne et haute température 30 – 60 % petit volume 50 – 80 % grand volume Pertes thermiques d’un stockage Qloss [J] Q loss = U A (Tstk -moy − To ) t year Sondes multiples – stock chaleur Dr. D. Pahud partie 2 – p. 16 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Conclusion 1. Stockage souterrain en cuve: OK mais cher 2. Stockage en bassin: OK mais cher 3. Stockage souterrain diffusif: 1. avec pompe à chaleur: OK, compétitif 2. sans pompe à chaleur: OK >500 MWh/an 4. Stockage souterrain en aquifère 1. froid : OK, très rentable 2. chaud: délicat, de cas en cas, >500 MWh Sondes multiples – stock chaleur Dr. D. Pahud partie 2 – p. 17 Heat Exchanger Pile Systems Examples, design and thermal calculations D. Pahud SUPSI - DACD - LEEE Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 2/46 Author: Daniel Pahud Table of content Heat exchanger piles......................................................................................................................3 1.1 Types of heat exchanger piles................................................................................................3 1.2 Types of heat exchanger piles................................................................................................3 1.3 Connection and integration in a system .................................................................................6 1.4 Effet sur la statique des pieux ..............................................................................................10 1.5 Autorisations.........................................................................................................................10 1.6 Examples of some heat exchanger pile systems .................................................................10 1.6.1 Anlage "FINKERNWEG", Kreuzlingen TG...................................................................12 1.6.2 Anlage "LIDWIL GEWERBE AG", Altendorf SZ...........................................................14 1.6.3 Anlage "PAGO AG", Grabs SG....................................................................................16 1.6.4 Anlage "PHOTOCOLOR", Kreuzlingen TG..................................................................18 2. Caractérisation thermique d’un ensemble de pieux échangeurs .................................................20 2.1 Principaux paramètres géologiques et hydrogéologiques du terrain....................................20 2.2 Caractérisation thermique d’un pieu échangeur...................................................................21 2.2.1 Pieu creux préfabriqué..................................................................................................22 2.2.2 Pieu massif ...................................................................................................................23 2.2.3 Valeurs de résistances thermiques typiques de pieux échangeurs..............................26 2.3 Capacité de transfert thermique ...........................................................................................27 2.4 Capacité de stockage spécifique..........................................................................................30 2.5 Effets à long terme ...............................................................................................................31 3. Recommandations pour la réalisation d’installations avec pieux échangeurs .............................32 4. L’outil de simulation PILESIM.......................................................................................................36 5. Dock Midfield of the Zurich airport................................................................................................38 5.1 The Dock Midfield.................................................................................................................38 5.2 The pile system layout..........................................................................................................38 5.3 Main parameters for system simulation ................................................................................42 5.3.1 Ground properties.........................................................................................................42 5.3.2 Piles properties .............................................................................................................43 5.3.3 System parameters.......................................................................................................44 5.4 Thermal performances of the system ...................................................................................44 6. Références ...................................................................................................................................46 1. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia 1. HEAT EXCHANGER PILES 1.1 Types of heat exchanger piles Page 3/46 Author: Daniel Pahud A heat exchanger pile is a pile foundation equipped with a channel system, where a heat carrier fluid is circulated in order to exchange heat with the surrounding ground. Its two main functions are therefore to transfer in depth the construction load and to exchange heat with the surrounding ground. A set of foundation piles is used when surface soil does not have sufficient resistance to support loads of a superstructure through the intermediary of superficial foundations. Having an unit length that normally varies between a few meters to several tens of meters, a part or the totality of the piles can be transformed into “heat exchanger piles”. A set of heat exchanger piles, usually coupled to a heat pump and/or a cooling machine, can be used for heating and/or cooling purposes. In 1998, the SSG (Société Suisse pour la Géothermie) made an inquiry and counted in Switzerland about 25 installations with heat exchanger piles. The annual heat extracted from the ground totalises about 5 GWh, which is less than 1% of the geothermal energy production. This technology is also used in Germany and Austria. In Austria, hundreds of installations with heat exchanger piles have already been built. 1.2 Types of heat exchanger piles With the exception of wood piles, all kind of piles can be in practice equipped with a heat exchanger. A hammered precast pile and a cast-in-place pile are shown in figure 1.1. b 10 - 50 m Pieu foré 60 - 180 cm Fig. 1.1 Heat exchanger pile examples ; a) hammered precast pile, b) cast-in-place pile. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 4/46 Author: Daniel Pahud In figure 1.2 a hollow precast pile is shown with a heat exchanger ready to be put in place (2 U-pipes in polyethylene). The inside volume of the pile is then filled with saturated gravel. In order to optimise the heat transfer with the ground, the pipes should, if possible, be in contact with the inner wall of the concrete pile and regularly spaced along the circumference. Fig. 1.2 Hollow precast pile with a 2 U-pipes heat exchanger in polyethylene (source: Sacac Schleuderbetonwerk AG, Lenzburg). In cast-in-place piles, the plastic pipes of the heat exchanger are fixed on the inner side of the pile metallic reinforcement. In figure 1.3, a 4 U-pipe heat exchanger is shown. The left picture shows the top part of the pile. In this case, the four U-pipes are connected in parallel with a plastic manifold. An other manifold is used for the returning pipes. The right picture shows the bottom part of the pile, where the pipes are bent to form a U. In practice, small pipe diameters are used (typically pipes with a diameter of 20 mm are used). Along the pile, it is important to space the pipes with a regular distance along the circumference of the metallic reinforcement in order to optimise the heat exchange with the ground. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Fig. 1.3 Page 5/46 Author: Daniel Pahud Cast-in-place pile. The 4 U-pipes heat exchanger in polyethylene is fixed on the inner side of the metallic reinforcement (source: EPFL, Lausanne). It is also possible to equip walls imbedded in the ground or concrete plates with a heat exchanger to transfer thermal energy with the ground. This solution is less common than heat exchanger piles. Walls imbedded in the ground can be achieved by a series of piles, prefabricated or cast-in-place walls. In figure 1.4 the heat exchanger pipes are fixed in the metallic reinforcement of a cast-in-place imbedded wall. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Fig. 1.4 1.3 Page 6/46 Author: Daniel Pahud Metallic reinforcement of a cast-in-place wall imbedded in the ground. The pipes for the heat transfer with the ground are fixed in the reinforcement (source: photo Nägelebau, ARöthis). Connection and integration in a system The heat exchanger piles (or wall imbedded in the ground, etc.) are normally coupled to a heat pump for heat production. Horizontal pipes connect the piles (or walls) to a manifold at the ground surface. These pipes are normally placed below the concrete plate of the building. They may cross it at the place of the manifold. If the concrete plate is below the water table, care has to be taken to make the crossing of the pipes watertight. Illustrations are given in figure 1.5 and 1.6. The piles may also be coupled in series. It will depend on the total flow rate through the piles, which is normally fixed by the technical characteristic of the heat pump, the number of piles, pipes per piles, pipe length and diameter, etc. The pumping energy for the circulation of the heat carrier fluid has to be as small as possible. In any case, the electric power of the circulation pump should never exceed 10% of the nominal electric power of the heat pump. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 7/46 Author: Daniel Pahud Raccordement à la pompe à chaleur Distributeur aller / retour Dalle de fondation (radier) Conduites des connexions horizontales Pieu énergétique Fig. 1.5 Illustration of horizontal connections between the piles and a heat pump. Bâtiment Pompe à chaleur Couche n° 1 Couche n° 2 Pieux échangeurs Couche n° 3 Sol Fig. 1.6 Illustration of a heat exchanger pile system for heating purposes. As illustrated in figure 1.6, the heat exchanger piles are normally coupled to a heat pump. During the winter, the heat pump extracts thermal energy from the ground and provides heat to the building. It may cover the totality or part of the heat demand. In this latter case, the system is called “bivalent”. It has the advantage to use the piles for the “base load”. Heat is extracted with a relatively low heat power, resulting in a lower temperature loss (i. e. a smaller temperature difference between the heat carrier fluid that circulates through the piles and the ground). However the pile system operates during a longer period of time, thus maximising the energy output and the use of the piles. Cooling of the ground will takes place, and the long term influence of the pile system may lead to an unacceptable situation. A thermal recharge of the ground is necessary. In some cases, it may be realised naturally if a ground water flow is present all the time and sufficiently important through the Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 8/46 Author: Daniel Pahud ground volume crossed by the piles. As long as heat conduction remains the dominating mode of heat transfer in the ground, the natural recharge of the ground volume is most of the time too weak for the long-term operation of the system. This is why heat exchanger piles are most suitable for systems that combine heating and cooling. The thermal recharge of the ground can be ensured by the cooling requirements. In this case, the ground volume crossed by the piles acts like a seasonal heat storage. Cooling with heat exchanger piles is realised in two different ways: direct cooling or with a cooling machine. Direct cooling is realised by connecting the pile flow circuit to the cold distribution with a conventional heat exchanger. No cooling machine is used in between. It requires that cooling needs can be satisfied with a “high” temperature, typically of 16 – 20°C. If humidity of the air has to be removed by the cooling requirements, a separate cooling device will have to be used as a lower temperature level is necessary for this process. Here again, a “bivalent” cooling system might be the best compromise. In figure 1.7 and 1.8, the two basic concepts of heat exchanger pile systems are shown. Heating Cooling Heat pump Heat exchanger Heat exchanger piles Fig. 1.7 Schematic view of a heat exchanger pile system concept with direct cooling. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 9/46 Author: Daniel Pahud Heat pump / cooling machine Heating Cooling Heat exchanger piles Fig. 1.8 Schematic view of a heat exchanger pile system concept with active cooling. It is also possible to combine the two cooling modes, and perform direct cooling in priority to active cooling with the cooling machine. However this solution is not recommended. The system layout and system control are more complicated and the increase of the system thermal performance is often marginal. When a cooling machine coupled to the piles is used, the fluid temperature in the pile circuit increases to a level that is not compatible with the direct cooling mode. Furthermore, it is not recommended to use part of the heat exchanger piles for the cooling machine and the other part for direct cooling. The temperature loss between the heat carrier fluid and the ground is too large for such a solution. The totality of the heat exchanger pile length is coupled to either the evaporator of the heat pump (heating mode), the condenser of the cooling machine1 (active cooling mode) or the heat exchanger of the cooling distribution (direct cooling mode). If a ground water flow is present in the pile region and is sufficiently important, a natural thermal regeneration of the ground is realised. As a consequence, heat extraction during Winter (for heating) does not depend of heat injection during Summer (for cooling). Seasonal heat storage is not anymore required for a satisfactory long-term operation of the system. In this case, the heat exchanger pile system can be designed for either heating or cooling. 1 A heat exchanger normally separates the pile flow circuit from the condenser flow circuit, if this latter is also used for heating. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia 1.4 Page 10/46 Author: Daniel Pahud Effet sur la statique des pieux Les sollicitations thermiques que les pieux subiront ne doivent en aucun cas conduire à une détérioration inacceptable de leurs propriétés mécaniques. En d’autres termes, les pieux doivent conserver leur capacité de supporter les charges du bâtiment en permanence. En particulier, le gel des pieux doit être évité. Pour un système correctement dimensionné et contrôlé, la température du fluide circulant dans les pieux ne tombera jamais sous 0 °C pendant une période significative de temps. Lorsque des charges thermiques sont injectées dans les pieux, la température de ces derniers augmente, ce qui génère des déformations. Si le pieu n’est pas libre de se déplacer, les déformations se transforment en contraintes. Une étude expérimentale de Laloui et al. (1999) a montré que pour une augmentation de température du pieu de 15 K, la contrainte supplémentaire engendrée dans le pieu n’est pas négligeable. Elle devrait être prise en compte lors du dimensionnement statique du pieu. Toutefois une telle augmentation de la température du pieu implique de pouvoir chauffer le fluide caloporteur circulant dans les pieux à 40 – 50 °C, ce qui est déjà une situation extrême. Si du refroidissement direct est réalisé (température du fluide de 16 – 20 °C), l’effet est beaucoup plus faible. Le fluide circulant dans les pieux doit ainsi satisfaire des contraintes de température pour ne pas affecter de manière inacceptable leurs propriétés mécaniques. Ces contraintes influencent la taille de la pompe à chaleur / machine frigorifique, et ainsi le potentiel de chauffage et de refroidissement offert par les pieux échangeurs. Si le mode refroidissement direct est préféré à l’utilisation d’une machine frigorifique, le potentiel de refroidissement dépend du niveau de température maximum possible pour satisfaire les besoins de refroidissement. 1.5 Autorisations Comme pour les sondes géothermiques, une autorisation est généralement nécessaire pour la réalisation de pieux échangeurs. Comme ce sont les autorités cantonales qui légifèrent en la matière, s’adresser directement à elles. 1.6 Examples of some heat exchanger pile systems Measurements of 4 heat exchanger pile systems were used for the study “Recommandations pour la réalisation d’installations avec pieux échangeurs” (Fromentin et al., 1997). In this section, the main characteristics of these installations are taken from this report and given to provide some existing and measured examples. More details can be found in Fromentin et al., 1997. Note that the characteristics do not necessarily correspond to an optimal system. In table 1.1 a summary of the main characteristics of the four pile system is given. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Table 1.1 Page 11/46 Author: Daniel Pahud Main characteristics of the 4 heat exchanger pile systems used for the study “Recommandations pour la réalisation d’installations avec pieux échangeurs” (Fromentin et al., 1997). Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia 1.6.1 Page 12/46 Author: Daniel Pahud Anlage "FINKERNWEG", Kreuzlingen TG Die von der Firma Logis Suisse SA realisierte Wohnüberbauung "Finkernweg" in Kreuzlingen besteht aus 4 Gebäuden mit integrierten Tiefgaragen und Zivilschutzräumen. Neben dem Erdgeschoss (EG) gelangten 1 Untergeschoss (UG), 3 Obergeschosse (OG) und 1 Dachgeschoss (DG) zur Ausführung. Die Autoeinstellhalle liegt flächendeckend unter den 3 Blöcken A - C. Die überbaute Fläche weist die Grundrissmasse ca. 70 x 120 m auf. Die Gebäude werden als Wohn-, Büro- und Gewerberaum genutzt. Mit den nachfolgend beschriebenen Messungen wird nur das Haus A erfasst, welches auf 87 Pfähle fundiert ist. 75 dieser Pfähle wurden als Energiepfähle (EPF) ausgerüstet, welche eine energetisch nutzbare Gesamtlänge von ca. 800 m' aufweisen. Untergrund Die massgeblichen Kennziffern wurden als geschätzte Richtwerte in folgendem Rahmen angenommen: Schicht Mächtigkeit [m] A B Porosität n Durchlässigkeitsbeiwert kGW-Fliessgeschw. [m³ Wasser/m³ Boden] 0.3 - 3.5 0.0 - 2.5 [m/s] [m/Tag] 10-4 - 10-6 ca. 0.35 ca. 0.30 -4 sehr gering -4 -6 sehr gering 10 - 10 C 12.0 - 19.0 0.50 - 0.60 10 - 10 D unbekannt 0.30 - 0.40 10-3 - 10-6 Neigung des GW-Spiegels i: ca. 0.02 m/m Richtung NNE Geschätzte Durchschnittswerte Durchschnittliche Jahrestemperatur im Boden T0 : 10° C Wärmeleitfähigkeit λ: ca. 2.2 W/mK Vol. Wärmekapazität cv : ca. 2.3 MJ/m³K Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc Niederschlagsabh. -1 Kein GW SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 13/46 Author: Daniel Pahud Leistungs-, Energie- und Kostentabelle Anlage: Finkernweg, Kreuzlingen TG (Haus A) Heizleistung (gesamt): Heizleistung (nicht konventionell): Pfahllänge total: Jahresarbeitszahl (JAZ): Durchschnittlicher Wärmeentzug: Durchschnittliche Pfahlbelastung: Produzierte Wärmeenergie (Heizung + Warmwasser): Verdampferenergie aus EPF: 85 kW 85 kW 825 m ca. 2.6 150 – 190 kWh/m/a 60 – 70 W/m 200'000 – 250'000 kWh/a 123'000 – 154'000 kWh/a Kälteleistung (gesamt): Kälteleistung (nicht konventionell): - produzierte Kälteenergie (gesamt): Genutzte Kälteenergie (aus erneuerbaren E.träger): - Elektrische Leistung (nicht konventionell): Elektrische Energie (nicht konventionell): ca. 45 kW ca. 70'000 kWh/a lnvestionskosten des Projektes: Lebensdauer der Anlage: Annuität (6% Zins): Strompreis: Öl-, resp. Gaspreis: 581'000.- Fr. 20 Jahre 8.72 17.6 Rp/kWh - Energiekosten Strom: Energiekosten Öl resp. Gas: Kapitaldienst: Wartungskosten: Jahreskosten: ca. 12’300.- Fr./a 50'663.- Fr./a ca. 6'900.- Fr/a ca. 69'863.- Fr./a Wärme - Kälte Gestehungspreis (nur Alternativenergie): 28 - 35 Rp./kWh Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia 1.6.2 Page 14/46 Author: Daniel Pahud Anlage "LIDWIL GEWERBE AG", Altendorf SZ Das von der Firma Mächler AG realisierte Industriegebäude liegt in Altendorf SZ in unmittelbarer Nähe des Zürichsees, zwischen der Kantonstrasse und der SBB-Trasse und südlich des Talbaches. Die gesamte Baufläche mit einem Grundriss von ca. 40 x 50 m verteilt sich auf 6 Geschosse und wird als Gewerbefläche genutzt. Untergrund Die massgeblichen Kennziffern sind als geschätzte Richtwerte im folgenden Rahmen anzunehmen: Schicht Mächtigkeit [m] A Porosität n Durchlässigkeitsbeiwert k GW-Fliessgeschw. [m³ Wasser/m³ Boden] 0.0 - 1.5 [m/s] 0.30 - 0.40 [m/Tag] -4 -6 kein GW -4 -6 kein GW 10 - 10 B 1.0 - 4.0 0.35 - 0.45 10 - 10 C 0.0 - ? 0.35 - 0.55 10-1 - 10-6 kein GW D 20.0 - 25.0 ca. 0.30 10-1 - 10-4 100 - 150 E 0.0 - 1.0 -4 0.35 - 0.45 Neigung des Grundwasserspiegels i: 10 - 10 -6 kein GW 2.5 - 3 % Richtung ENE Geschätzte Durchschnittswerte Durchschnittliche Jahrestemperatur im Boden T0 : (kann nur abgeschätzt werden!) Wärmeleitfähigkeit λ: ca. 1.8 W/mK Vol. Wärmekapazität cv : ca. 2.4 - 2.5 MJ/m³K Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 15/46 Author: Daniel Pahud Leistungs-, Energie- und Kostentabelle Anlage: Lidwil Gewerbe AG, Altendorf Heizleistung (gesamt): Heizleistung (nicht konventionell): Pfahllänge total: Jahresarbeitszahl (JAZ): Durchschnittlicher Wärmeentzug: Durchschnittliche Pfahlbelastung: Produzierte Wärmeenergie (Heizung): Verdampferenergie aus EPF: 160 kW 160 kW 2’057 m ca. 3.0 80 – 100 kWh/m/a 40 – 60 W/m 258'000 – 325'000 kWh/a 171'000 – 215'000 kWh/a Kälteleistung (gesamt): Kälteleistung (nicht konventionell): - produzierte Kälteenergie (gesamt): Genutzte Kälteenergie (aus erneuerbaren E.träger): - Elektrische Leistung (nicht konventionell): Elektrische Energie (nicht konventionell): 53.5 kW 86'000 – 108’000 kWh/a lnvestionskosten des Projektes: Lebensdauer der Anlage: Annuität (5% Zins): Strompreis: 574'490.- Fr. 20 Jahre 8.02 15 Rp/kWh Energiekosten Strom: Kapitaldienst: Wartungskosten: Jahreskosten: 13’089.- Fr./a 46'099.- Fr./a 59'187.- Fr./a Wärme - Kälte Gestehungspreis (nur Alternativenergie): 18 - 23 Rp./kWh Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia 1.6.3 Page 16/46 Author: Daniel Pahud Anlage "PAGO AG", Grabs SG In den Jahren 1994 und 1995 errichtete die Firma Pago AG (Etiketten und Etikettiersysteme) ihren Geschäftsneubau in Grabs SG, der sich in zwei Hauptteile gliedert: Produktion und Verwaltung im sogenannten Hauptbau und Hochregallager. Der Neubau wurde gesamthaft einfach unterkellert. Im Untergeschoss wurden die Lasten z.T. über Einzelstützen (Tiefgarage) und über die Kellerwände, im Palettenlager jedoch flächenhaft über die Bodenkonstruktion abgetragen. Untergrund Die massgeblichen Kennziffern sind als geschätzte Richtwerte in folgendem Rahmen anzunehmen: Schicht Mächtigkeit [m] Porosität n Durchlässigkeitsbeiwert k GW-Fliessgeschw. [m³ Wasser/m³ Boden] [m/s] -2 [m/Tag] -4 kein GW A ca. 0.5 0.50 - 0.60 10 - 10 B 20 - 30 0.40 - 0.60 10-5 - 10-7 kein GW C ? 0.30 - 0.40 10-1 - 10-4 sehr gering Neigung des Grundwasserspiegels i: sehr gering Geschätzte Durchschnittswerte Durchschnittliche Jahrestemperatur im Boden T0 : 10 ° C Wärmeleitfähigkeit λ: 1.8 - 2.0 W/mK Vol. Wärmekapazität cv : ca. 2.4 MJ/m³K Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 17/46 Author: Daniel Pahud Leistungs-, Energie- und Kostentabelle Anlage: Pago AG, Grabs Heizleistung (gesamt): Heizleistung (nicht konventionell): Pfahllänge total: Jahresarbeitszahl (JAZ): Durchschnittlicher Wärmeentzug: Durchschnittliche Pfahlbelastung: Produzierte Wärmeenergie: Verdampferenergie aus EPF: 1’000 kW 750 kW 7’980 m 3.6 18 kWh/m/a 50 – 80 W/m 1'000'000 kWh 145'000 kWh Kälteleistung (gesamt): Kälteleistung (direkt Kühlung mit Energiepfähle): 1'400 kW 320 - 380 kW produzierte Kälteenergie (gesamt): Genutzte Kälteenergie (aus erneuerbaren E.träger): 1'200'000 kWh/a 270'000 - 300'000 kWh/a Elektrische Leistung (nicht konventionell): Elektrische Energie (nicht konventionell): 250 kW 577’000 kWh/a lnvestionskosten des Projektes: Lebensdauer der Anlage: Annuität (5% Zins): Strompreis: Öl-, resp. Gaspreis: 19'320’000.- Fr. 20 Jahre 8.02 19.8 Rp/kWh 3.2 Rp./kWh Energiekosten Strom: Energiekosten Öl resp. Gas: Kapitaldienst: Wartungskosten: Jahreskosten: 16’400.- Fr./a 105'800.- Fr./a 155'029.- Fr./a 42'620.- Fr./a 319'849.- Fr./a Wärme - Kälte Gestehungspreis: 14.5 Rp./kWh Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia 1.6.4 Page 18/46 Author: Daniel Pahud Anlage "PHOTOCOLOR", Kreuzlingen TG Der im Jahre 1992 realisierte Neubau der Firma Photocolor Kreuzlingen AG bedingte aufgrund der geologischen Verhältnisse eine Pfahlfundation. Das Gebäude mit 1 UG, EG + 1 OG in den Abmessungen ca. 28.5 x 52.0 m grenzt im Norden unmittelbar an eine damals bereits bestehende Halle; in den ersten ~ 4 m entlang der Halle wurde auf eine Unterkellerung verzichtet. Die Gebäudelasten werden im Untergeschoss grossenteils über Einzelstützen mit relativ grossen Rasterabständen von 9.25 x 12.75 m abgetragen. Untergrund Die massgeblichen Kennziffern sind als geschätzte Richtwerte in folgendem Rahmen anzunehmen: Schicht Mächtigkeit [m] Porosität n Durchlässigkeitsbeiwert k GW-Fliessgeschw. [m³ Wasser/m³ Boden] [m/s] [m/Tag] A 2.0 ± 0.5 0.30 - 0.35 10-4 - 10-6 kein GW B 10.0 ± 1.0 0.35 - 0.55 10-1 - 10-6 sehr gering C 6.0 ± 1.0 ca. 0.30 10-1 - 10-4 ca. 10.0 D unbekannt 0.30 - 0.40 10-3 - 10-6 kein GW Neigung des GW-Spiegels i: ca. 0.02 m/m Richtung NNE Geschätzte Durchschnittswerte Durchschnittliche Jahrestemperatur im Boden T0 : 10° C Wärmeleitfähigkeit λ: ca. 2.2 W/mK Vol. Wärmekapazität cv : ca. 2.3 MJ/m³K Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 19/46 Author: Daniel Pahud Leistungs-, Energie- und Kostentabelle Anlage: Photocolor AG, Kreuzlingen Heizleistung (gesamt): Heizleistung (nicht konventionell): Pfahllänge total: Jahresarbeitszahl (JAZ): Durchschnittlicher Wärmeentzug: Durchschnittliche Pfahlbelastung: Produzierte Wärmeenergie (alternativ): Verdampferenergie aus EPF: 390 kW 102 kW 1’023 m 2.9 140 - 200 kWh/a 40 – 80 W/m 215'000 – 307'000 kWh/a 140'000 – 200’000 kWh/a Kälteleistung (gesamt): Kälteleistung (nicht konventionell): 90 kW 90 kW produzierte Kälteenergie (gesamt): Genutzte Kälteenergie (aus erneuerbaren E.träger): 58'000 kWh/a 48'000 kWh/a Elektrische Leistung (nicht konventionell): Elektrische Energie (nicht konventionell): 36 kW 49’000 kWh/a lnvestionskosten des Projektes: Lebensdauer der Anlage: Annuität (5% Zins): Strompreis: 272’000.- Fr. 20 Jahre 8.02 12.3 Rp/kWh Energiekosten Strom: Kapitaldienst: Wartungskosten: Jahreskosten: 6’027.- Fr./a 21'826.- Fr./a 3'260.- Fr./a 31'113.- Fr./a Wärme - Kälte Gestehungspreis (nur Alternativenergie): 8 - 11 Rp./kWh Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 20/46 Author: Daniel Pahud 2. CARACTERISATION THERMIQUE D’UN ENSEMBLE DE PIEUX ECHANGEURS 2.1 Principaux paramètres géologiques et hydrogéologiques du terrain Les valeurs des paramètres suivants doivent être connues afin de pouvoir définir au mieux le potentiel d’utilisation thermique du terrain: • la capacité thermique volumétrique Cv, en J/m3K, correspond à la quantité de chaleur nécessaire (J) à l’élévation en température de 1 K d’un volume de 1 m3 de terrain. • la conductivité thermique λ, en W/mK, correspond au flux de chaleur (W/m2) transmis par conduction au travers d’un corps soumis à un gradient de température de 1 K/m. • la perméabilité k, en m/s, permet de déterminer la vitesse d’écoulement de l’eau souterraine v (ou vitesse de Darcy) en m/s, par le biais de la pente i ou du gradient de pression horizontal de la nappe souterraine (par exemple : v = k i) Les domaines de variation des paramètres cités ci-dessus au sein des formations géologiques meubles concernées par la mise en place de pieux de fondation sont donnés dans la table 2.1. Type de sol Perméabilité k [m/s] Argile 10-8 - 10-10 0.2 - 0.3 1.1 - 1.6 0.3 - 0.6 2.1 - 3.2 Limon 10-5 - 10-8 Sable Gravier Table 2.1 Conductivité thermique λ [W/m·K] sec saturé Capacité thermique volumique Cv [MJ/m³·K] sec saturé 0.2 - 0.3 1.2 - 2.5 0.6 - 1.0 2.1 - 2.4 -3 -4 0.3 - 0.4 1.7 - 3.2 1.0 - 1.3 2.2 - 2.4 -1 -3 0.3 - 0.4 1.8 - 3.3 1.2 - 1.6 2.2 - 2.4 10 - 10 10 - 10 Domaine de variation des principales caractéristiques de terrains couramment rencontrés lors de la mise en oeuvre de pieux de fondation. Il ressort de la table 2.1 que les valeurs des propriétés thermiques λ et Cv sont très nettement plus élevées en présence d’eau dans le terrain. La capacité de stocker de l’énergie thermique à long terme (saison) d’un ensemble de pieux échangeurs est également une fonction directement dépendante de la vitesse d’écoulement de la nappe phréatique. Il suffit d’une vitesse de Darcy de l’ordre de 0.5 à 1.0 m/jour dans une couche perméable traversée par les pieux échangeurs pour Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 21/46 Author: Daniel Pahud disperser l’énergie transférée par ces derniers et empêcher le stockage saisonnier de l’énergie thermique. Pour plus de détails sur les définitions, la législation, les propriétés thermiques du soussol, etc., il est recommandé de consulter la littérature disponible (p. ex. SIA D0136, chapitre 2: “Das Erdreich als Wärmequelle”). 2.2 Caractérisation thermique d’un pieu échangeur Le paramètre le plus important d’un pieu échangeur est certainement sa résistance thermique, dénotée Rb, qui permet de quantifier l’écart de température entre le fluide circulant dans le pieu et le terrain sur son pourtour, en régime stationnaire, et pour une puissance transférée connue. En d’autres termes, l’extraction d’une puissance thermique crée une différence de température entre le fluide et le terrain, indépendamment du fait d’avoir des conditions géologiques et une hydrogéologie locale favorables ou non. Cette différence de température atteint facilement plusieurs degrés, voir une dizaine de degrés pour un cas défavorable. Par exemple, un pieu de résistance thermique 0.2 K/(W/m), sous l’effet d’une puissance d’extraction de 50 W/m, créera, une fois un régime stationnaire établi dans le pieu, une différence de température de 10 K entre la température moyenne du fluide et du terrain sur son pourtour. D’autres paramètres sont la capacité thermique du pieu, qui augmente avec son diamètre, et la résistance thermique interne Ra, qui permet d’évaluer les effets défavorables des transferts de chaleur internes dans le pieux: pour une extraction de chaleur donnée, le fluide caloporteur qui ressort du pieu a été refroidi par le fluide qui retourne dans le pieu. Néanmoins, l’influence de ces deux paramètres n’est pas aussi grande que celle de Rb. Seule la résistance thermique d’un pieu Rb est considérée dans cette section. La résistance thermique d’un pieu échangeur dépend du type de pieu utilisé, de son diamètre, du nombre et de l’arrangement spatial des tubes dans le pieu, du régime d’écoulement du fluide dans les tubes, de la conductivité thermique des matériaux utilisés, etc. Dans cette section, elle est calculée pour un pieu creux préfabriqué de 0.45 m de diamètre, et des pieux massifs de diamètres 0.34, 0.45, 0.6, 1.0 et 1.4 m. Pour les pieux massifs, le nombre de tubes, fixés verticalement à l’intérieur de l’armature métallique, est varié de 4 à 8 (2, 3 et 4 tubes en forme de U). La conductivité thermique du béton et le régime d’écoulement du fluide caloporteur (laminaire ou non laminaire) sont variés. Un pieu circulaire de 0.34 m de diamètre, respectivement 0.45 m, est équivalent à un pieu carré de 0.3 m de côté, respectivement 0.4 m. Le pieu creux préfabriqué, de 0.45 m de diamètre, laisse un espace vide de 0.25 m de diamètre au centre, dans lequel 4 tubes formant 2 U sont insérés. Ces pieux sont généralement coupés à ras le sol. Il faut veiller à ne pas laisser tomber des matériaux dans le pieu avant d’insérer les tubes, afin de ne pas raccourcir la longueur d’échange du pieu échangeur. L’espace vide est ensuite rempli avec un matériau de remplissage. Le pieu creux préfabriqué correspond au pieu PILOTHERM de SACAC utilisé à Lidwil, tandis que les pieux massifs de 0.34 et 0.45 m de diamètre, équipés avec 8 tubes, correspondent aux pieux NÄGELE utilisés à Finkernweg, Photocolor et Pago (cf. section 1.5 du chapitre 1). Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia 2.2.1 Page 22/46 Author: Daniel Pahud Pieu creux préfabriqué Les valeurs de la résistance thermique du pieu creux préfabriqué sont calculées pour différentes valeurs de la conductivité thermique du matériau de remplissage (bentonite: 0.7 W/mK et sable de quartz: 1.5 W/mK), de l’écartement des tubes dans le pieu (8 et 21cm) et du régime d’écoulement du fluide dans les tubes (laminaire et non laminaire). La résistance thermique du pieu sera toujours supérieure à celle de sa paroi annulaire en béton, calculée à 0.05 K/(W/m) pour une conductivité thermique de 1.8 W/mK du béton. (La résistance thermique de la paroi annulaire est calculée à 0.07 K/(W/m) pour un béton à 1.3 W/mK). Les valeurs calculées sont comprises entre 0.12 et 0.37 K/(W/m). La valeur la plus élevée (situation la plus mauvaise), est obtenue avec un matériau de remplissage peu conducteur comme la bentonite (0.7 W/mK), un faible écartement entre les tubes (8 cm) et un régime d’écoulement laminaire. Une valeur de 0.15 K/(W/m) devrait facilement être réalisée en pratique avec un bon écartement des tubes (21 cm) et un matériau de remplissage plus conducteur (gravier ou sable de quartz saturé en eau). Les caractéristiques du pieu creux préfabriqué ainsi que sa résistance thermique sont données dans la table 2.2. Type de pieu pieu creux préfabriqué Diamètre extérieur du pieu Diamètre de l’espace creux intérieur Diamètre extérieur/intérieur des tubes en plastique Conductivité thermique du plastique Régime d’écoulement du fluide dans les tubes Ecartement ente 2 tubes opposés Conductivité thermique du matériau de remplissage Conductivité thermique du béton formant le pieu 45 cm 25 cm 25 / 20.4 mm (MDPE) 0.4 W/mK laminaire 21 cm 1.5 W/mK (gravier ou sable saturé) 1.8 W/mK Résistance thermique calculée du pieu: 0.15 K/(W/m) Variation d’un paramètre relativement aux valeurs cidessus: Ecartement ente 2 tubes opposés réduit à 8 cm Conduct. du mat. de rempl. réduite à 0.7 W/mK Régime d’écoulement du fluide non laminaire Table 2.2 Caractéristiques et résistance thermique d’un diamètre. Résistance thermique (K/(W/m): Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc 0.23 (+0.08 ou +50%) 0.19 (+0.04 ou +25%) 0.12 (-0.03 ou - 20%) pieu creux préfabriqué de 45 cm de SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia 2.2.2 Page 23/46 Author: Daniel Pahud Pieu massif Résistance thermique K/(W/m) Les pieux massifs de 34 et 45 cm de diamètre étudiés sont équipés avec des tubes en plastique de diamètre extérieur / intérieur de 20 / 16 mm, fixés sur l’intérieur de l’armature métallique du pieu, soit à 5 cm du bord. Les autres pieux, de diamètre 60, 100 et 140 cm, sont équipés avec des tubes de diamètres 32 / 26 mm, fixés à 10 cm du bord du pieu. Les résistances thermiques des pieux sont montrées dans la figure 2.1 pour une conductivité thermique du béton de 1.8 W/mK et un régime laminaire dans les tubes. Pieu creux avec 2 tubes en U 0.16 0.15 0.14 0.13 0.12 0.11 0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 Pieu massif avec 2 tubes en U Pieu massif avec 3 tubes en U Pieu massif avec 4 tubes en U Position des tubes: 5 cm du bord 0 0.25 0.5 Position des tubes: 10 cm du bord 0.75 1 1.25 1.5 Diamètre du pieu m Fig. 2.1 Résistances thermiques de pieux massifs de diamètre 34 (30 x 30 cm), 45 (40 x 40 cm), 60, 100 et 140 cm. Les tubes sont placés à 5 cm du bord pour les pieux de 34 et 45 et à 10 cm pour les autres. Pour chaque pieu, un double - U, un triple - U et un quadruple - U est calculé. (Conductivité thermique du béton: 1.8 W/mK, régime d’écoulement dans les tubes laminaire). La résistance thermique du pieu creux calculée plus haut est également indiquée. Un régime non laminaire dans les tubes livre une figure similaire, avec des résistances thermiques légèrement meilleures. Toutefois, l’amélioration devient plus faible avec un nombre de tubes plus important. Elle est d’environ 0.02 K/(W/m) pour un double - U, mais n’est plus que de 0.01 K/(W/m) avec un quadruple - U. Une conductivité thermique du béton plus faible (1.3 W/mK au lieu de 1.8 W/mK) conduit à une résistance thermique plus haute. L’effet est d’environ 0.02 K/(W/m) pour un double - U, et devient également plus faible avec un nombre de tube plus grand. L’amélioration de la résistance thermique d’un pieu diminue chaque fois qu’un tube en U est rajouté. En passant de deux U à trois U, le gain est d’environ 0.030 K/(W/m), et de trois U à quatre U, il n’est plus que de 0.015 Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 24/46 Author: Daniel Pahud K/(W/m); en revanche, l’influence des deux paramètres étudiés (régime d’écoulement, conductivité thermique du béton) devient plus faible avec un nombre plus grand de tubes. Pour un nombre de tubes donnés placés le plus près possible du bord du pieu, la résistance thermique du pieu est relativement la même quel que soit son diamètre. Toutefois, elle a tendance à augmenter avec l’augmentation du diamètre pour un double - U, et à diminuer avec un quadruple - U. Il est donc bénéfique d’insérer davantage de tube en U pour un pieu plus épais, mais l’effet sur la résistance thermique reste à peu près le même pour des diamètres de pieu compris entre 30 et 140 cm. La figure 2.1 montre les résistances thermiques de pieux de diamètres différents, mais elle ne permet pas de les comparer. La résistance thermique d’un pieu est définie relativement à son rayon. Pour pouvoir comparer plusieurs valeurs entre elles, il faut adopter un rayon commun, choisi comme le rayon du pieu le plus épais. En d’autres termes, à la résistance thermique du pieu, il faut ajouter la résistance thermique de la couronne de terrain entre le bord du pieu et le rayon commun. Pour un transport de chaleur par conduction pure dans le terrain, elle est donnée par la relation (2.1): Ranneau = ⎛ ro ⎞ ln⎜ ⎟ 2π λ ⎝ ri ⎠ 1 (2.1) Ranneau : résistance thermique de l’anneau de terrain compris entre ri et ro (K/(W/m); λ: conductivité thermique du terrain (W/mK); ro : rayon extérieur (rayon commun) (m); ri : rayon intérieur (rayon du pieu) (m). La figure 2.2 permet une comparaison des résistances thermiques des pieux en choisissant pour le rayon de référence celui du plus gros pieu (70cm). La conductivité thermique du terrain est supposée être à 1.8 W/mK. Cette comparaison n’est valide que si l’effet d’un mouvement d’eau souterrain est négligeable. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 25/46 Author: Daniel Pahud Résistance thermique entre le fluide et le terrain à 70 cm du centre du pieu K/(W/m) 0.26 0.24 Pieu creux avec 2 tubes en U 0.22 Pieu massif avec 2 tubes en U 0.20 Pieu massif avec 3 tubes en U Pieu massif avec 4 tubes en U 0.18 0.16 0.14 Position des tubes: 5 cm du bord 0.12 0.10 0.08 0.06 Position des tubes: 10 cm du bord 0.04 0.02 0.00 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 Diamètre du pieu m Fig. 2.2 Résistances thermiques de pieux massifs de diamètre 34 (30 x 30 cm), 45 (40 x 40 cm), 60, 100 et 140 cm. Les résistances thermiques sont calculées relativement à un rayon commun de 70 cm, et incluent la contribution du terrain pour des pieux de rayon inférieur. Elle est calculée pour un mode de transfert de chaleur par conduction uniquement avec la relation (2.1). (Terrain: conductivité thermique de 1.8 W/mK. Pieux: conductivité thermique du béton de 1.8 W/mK, régime d’écoulement dans les tubes laminaire). La résistance thermique du pieu creux est également indiquée. L’avantage d’avoir des pieux de grands diamètres est évident. Néanmoins, le positionnement des tubes dans le pieu est un paramètre important, surtout si les tubes ne sont pas soigneusement écartés les uns des autres et s’ils sont placés vers le centre du pieu. Dans la figure 2.3, la résistance thermique d’un pieu de 140 cm de diamètre, équipé de 4 tubes en U, est montrée en fonction de la position des tubes, mesurée par la distance radiale entre le centre du pieu et le centre des tubes. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 26/46 Author: Daniel Pahud Influence de la position des tubes dans un pieu de 140 cm de diamètre Résistance thermique K/(W/m) 0.25 4 tubes en U 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Distance radiale entre le centre du pieu et le centre des tubes m Fig. 2.3 2.2.3 Résistances thermiques d’un pieu massif de 140 cm de diamètre. La résistance thermique est calculée relativement à la position des 8 tubes, mesurée par la distance radiale entre le centre du pieu et le centre des tubes. (Conductivité thermique du béton: 1.3 W/mK, régime d’écoulement dans les tubes non laminaire). Valeurs de résistances thermiques typiques de pieux échangeurs En ce qui concerne les pieux massifs, les tubes sont fixés sur la face intérieure de leur armature métallique. Les calculs des résistances thermiques ont montré que la résistance thermique d’un pieu dépend essentiellement du nombre de tubes en U. Le diamètre, varié de 30 à 140 cm, a une influence négligeable si les tubes sont écartés le plus possible les uns des autres et sont le plus loin possible de l’axe du pieu. En ce qui concerne les pieux creux les calculs ont été effectués pour un seul diamètre (45 cm). Avec cette catégorie de pieu, il est très important de pouvoir écarter au maximum les tubes. Les valeurs de résistance thermique données ci-dessous peuvent être considérées comme typiques et peuvent être adoptées à défaut de calcul plus précis. Type de pieu : pieu creux équipé avec un double – U : pieu massif équipé avec un double – U : pieu massif équipé avec un triple – U : pieu massif équipé avec un quadruple – U : Rb (K/(W/m) 0.15 0.10 - 0.11 0.07 - 0.08 0.06 Ajouter des tubes en U à un pieu équipé avec 4–U ne permet pas de sensiblement abaisser sa résistance thermique. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia 2.3 Page 27/46 Author: Daniel Pahud Capacité de transfert thermique La capacité de transfert thermique est un des paramètres fondamentaux qui permet de caractériser un ensemble de pieux échangeurs du point de vue thermique. Un autre paramètre important, abordé plus loin, est la capacité de stockage spécifique. La capacité de transfert thermique, notée UA, équivaut à la puissance thermique que l’on peut transférer dans le terrain, une fois un régime stationnaire établi, pour une différence de température de 1 K entre la température moyenne du fluide caloporteur et la température moyenne du terrain. La capacité de transfert thermique dépend de la résistance thermique entre la température moyenne du fluide et la température moyenne du terrain, dont la résistance thermique d’un pieu n’est qu’une composante. Une estimation de la contribution du terrain peut être effectuée dans le cas où seul le mode de transfert de chaleur par conduction domine. Cette estimation est valide une fois qu’un régime en flux stationnaire est établi, ou, en d’autres termes, quand la différence entre la température moyenne du fluide et la température moyenne du terrain devient constante dans le temps, suite à l’injection ou l’extraction d’une puissance thermique constante. La durée de cette période transitoire est estimée par la relation (2.2) (Hellström, 1991): tfs = 0.065 tfs : Ap : a: Ap a (2.2) durée de la période transitoire (s); section du volume de terrain associé à 1 pieu (pour un espacement quadratique B, Ap = B x B) (m2); diffusivité thermique du terrain (m2/s); a est le quotient entre la conductivité thermique du terrain (W/mK) et sa capacité thermique volumétrique (J/m3K). Pour des valeurs typiques (a = 0.8.10-6 m2/s et B = 4 m), la période transitoire dure une quinzaine de jours. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 28/46 Author: Daniel Pahud La résistance thermique du terrain Rg en flux stationnaire se calcule par la relation (2.3) (Hellström, 1991): ⎧⎪⎡ r 2 ⎤ 2 ⎛ r ⎞ 3 rb2 1 1 ⎜ ⎟ Rg = ln ⎨⎢ ⎥ 2 π λ ⎪⎣ r12 − rb2 ⎦ ⎜⎝ rb ⎟⎠ 4 2 r12 − rb2 ⎩ 1 Rg : λ: rb : r1 : ( ⎫⎪ ⎬ ⎪⎭ ) (2.3) résistance thermique du terrain en flux stationnaire (K/(W/m)); conductivité thermique du terrain (W/mK); rayon des pieux (m); rayon du volume de terrain associé à un pieu (m); r1 = B / π ; et B est l’espacement moyen entre les pieux (m); La capacité de transfert thermique UA d’un ensemble de pieux échangeurs, définie par la puissance que l’on peut transférer par degré d’écart entre la température du fluide caloporteur et la température moyenne de terrain, est connue via la résistance thermique en flux stationnaire (cf. relation (2.4)): UA = UA : n: H: Rg : Rb : n⋅H Rb + Rg (2.4) capacité de transfert thermique (W/K); nombre de pieux échangeurs (-); longueur active d’un pieu échangeur (m); résistance thermique du terrain en flux stationnaire (K/(W/m)); résistance thermique des pieux échangeurs (K/(W/m)). La capacité de transfert thermique d’un ensemble de pieux est donc connue si l’on connaît la résistance thermique des pieux, leurs dimensions (diamètre, longueur active et nombre), l’espacement moyen entre les pieux et la conductivité thermique moyenne du terrain. Elle traduit une relation linéaire entre la puissance transférée par les pieux et la différence de température entre le fluide et le terrain en situation de flux stationnaire (cf. relation 2.5): P = UA (Tf - Tm) P: UA : Tf : Tm : puissance thermique injectée ou extraite par les pieux échangeurs (W); capacité de transfert thermique (W/K); température moyenne du fluide (°C); Tf = (Ti +To)/2; Ti et To : température d’entrée et de sortie du fluide dans les pieux (°C); température moyenne du terrain dans la zone perturbée par les pieux échangeurs (°C). Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc (2.5) SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 29/46 Author: Daniel Pahud La figure 2.4 permet d’obtenir graphiquement la résistance thermique du terrain Rg. Elle a été calculée pour une conductivité thermique du terrain de 1.8 W/mK. Comme Rg est inversement proportionnel à λ, il est facile de corriger les valeurs pour d’autres valeurs de conductivité thermique, en les multipliant par le rapport 1.8/ λ, où λ est la conductivité thermique du terrain considéré. Le graphique permet d’obtenir Rg en fonction du diamètre du pieu et de l’espacement moyen de ces derniers. Rg a été calculé avec la formule 2.3. Résistance thermique du terrain Rg K/(W/m) Espacement entre les pieux 0.21 0.20 6.0 m 0.19 0.18 5.0 m Conductivité thermique du terrain: 1.8 W/mK 5.5 m 0.17 0.16 4.5 m 0.15 0.14 0.13 3.5 m 4.0 m 3.0 m 0.12 0.11 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Diamètre des pieux cm Fig. 2.4 Résistance thermique du terrain Rg d’un ensemble de pieux échangeurs dans un terrain de conductivité thermique 1.8 W/mK. Elle est montrée en fonction du diamètre et de l’espacement moyen des pieux. Afin d’illustrer l’utilité de la figure 2.4, on se donne un pieu carré de 40 cm de côté et de résistance thermique 0.06 W/(m/K). Les pieux sont espacés de 4 m dans un terrain de conductivité thermique de 1.8 W/mK. Quelle puissance thermique peut-on extraire sous une différence de température de 5 K entre le fluide et le terrain? Un pieu carré de 40 cm de côté est équivalent à un pieu circulaire de 45 cm de diamètre. Avec un espacement de 4 m, la figure permet de déterminer la résistance thermique du terrain Rg à 0.14 K/(W/m). L’inverse de (Rb + Rg) équivaut à la puissance thermique que l’on peut transférer par degré d’écart en situation de flux stationnaire et par mètre linéaire de pieu. Avec 5 degrés d’écart, on peut extraire 25 W par mètre de pieu. Si la température moyenne du terrain est à 6 °C à la fin de l’hiver, Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 30/46 Author: Daniel Pahud l’extraction de 25 W/m conduira à une température moyenne du fluide de +1 °C dans les pieux. En admettant que la puissance thermique est extraite avec un écart de température de 4 K entre l’entrée et la sortie de l’évaporateur de la PAC, le fluide caloporteur retournera dans les pieux avec une température d’environ -1 °C. Un flux d’extraction relativement faible (25 W/m) crée dans ce cas une différence de température significative (5K). Ce flux d’extraction est obtenu après environ 2 semaines durant lesquelles la différence de température est maintenue à 5 K (durée de l’effet transitoire avant d’obtenir un flux stationnaire dans le terrain). Le flux d’extraction peut être plus intense s’il est entrecoupé de périodes de repos. A l’extrême, dans le cas où un écoulement d’eau souterrain permet de régénérer “instantanément” l’énergie prélevée dans le terrain, la résistance thermique du terrain devient négligeable. Il reste néanmoins celle des pieux (0.06 K/(W/m)), ce qui limite la puissance d’extraction à 80 W/m pour un écart de température de 5 K comme dans l’exemple ci-dessus. 2.4 Capacité de stockage spécifique La capacité de stockage spécifique équivaut à la quantité d’énergie nécessaire à l’élévation de température de 1 K du volume de terrain touché par les pieux échangeurs. Un faible espacement entre les pieux permet d’obtenir une meilleure capacité de transfert de l’ensemble des pieux (cf. section précédente). Néanmoins la capacité de stockage de la zone des pieux est réduite relativement à un espacement plus grand. Il en résultera une variation plus rapide de la température moyenne du terrain dans le temps, et donc d’un épuisement plus rapide de l’énergie thermique stockée dans la zone des pieux en période d’extraction de chaleur. La capacité de stockage spécifique C d’un ensemble de pieux échangeurs, définie par l’énergie que l’on peut extraire par degré d’abaissement de la température moyenne de terrain dans la zone des pieux, est connue par la capacité thermique volumétrique et le volume de terrain touché par les pieux échangeurs (2.6): C sp = Cv H S Csp : Cv : H: S: (2.6) capacité de stockage spécifique (J/K); capacité thermique volumétrique moyenne du terrain (J/m3K); longueur active moyenne des pieux échangeurs (m); surface horizontale de terrain touchée par les pieux échangeurs (K/(W/m). La surface S est estimée comme la surface délimitée par un périmètre dessiné autour de tous les pieux échangeurs, passant à environ un demi - espacement moyen des pieux extérieurs. Cette surface, multipliée par la longueur active moyenne des pieux échangeurs, défini le volume de terrain touché par ces derniers. Si les pieux sont suffisamment bien uniformément placés, cette estimation est satisfaisante. Il faut être plus prudent avec des espacements entre les pieux très variables. Dans ce cas, le volume de terrain ainsi défini est trop optimiste, car les espacements les plus grands Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 31/46 Author: Daniel Pahud laisseront apparaître des portions du volume de terrain plus inertes que d’autres. L’installation PAGO est un bon exemple qui montre que le volume de terrain effectivement touché par les pieux est presque trois fois plus petit que le volume de terrain dans lequel les pieux sont insérés, estimé par la méthode ci-dessus (Fromentin et al., 1997). Sans tenir compte des apports ou des pertes de chaleur dans le volume touché par les pieux échangeurs, l’énergie thermique que l’on aimerait extraire du terrain crée un abaissement de température ∆Tm de la température moyenne du terrain dans la zone des pieux (2.7): Q = C sp ∆Tm (2.7) Q: énergie thermique extraite par les pieux échangeurs (J); Csp : capacité de stockage spécifique (J/K); ∆Tm : abaissement de la température moyenne du terrain dans la zone des pieux (K). 2.5 Effets à long terme Les effets à long terme se traduisent par un nouvel équilibre vers lequel la température moyenne annuelle du terrain dans la zone des pieux tend. Ils dépendent du bilan annuel des énergies extraites et injectées par le biais des pieux échangeurs, des transferts de chaleur avec le terrain environnant et des transferts de chaleur au travers de la base du bâtiment. En outre, l’importance d’un écoulement régional de l’eau souterraine est une question primordiale pour le comportement à long terme du système. S’il est suffisamment important, l’extraction de chaleur hivernale sera découplée de l’injection de chaleur estivale. Dans le cas d’un système sans refroidissement, une recharge thermique du terrain ne sera pas nécessaire. Sans écoulement de l’eau souterraine, une utilisation en refroidissement direct des pieux échangeurs implique que la température moyenne annuelle du terrain n’augmente pas sensiblement au cours des années. Il en résulte que l’énergie annuelle extraite par les pieux doit être plus élevée que celle qui est réinjectée en refroidissement direct, de manière à compenser les pertes thermiques du bâtiment par sa base. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia 3. Page 32/46 Author: Daniel Pahud RECOMMANDATIONS POUR LA REALISATION D’INSTALLATIONS AVEC PIEUX ECHANGEURS En raison de son caractère multidisciplinaire, la conception d’une installation avec pieux échangeurs doit intervenir très tôt dans un projet. Un dimensionnement correct demande de définir avec le plus grand soin le contexte géologique, géotechnique et hydrogéologique local. D’autre part, les besoins en énergie, aussi bien en chaleur qu’en refroidissement, doivent être connus à l’avance et le plus précisément possible ; (idéalement, on devrait connaître l’évolution temporelle des puissances demandées et de leurs niveaux de température associés pendant une année type). A partir de là, différentes variantes de systèmes peuvent être évaluées, dimensionnées et comparées, sur la base du nombre de pieux de fondation à disposition, de leur emplacement et de leurs caractéristiques physiques et thermiques. Cette démarche peut être effectuée plusieurs fois dans un projet, en fonction de l’état de connaissance des données et de leur évolution entre la phase initiale et la phase finale du projet, de manière à affiner chaque fois le concept et le dimensionnement du système. Si le concept final doit être établi avec l’aide d’un outil de simulation dynamique, ce n’est pas forcément le cas pour un avant-projet, lorsque des choix technologiques sont effectués. Dans le but de pouvoir dimensionner un avant-projet sans forcément recourir à un outil de simulation dynamique, une série de recommandations ont été établies sur la base de simulations numériques appliquées à un système typique. Elles ont été obtenus par les outils de simulation développés et validés sur les mesures des quatre installations présentées dans le chapitre 1 (Fromentin et al., 1997). Le diagramme de la figure 3.2 synthétise les principaux résultats relatifs au dimensionnement d’un système avec pieux échangeurs. Il est valable pour un système dit de “ référence ” dont les principales caractéristiques sont : • • • • • • • • • • système monovalent (pas d’énergie auxiliaire comme appoint) ; pas de demande d’eau chaude sanitaire à satisfaire ; demande d’énergie de chauffage de 200 MWh/an (climat : Zurich ; surface de référence énergétique de 3'600 m2, soit une demande d’énergie de chauffage de 55 kWh/m2an) ; trois PAC sont connectées en parallèle sur les pieux échangeurs (33 kW thermique chacune aux conditions suivantes : 5 / 0 °C entrée / sortie évaporateur et 40 / 50°C entrée / sortie condenseur ; coefficient de performance (COP) de 3.3) ; température dans la distribution de chauffage pour une température de l’air extérieur de –10°C : 50°C aller / 40°C ) ; température minimum du fluide caloporteur tolérée dans le circuit des pieux : 0°C ; une centaine de pieux de 20 m de longueur ; petits diamètres (35 cm) ; équipés avec un quadruple-U ; espacés d’environ 4 mètres ; cave non chauffée entre les locaux chauffés et les pieux échangeurs (isolation de la dalle de fondation du bâtiment avec une couche d’isolation de 10 cm d’épaisseur) ; terrain : conductivité thermique de 1.8 W/mK ; capacité thermique volumique de 2.4 MJ/m3K ; température initiale du terrain de 10 °C ; pas d’écoulement de l’eau souterraine. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 33/46 Author: Daniel Pahud Le schéma de principe du système de référence est montré dans la figure 3.1. Distribution Stockage de chaleur tampon Pompe à chaleur Pompe Recharge thermique estivale du terrain Pieux échangeurs Fig. 3.1 Schéma de principe du système de référence utilisé pour établir les recommandations. Si l’écoulement de l’eau souterraine est nul, il n’est pas possible de satisfaire la contrainte en température sans devoir effectuer une recharge thermique du terrain. Elle doit être d’au moins 100 à 125 MWh/an, soit 70 à 85% de l’énergie extraite par les pieux. La longueur active des pieux ne doit pas être inférieure à 20 m. Les tubes des connexions horizontales entre les pieux contribuent également à l’extraction de chaleur. Les simulations ont montré que 20% de l’énergie extraite provient des connexions horizontales. Ceci montre l’importance de poser la question sur la nécessité d’isoler ou non la base du bâtiment. Un sur-dimensionnement thermique de la longueur des pieux échangeurs permet d’augmenter la température du fluide caloporteur dans les pieux. Toutefois, l’amélioration du coefficient de performance annuel de la pompe à chaleur ne permet pas de justifier l’augmentation de l’investissement relatif aux pieux échangeurs. Inversement, un sous dimensionnement thermique conduit à des températures plus basses dans les pieux, ce qui peut entraîner un risque de gel. Dans la figure 3.2, les valeurs indiquées correspondent à un dimensionnement “ optimal ”, dans le sens où la température du fluide dans les pieux peut descendre parfois à 0 °C, mais sans courir le risque de geler les pieux. Ces résultats sont à considérer avec prudence pour toute extrapolation à un autre type de système, mais servent déjà les besoins de pré-dimensionnement d’un avant-projet. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 34/46 Author: Daniel Pahud Ecoulement de l’eau souterraine ?* Oui Non Vitesse Darcy > 0.5 – 1 [m/jour] ? Recharge Extraction de chaleur découplée de thermique du terrain ? Oui « l’extraction de froid » Ö stockage saisonnier Non (refroidissement direct de « chaud » ou de « froid » non réalisable sur les pieux ou autre) Refroidissement progressif du terrain, problème de gel possible des pieux Ö Recharge thermique du terrain 70 – 90 % énergie extraite > 90 % énergie extraite système à ré-évaluer / Le refroidissement direct sur les pieux devient problématique à long terme car réchauffement progressif du terrain Conductivité thermique du terrain 1.3-2.3 [W/(mK)] 1.3 [W/(mK)] 2.3 [W/(mK)] 1.3 [W/(mK)] 2.3 [W/(mK)] (influence moindre (argile, limon, (sable saturé, (argile, limon, (sable saturé, car écoulement etc.) gravier saturé, etc.) gravier saturé, souterrain) etc.) etc.) Extraction de chaleur des pieux (chauffage) > 50 [W/m] > 100 [kWh/(m an)] 25-30 [W/m] 50-65 [kWh/(m an)] 30-35 [W/m] 65-80 [kWh/(m an)] 25-30 [W/m] 50-65 [kWh/(m an)] 30-35 [W/m] 65-80 [kWh/(m an)] Injection de chaleur dans les pieux (refroidissement) > 30 [W/m] > 80 [kWh/(m an)] Max. 30 [W/m] en moyenne** 20 à 60 [kWh/(m an)]** Approximativement * il suffit que l'eau souterraine s'écoule dans une couche traversée par les pieux énergétiques, même mince relativement à la profondeur de ces derniers, pour que l'effet soit significatif. ** si la recharge thermique du terrain excède 90% de l'énergie prélevée, la température du terrain aura tendance à augmenter à long terme, ce qui limitera la recharge thermique si elle est réalisée par refroidissement direct sur les pieux. • avec des pieux de diamètre plus grand (> 40 [cm]), l'espacement est généralement plus grand, et les performances indiquées ci-dessus peuvent être revues à la hausse (jusqu'à 50% pour des pieux de 1 [m] de diamètre). • les valeurs données ci-dessus correspondent à un système monovalent. Pour un fonctionnement en ruban des pieux, la puissance par mètre de pieu sera plus basse, et la quantité d'énergie par mètre de pieu plus grande. Figure 3.2 Synthèse des principaux résultats numériques relatifs à un pré-dimensionnement d’un avant projet similaire au système de référence. Les puissances et énergies indiquées sont données par mètre linéaire de pieu échangeur. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 35/46 Author: Daniel Pahud D’autres recommandations et des considérations d’ordre plus général sont résumées ci-dessous : • la planification d’un système avec pieux échangeurs doit intervenir très tôt dans le projet d’un bâtiment. • un écoulement turbulent du fluide dans les pieux n’est pas recommandé si le pieu est équipé avec au moins 4 tubes en U (un quadruple – U). • le problème de l’isolation ou non de la base du bâtiment doit être posé, particulièrement si les zones chauffées du bâtiment sont en contact direct avec le terrain. • une recharge thermique du terrain est indispensable si l’eau souterraine ne s’écoule pas. Elle peut être réalisée de façon avantageuse avec une production de froid en été. • 1 m de pieu échangeur permet de chauffer environ 2 m2 de surface de plancher. • la température du fluide circulant dans les pieux ne doit pas descendre en dessous de 0°C. Dans la pratique, elle n’excède pas 40 °C. Dans tous les cas, les variations de température du fluide doivent être compatibles avec le dimensionnement statique des pieux. • le potentiel des pieux échangeurs est pleinement utilisé si la température du fluide circulant dans les pieux varie dans tout l’intervalle de température permis. • les performances thermiques d’un système de pieux échangeurs sont pénalisées si les pieux ne sont pas régulièrement espacés. La pénalité devient significative si les espacements entre les pieux peuvent différer d’un facteur supérieur à environ 5. Pour terminer, il apparaît souvent des problèmes de compatibilité lors du fonctionnement des différents composants d’un système de chauffage ou de refroidissement. Une compréhension du système dans sa globalité est nécessaire pour une intégration et une gestion optimum des différentes parties impliquées, et en particulier des pieux échangeurs dans le concept énergétique du bâtiment, compte tenu des besoins de l’utilisateur. Enfin, il est difficile de généraliser les règles énoncées ci-dessus. Un outil de simulation dynamique d’un système avec pieux échangeurs restera très précieux pour répondre aux questions que l’on peut se poser lors du concept d’une telle installation. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia 4. Page 36/46 Author: Daniel Pahud L’OUTIL DE SIMULATION PILESIM Dans le cadre du projet relatif aux pieux échangeurs du Dock Midfield de l’aéroport de Zürich (Pahud et al., 1999), les outils de simulation de systèmes avec pieux échangeurs développés au LASEN (Fromentin et al., 1997) ont servis de base pour le développement de PILESIM (Pahud, 1999). Bien que construit avec TRNSYS (Klein et al., 1998), PILESIM ne requiert pas de connaissance préalable de ce programme. Les performances thermiques du système, le potentiel thermique des pieux échangeurs et différents concepts de système peuvent être rapidement évalués. La figure 4.1 permet de montrer la frontière du système simulé. Une grande flexibilité a été donnée à PILESIM de manière à pouvoir simuler une grande variété de systèmes. Bâtiment chauffé / refroidi Distribution de “chaud” Chauffage auxiliaire Frontière du système Cave PAC Distribution de “froid” Refroidissement auxiliaire Machine frigo. Couche de terrain 1 Couche de terrain 2 Pieux échangeurs Couche de terrain 3 Figure 4.1 Vue schématique d’un système avec pieux échangeurs. PILESIM effectue les simulations de l’ensemble du système délimité par la frontière indiquée en traitillé. Quatre types de systèmes peuvent être simulés. Ils ont tous en commun le chauffage d’un bâtiment par le biais d’une pompe à chaleur (PAC) couplée aux pieux échangeurs. L’extraction de chaleur hivernale peut être combinée avec une recharge thermique du terrain en été, ou une production de froid estivale qui peut être réalisée de trois manières différentes : une machine frigorifique couplée sur les pieux, en refroidissement direct sur les pieux ou une combinaison des deux avec priorité au refroidissement direct. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 37/46 Author: Daniel Pahud Les demandes de chauffage et de refroidissement du bâtiment sont données en entrée au programme, de même que le type de système, les contraintes de température que doit satisfaire le fluide circulant dans les pieux, les caractéristiques de la pompe à chaleur, de la machine frigorifique si utilisée, de l’interface terrain - bâtiment, des pieux échangeurs, de leurs connections horizontales et du terrain. Les transferts d’énergie thermique sont calculés de manière dynamique avec une base de temps horaire et peuvent être effectués sur une période de 25 ans si nécessaire. PILESIM permet d’établir un bilan d’énergie de l’installation en valeurs mensuelles ou annuelles (cf. figure 4.2). Les évolutions temporelles des températures d’entrée et de sortie du fluide circulant dans les pieux peuvent être visualisées graphiquement de même que les puissances thermiques transférées dans les pieux. BILAN ENERGETIQUE GLOBAL Energie auxiliaire de chauffage QHeatAux Electricité (PAC) QelPAC Pompe à chaleur (PAC) Chauffage avec PAC Demande de chauffage totale QHeat QHeatCov COP QHextGrnd Refroidissement pour chauffage Pieux échangeurs QHextCold QHinjGrnd Refroidis. direct QFreeCool Machine frigorifique EffCoolM Figure 4.2 Energie auxiliaire de refroidissement Demande de refroidis. QColdAux totale Refroidis. avec pieux QCold QColdCov QCoolMach Electricité (machine frigorifique) QelCoolM PILESIM permet d’établir un bilan énergétique global du système. Une version de démonstration de PILESIM peut être demandée gratuitement à l’auteur par e-mail : [email protected]. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia 5. Page 38/46 Author: Daniel Pahud DOCK MIDFIELD OF THE ZURICH AIRPORT The Dock Midfield project is briefly presented in order to provide an example that differs from the recommendations given in chapter 3 regarding a system sizing. It also shows an interesting use of the piles for a combined heating and cooling system. Direct cooling on the pile is performed. No cooling machine coupled to the pile is used. 5.1 The Dock Midfield In the framework of the 5th building step of the Zürich airport, a new terminal, the Dock Midfield, is planned. This building, 500 m long and 30 m wide, will be constructed on foundation piles, as the upper layer of the ground is too soft to support the loads of the building. The piles, having a diameter comprised between 1 and 1.5 m, will stand on the moraine, which lies at a depth of about 30m. Among the 350 piles, about 300 will be used as heat exchanger piles. In other words, plastic tubes will be fixed on the metallic reinforcement for the circulation of a heat carrier fluid. Thermal energy can be injected or extracted from the ground. In that way the piles form a heat exchanger with the ground, so called ground heat exchanger. Connected to a heat pump, thermal energy will be extracted from the ground for heating purpose during the winter. During the summer, a thermal recharge is necessary. It is achieved by injecting in the ground part of the thermal loads of the building. The ground volume in the pile region acts as a seasonal storage of thermal energy. Early versions of PILESIM were used to assess the thermal potential offered by the piles and to optimise the size of the heat pump. With the evolution of the Dock Midfield project, the input data to PILESIM became more precise, and several calculations were performed to adapt the pile system to the last knowledge of the project. The heating and cooling requirements were assessed at different stage of the project. A first and rough estimate was based on the programme DIAS (1996) for the heating demand and the recommendation SIA 382/2 (1992) for the cooling demand. The final estimation of the heating and cooling requirement is the result of a TRNSYS simulation of the building (Koschenz and Weber, 1998) which gives the evolution for a typical year in hourly value. The thermal properties of the ground were determined in situ with a “response test” performed on two boreholes drilled in the zone that is crossed by the piles. 5.2 The pile system layout The pile system is bivalent. In figure 5.1, a schematic layout of the system is shown. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 39/46 Author: Daniel Pahud retour, distribution de refroidissement 21 °C P1s V1 P1w P5 distribution de chauffage / tour de refroidissement P6 stockage de froid V2 V3 pieux énergétiques pompe à chaleur / machine frigorifique WHX: échangeur de chaleur pour l’hiver SHX : échangeur de chaleur pour l’été P2 V5 P3 V6 V7 P4 V4 14 °C Fig. 5.1 aller, distribution de refroidissement Schematic layout of the Dock Midfield heat exchanger pile system. The cooling demand that has to be satisfied by the heat exchanger pile system may range from 90 kW to 700 kW. On the side of the cooling distribution, the return fluid temperature is supposed to be 21 °C and the forward one has to be 14 °C. This temperature is controlled by the two-way valve on the primary side of the heat exchanger, which adjusts the flow rate in the primary side to the right value (V2 or V3). The heat exchanger is sized for an inlet fluid temperature of 12 °C in the primary side and the maximum heat rate to be transferred. As the inlet fluid temperature and the heat rate can be much lower than the design values, the flow rate has to be reduced to a very low value. For practical and technical reasons, two heat exchangers are used. One for low heat rates and fluid temperatures, the WHX (Winter Heat Exchanger), and one for large heat rates and greater fluid temperature, the SHX (Summer Heat Exchanger). Either the WHX or the SHX is used at a time. It should be noted that the WHX may also be used during the Summer. The idea is to prevent the flow rate in the heat exchanger primary side from being too small. Three different operational modes are defined. They are independent from the use of the WHX or the SHX. They are: • • • pile cooling mode; pile resting mode; pile heating mode. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 40/46 Author: Daniel Pahud For each of these modes, the pile system can supply energy to both the heating and the cooling distributions. One exception is the use of the cooling machine, which may occur in the “pile cooling mode” only. In this case the heat from the machine condenser is dumped outside by the means of cooling towers, and can not be delivered to the heating network. However, the needs for heating are likely to be small when the cooling machine is used. When the “pile cooling mode” is active, direct cooling is performed. In figure 5.2, the drawing shows the setting of the pumps and valves for this mode. The cooling demand is arbitrary met through the winter heat exchanger (WHX). The heat pump is used as a cooling machine only if the piles can not meet the totality of the cooling demand. Pile cooling mode retour, distribution de refroidissement 21 °C P1s V1 P1w P5 distribution de chauffage / tour de refroidissement P6 stockage de froid V2 V3 pieux énergétiques pompe à chaleur / machine frigorifique WHX: échangeur de chaleur pour l’hiver SHX : échangeur de chaleur pour l’été P2 V5 P3 V6 V7 P4 V4 14 °C Fig. 5.2 aller, distribution de refroidissement Pile cooling mode: the pile pump P4 is stopped and the fluid flows through the piles thank to the control of the two-way valves V1, V4 and V7. V1 and V4 are closed and V7 is open. The fluid is heated by the cooling demand and then cooled by the heat exchanger piles. The maximum fluid temperature at the bottom of the cold storage is 12 °C in order to ensure a normal operation of the summer heat exchanger. If the fluid temperature rises above this limit, the cooling machine is used and stops a possible operation of the heat pump. If the fluid temperature decreases below a given threshold, the heat exchanger piles do not need to be used. In this case the operational mode switches from the “pile cooling mode” to the “pile resting mode”. The “pile resting mode” is shown in figure 5.3. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 41/46 Author: Daniel Pahud Pile resting mode retour, distribution de refroidissement 21 °C P1s V1 P1w P5 distribution de chauffage / tour de refroidissement P6 stockage de froid V2 V3 pieux énergétiques pompe à chaleur / machine frigorifique WHX: échangeur de chaleur pour l’hiver SHX : échangeur de chaleur pour l’été P2 V5 P3 V6 V7 P4 V4 14 °C Fig. 5.3 aller, distribution de refroidissement Pile resting mode: the pile pump P4 is stopped and the two-way valves V1, V4 and V7 are set to prevent the fluid from flowing through the piles (V1 open, V4 and V7 closed). The heat pump may operate if there is a heating demand. During the “pile resting mode”, the cooling machine is not used. If the fluid temperature at the bottom of the cold storage rises, direct cooling with the piles is tried first (the operational mode switches back to the “pile cooling mode”). If there is a heating demand, the heat pump is switched on and the fluid temperature is likely to decrease. Below a given threshold, the “pile heating mode” is switched on. The “pile heating mode” is shown in figure 5.4. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 42/46 Author: Daniel Pahud Pile heating mode retour, distribution de refroidissement 21 °C P1s V1 P1w P5 distribution de chauffage / tour de refroidissement P6 stockage de froid V2 V3 pieux énergétiques pompe à chaleur / machine frigorifique WHX: échangeur de chaleur pour l’hiver SHX : échangeur de chaleur pour l’été P2 V5 P3 V6 V7 P4 V4 14 °C Fig. 5.4 aller, distribution de refroidissement Pile heating mode: the pile pump P4 is switched on and the two-way valve V1 and V4 are open, and V7 closed. During the “pile heating mode”, the cooling distribution and the heat exchanger piles are coupled in parallel. They both supply heat to the heat pump evaporator. The power of the heat pump has to be decreased if the fluid temperature drops below 0 °C. 5.3 Main parameters for system simulation 5.3.1 Ground properties Geological and hydro geological investigation showed that no significant ground water flow is expected. The ground is mainly composed by clay and lake deposit (Jäckli, 1996). The mean effective thermal conductivity of the ground is the most important parameter to be known. It has been determined in situ with two borehole heat exchangers drilled to a depth of 33 m, corresponding to the bottom of the piles. A response test has been performed on each of these boreholes. A conservative value of the ground thermal conductivity has been estimated, based on the uncertainties related to the main factors which determine its value (see Pahud et al., 1998). The main parameters related to the ground are shown in table 5.1. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 43/46 Author: Daniel Pahud Parameter Input value for simulation Initial ground temperature 10.3 °C Thermal conductivity of ground 1.8 W/mK Volumetric thermal capacity of ground 2200 MJ/m3K Darcy velocity of ground water no regional ground water flow Table 5.1 Main parameters related to the ground. 5.3.2 Piles properties The heat exchanger piles have four different diameters. The final number used in the simulation is reduced by 3% to take into account the number of heat exchanger piles that were damaged when they were built. Input parameters for PILESIM can take into account up to 6 different types of heat exchanger piles. For Dock Midfield they are: Diameter of pile type 1: Number of piles for type 1: Average active length of piles type 1: Thermal resistance of pile type 1: 0.9 60 26.2 0.06 m m K/(W/m) Diameter of pile type 2: Number of piles for type 2: Average active length of piles type 2: Thermal resistance of pile type 2: 1.2 18 27.2 0.06 m m K/(W/m) Diameter of pile type 3: Number of piles for type 3: Average active length of piles type 3: Thermal resistance of pile type 3: 1.3 49 25.8 0.06 m m K/(W/m) Diameter of pile type 4: Number of piles for type 4: Average active length of piles type 4: Thermal resistance of pile type 4: 1.5 179 27.2 0.06 m m K/(W/m) An average spacing between the piles of 9 m is estimated. Average pile properties are calculated with PILESIM. They are shown in table 5.2. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 44/46 Author: Daniel Pahud Parameter Input value for simulation Total number of heat exchanger piles 306 - Average active length of the piles 26.8 m Average pile diameter 1.36 m Average pile thermal resistance 0.06 K/(W/m) Ground volume ascribed to the piles 660’000 m3 Table 5.2 Main parameters related to the heat exchanger piles. 5.3.3 System parameters System parameters regard the heat pump / cooling machine, system design, building, etc. Some important system characteristics are given in table 5.3. System characteristic Value Annual heating demand 2’720 MWh Annual cooling demand 1'240 MWh Design electric power of the heat pump 140 kW Average performance coefficient (COP) 4.5 Table 5.3 Some characteristics related to the system. 5.4 Thermal performances of the system A simulation with PILESIM is performed for 10 years in order to take into account long term effects (annual heat extraction not equal to the annual heat injection through the piles, thermal influence of the building). The maximum heating power of the heat pump, assuming a constant performance coefficient of 4.5, is fixed to 630 kW. The power never needs to be reduced to prevent the fluid temperature in the piles from being too low, as the cooling demand is never zero all over the year (input data of the energy demand). As a result, the maximum heat rate extracted on the piles is always decreased by the minimum cooling rate. The annual heat energy extracted from the piles is 1’110 MWh/year, whereas only 400 MWh/year are injected back in the ground through direct cooling. However, the average ground temperature in the pile region is not significantly varying after 10 years of operations, due to the heat losses of the building in the ground, which are estimated to 760 MWh/year when the average temperature of the rooms in contact with the ground is assumed to be 20 °C. In figure 5.5, the diagram shows the annual energy fluxes through the pile system. Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 45/46 Author: Daniel Pahud GLOBAL SYSTEM HEAT BALANCE Energies in MWh/year District heating energy 420 Electricity (PAC) 510 Heat pump (PAC) Heating with PAC Total heat demand 2'720 2'300 COP:4.5 1'110 Heat exchanger piles Cooling by heating Cooling with piles 680 400 Direct cooling 1'080 Total cold demand 1'240 400 Cooling machine Eff: 3.5 160 Electricity (cooling machine) 45 205 Cooling tower Fig. 5.5 Annual energy fluxes through the pile system, average values for the first 10 years of operation (simulated with PILESIM). The heat pump connected to the piles covers 85% of the total heat demand. The fraction of the cooling energy demand covered by direct cooling and the cooling energy used for heating purpose represent 87%. The remaining cooling demand has to be covered by the heat pump used as a cooling machine, with a maximum requirement of 330 kW of cooling power for the 10th year of operation. The total active length of heat exchanger piles is about 8’200 m. The heat rate and annual energies extracted and injected through the piles are, per unit length of heat exchanger piles: PILESIM simulation: Heating: 49 W/m Cooling: 49 W/m Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc 135 48 kWh/m year kWh/m year SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia 6. Page 46/46 Author: Daniel Pahud REFERENCES DIAS (1996) CUEPE IAUG, Université de Genève, Suisse. DOKUMENTATION D 0136 (1996): Grundlagen zur Nutzung der untiefen Erdwärme für Heizsysteme. Serie "Planung, Energie und Gebäude". - Dokumentation D 0136. Schweizerischer Ingenieur- und Architekten-Verein. Bundesamt für Energiewirtschaft. FROMENTIN A., PAHUD D., JAQUIER C. & MORATH M. 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Des rapports de recherche sur des installations avec pieux échangeurs peuvent être consultés et rapatriés depuis le site du LEEE sur internet : http://www.leee.supsi.ch Heat-Exchanger-Pile-Systems.doc Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Systèmes avec pieux énergétiques Exemples, concept et calculs thermiques • Pieu énergétique – installations • Caractéristiques thermiques • Recommandations • Dock Midfield Systèmes avec pieux énergétiques Pieux de fondations Bâtiment Pompe à chaleur Couche n° 1 Couche n° 2 Pieux échangeurs Couche n° 3 Terrain Systèmes avec pieux énergétiques Dr. D. Pahud partie 2 – p. 18 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Types de pieux énergétiques Pieu moulé dans le sol Pieu préfabriqué en béton b 10 - 50 m Pieu foré 60 - 180 cm Systèmes avec pieux énergétiques Types de pieux énergétiques Pieu massif foré Systèmes avec pieux énergétiques Pieu creux battu Dr. D. Pahud partie 2 – p. 19 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Paroi moulée dans le sol Systèmes avec pieux énergétiques Connexions et intégration dans un système Raccordement à la pompe à chaleur Distributeur aller / retour Dalle de fondation (radier) Conduites des connexions horizontales Pieu énergétique Systèmes avec pieux énergétiques Dr. D. Pahud partie 2 – p. 20 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Effet sur la statique du pieu • contrainte additionnelle dans le pieu. => ne doit jamais mettre en danger les propriétés statiques du pieu => en mode chauffage: pas de gel permis Tfluide > 0°C => en mode refroidissement: en pratique Tfluide < 40°C (Tfluide compatible avec dimensionnement statique du pieu) => contrainte de température sur le fluide caloporteur Tfluide Autorisation • demande d’autorisation comme pour les sondes géothermiques Systèmes avec pieux énergétiques Installations avec pieux énergétiques Systèmes avec pieux énergétiques Dr. D. Pahud partie 2 – p. 21 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Exercice 1 Un système utilisant des pieux échangeurs pour le chauffage et le refroidissement a un bilan annuel sur les pieux équilibré. En d’autres termes, l’énergie thermique annuelle extraite des pieux est égale à l’énergie thermique injectée dans les pieux. La totalité de l’énergie de refroidissement est produite en mode refroidissement actif. Les besoins de chauffage et de refroidissement ne sont jamais simultanés. Quelle est la proportion entre les énergies de refroidissement et chauffage annuelles couvertes par le système avec pieux échangeurs ? Indications • coefficient de performance annuel de 3.5 (COP) • efficacité de refroidissement annuelle de 2.5 (Eff) Systèmes avec pieux énergétiques Solution COP 3.5 1 1 Eff 2.5 1.4 0.7 0.4 1 1 0.3 L’énergie annuelle de chauffage est environ 2 fois plus grande que l’énergie annuelle de refroidissement Systèmes avec pieux énergétiques Dr. D. Pahud partie 2 – p. 22 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Caractéristiques déterminantes du terrain • conductivité thermique λ • capacité thermique volumétrique Cv • perméabilité k et pente i => vitesse de Darcy (v = k i) Type de sol Perméabilité Conductivité thermique k λ Capacité thermique volumique Cv [m/s] [W/m·K] [MJ/m³·K] sec saturé sec saturé - 10-10 0.2 - 0.3 1.1 - 1.6 0.3 - 0.6 2.1 - 3.2 - 10-8 0.2 - 0.3 1.2 - 2.5 0.6 - 1.0 2.1 - 2.4 Argile 10-8 Limon 10-5 Sable 10-3 - 10-4 0.3 - 0.4 1.7 - 3.2 1.0 - 1.3 2.2 - 2.4 Gravier 10-1 - 10-3 0.3 - 0.4 1.8 - 3.3 1.2 - 1.6 2.2 - 2.4 Systèmes avec pieux énergétiques Résistance thermique du pieu Rb [K/(W/m)] • détermine le saut de température entre le fluide caloporteur et le terrain sur le bord du pieu pour un transfert de chaleur constant (une fois les conditions de flux stationnaire établies dans le pieu) • Rb se réfère au rayon du pieu (Tf – Tb) [K] = Rb [K/(W/m)] q [W/m] • exemple: Rb = 0.10 K/(W/m) q = 50 W/m => Tf – Tb = 0.1 K/(W/m) x 50 W/m = 5 K Systèmes avec pieux énergétiques Dr. D. Pahud partie 2 – p. 23 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Influence de la position des tubes sur Rb Influence de la position des tubes dans un pieu de 140 cm de diamètre Résistance thermique K/(W/m) 0.25 4 tubes en U 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Distance radiale entre le centre du pieu et le centre des tubes m Systèmes avec pieux énergétiques Résistance thermique K/(W/m) Influence du nombre de tube en U sur Rb Pieu creux avec 2 tubes en U 0.16 0.15 0.14 0.13 0.12 0.11 0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 Pieu massif avec 2 tubes en U Pieu massif avec 3 tubes en U Pieu massif avec 4 tubes en U Position des tubes: 5 cm du bord 0 0.25 0.5 Position des tubes: 10 cm du bord 0.75 1 1.25 1.5 Diamètre du pieu m Systèmes avec pieux énergétiques Dr. D. Pahud partie 2 – p. 24 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Valeurs typiques de Rb Type de pieu : Rb (K/(W/m) Pieu creux préfabriqué avec un double – U : 0.15 Pieu massif avec un double – U : Pieu massif avec un triple – U : Pieu massif avec un quadruple – U : 0.10 - 0.11 0.07 - 0.08 0.06 Systèmes avec pieux énergétiques Résistance thermique du terrain Rg [K/(W/m)] Rg = ⎧⎪⎡ r 2 ⎤ 2 ⎛ r ⎞ 3 rb2 1 1 ⎨⎢ 2 2 ⎥ ln⎜⎜ ⎟⎟ - 2 2 π λ ⎪⎣ r1 − rb ⎦ ⎝ rb ⎠ 4 2 r1 − rb2 ⎩ 1 ( ⎫⎪ ⎬ ⎪⎭ ) Espacement entre les pieux 0.21 6.0 m 0.20 5.0 m 0.18 Résistance thermique du terrain Rg K/(W/m) Conductibilité thermique du terrain: 1.8 W/mK 5.5 m 0.19 0.17 4.5 m 0.16 0.15 4.0 m 0.14 3.0 m 3.5 m 0.13 0.12 0.11 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Diamètre des pieux cm Systèmes avec pieux énergétiques Dr. D. Pahud partie 2 – p. 25 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Capacité de transfert thermique UA [W/K] UA = n ⋅H Rb + Rg Puissance thermique de transfert sous des conditions de flux stationnaire P [W] P = UA (Tf - Tm) Systèmes avec pieux énergétiques Capacité de stockage spécifique Csp [J/K] Csp = Cv H S Énergie thermique stockée Q [J] Q = Csp ∆Tm Systèmes avec pieux énergétiques Dr. D. Pahud partie 2 – p. 26 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Mean fluid temperature in the piles °C Effets à long terme 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 Simulated, Darcy ~ 1 m/day Simulated, Darcy ~ 0.1 m/day Measured 1994 1995 1996 Date 1997 1998 1999 Systèmes avec pieux énergétiques Exercice 2 En utilisant les données de l’installation Finkernweg, calculer: • la capacité de transfert thermique UA • la baisse de température moyenne avec une extraction de chaleur de 70 W/m • la capacité de stockage spécifique Csp • la baisse de température moyenne du terrain suite à une extraction de chaleur de 123’000 kWh Indications: • espacement moyen entre les pieux 4 m • diamètre équivalent des pieux 35 cm Systèmes avec pieux énergétiques Dr. D. Pahud partie 2 – p. 27 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Solution • capacité de transfert thermique UA = n H / (Rb+Rg) n = 75, H = 11m, Rb = 0.06 K/(W/m), Rg (λ=2.2W/mK) = 0.13 K/(W/m) UA = 75 x 11 /(0.06+0.13) = 4275 W/K => UA = 4.3 kW/K • chute de température moyenne du fluide ∆T avec 70 W/m Puissance d’extraction totale 70W/m 11m 75 = 57750 W => 58 kW ∆T = 58 kW/4.3kW/K => ∆T = 13.5 K • capacité de stockage spécifique Csp = Cv H S Cv = 2.3 MJ/m3K, H = 11 m, S = n B2 = 75 x 42 = 1200 m2 Csp = 2.3 11 1200 = 30360 MJ/K => Csp = 30 GJ/K = 8400 kWh/K • baisse température terrain pour extraction de 123’000 kWh 123’000 kWh/8’400kWh/K = 14.6 K Systèmes avec pieux énergétiques Système de référence pour l’établissement des recommandations • système “monovalent” • pas d’eau chaude sanitaire • demande d’énergie annuelle de chauffage de 200 MWh • pompe à chaleur avec coefficient annuel de performance de 3 • température de fluide minimum dans les pieux de 0 °C • environ 100 piles, diamètre de 35 cm, 4 U-pipe • cave non chauffée, base du bâtiment isolée Systèmes avec pieux énergétiques Dr. D. Pahud partie 2 – p. 28 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Oui Recommandations LEEE - DACD - SUPSI Ecoulement de l'eau souterraine ?* Vitesse Darcy > 0.5 - 1 m/jour ? Extraction de chaleur découplée de "l'extraction de froid" => stockage saisonnier de chaleur ou de "froid" non réalisable Oui Non Recharge thermique du terrain ? (refroidissement direct sur les pieux ou autre) Recharge thermique: 70 - 90% énergie extraite Recharge thermique: > 90% énergie extraite Non Refroidissement progressif du terrain, problème de gel possible des pieux => système à ré-évaluer Systèmes avec pieux énergétiques Refroidissement direct sur les pieux devient problématique à long terme car réchauffement progressif du terrain Conductivité thermique terrain: 1.3 - 2.3 W/mK (influence moindre car écoulement souterrain) Conductivité thermique du terrain: 1.3 W/mK (argile, limon, etc.) Conductivité thermique du terrain: 2.3 W/mK (sable saturé, gravier saturé, etc. ) Conductivité thermique du terrain: 1.3 W/mK (argile, limon, etc.) Conductivité thermique du terrain: 2.3 W/mK (sable saturé, gravier saturé, etc. ) Extraction de chaleur des pieux (chauffage): > 50 W/m > 100 kWh/m an Extraction de chaleur des pieux (chauffage): 25 - 30 W/m 50 - 65 kWh/m an Extraction de chaleur des pieux (chauffage): 30 - 35 W/m 65 - 80 kWh/m an Extraction de chaleur des pieux (chauffage): 25 - 30 W/m 50 - 65 kWh/m an Extraction de chaleur des pieux (chauffage): 30 - 35 W/m 65 - 80 kWh/m an Injection de chaleur dans pieux (refroidiss.): > 30 W/m > 80 kWh/m an Injection de chaleur dans les pieux (refroidissement): Max. 30 W/m en moyenne** Approximativement 20 à 60 kWh/m an** Exercice 3 Comparer les recommandations données dans la figure 3.2 avec les installations de Finkernweg, Lidwil et Pago présentées dans le chapitre 1 Systèmes avec pieux énergétiques Dr. D. Pahud partie 2 – p. 29 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Solutions exercice 3 Chaud Froid LEEE - DACD - SUPSI Finkernweg Lidwil Pago extraction des pieux [W/m] 60 – 70 W/m 40 – 60 W/m 50 – 80 W/m énergie annuelle extraite des pieux [kWh/m/a] 150 – 190 kWh/m/a 80 – 100 kWh/m/a 18 kWh/m/a injection dans pieux [W/m] - - 40 – 48 W/m énergie annuelle injectée dans les pieux [kWh/m/a] - - 34 – 38 kWh/m/a Mouvement régional de l’eau souterraine, vitesse de Darcy [m/jour] négligeable > 1 m/jour négligeable Recharge thermique annuelle Conductibilité thermique terrain [W/mK] - - 36/18 => 200% 2.2 W/mK 1.8 W/mK 1.8 – 2.0 W/mK Recommandations Système à réévaluer > 50 W/m > 100 kWh/m/y Refroidissement direct devient problématique année après année 30 – 35 W/m 65 – 80 kWh/m/a Commentaire Pompe à chaleur surdimensionnée ou longueur de pieux trop courte Manque une recharge thermique du terrain OK Pompe à chaleur surdimensionnée => doit être souvent arrêtée pour ne pas risquer le gel dans les pieux => énergie thermique extraite trop basse PILESIM Bâtiment chauffé / refroidi Distribution de “chaud” Chauffage auxiliaire Frontière du système Cave PAC Distribution de “froid” Refroidissement auxiliaire Machine frigo. Couche de terrain 1 Couche de terrain 2 Pieux échangeurs Couche de terrain 3 Systèmes avec pieux énergétiques Dr. D. Pahud partie 2 – p. 30 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design LEEE - DACD - SUPSI Laboratorio Energia Ecologia Economia Dock Midfield, aéroport de Zürich Systèmes avec pieux énergétiques Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Laboratorio Energia Ecologia Economia Dock Midfield Terminal pour 26 avions Bâtiment 500 x 30 m SRE: 58’000 m2 Volume: 200’000 m3 Pieux: env. 350 de 30 m gros diamètres 1.5 m Mise en service: 2003 Systèmes avec pieux énergétiques Dr. D. Pahud partie 2 – p. 31 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design LEEE - DACD - SUPSI Laboratorio Energia Ecologia Economia Dock Midfield Volonté de la part du maître d’ouvrage d’utiliser les pieux dans le concept énergétique du bâtiment => système bivalent en chauffage et en refroidissement (geocooling) Systèmes avec pieux énergétiques Dock Midfield Systèmes avec pieux énergétiques Dr. D. Pahud partie 2 – p. 32 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design LEEE - DACD - SUPSI Laboratorio Energia Ecologia Economia Test de réponse géothermique Détermination in situ de: - conductivité thermique moyenne du terrain - température initiale du terrain Systèmes avec pieux Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana énergétiques Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Laboratorio Energia Ecologia Economia Détermination des demandes d’énergie (chaud et froid) par simulation dynamique du bâtiment Puissance thermique [kW] paramètres de calculs pour simulation de l’ensemble des pieux - terrain 1.8 W/mK Energie de chauffage: 2'720 MWh/a 2000 - pieux 306 longueur 26.8 m 1500 Energie de 4-U 0.06 K/(W/m) refroidissement: 1000 1'240 MWh/a - 0°C < Tf < 20°C 500 - COP 4.5 0 - chauff. 2’720 MWh/a - refroid. 1’240 MWh/a -500 0 Systèmes avec pieux énergétiques Dr. D. Pahud 1 2 3 4 5 6 7 8 Mois de l'année 9 10 11 12 partie 2 – p. 33 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Résultats des simulations du système avec pieux Calculs avec PILESIM Chauffage puissance max. énergie annuelle Refroidissement puissance max. énergie annuelle Pieux extraction (hiver) 630 kW 2’300 MWh/a 400 kW 400 MWh/a 49 W/m 135 kWh/(m a) max. 49 W/m 48 kWh/(m a) injection (été) Systèmes avec pieux énergétiques Bilan énergétique du système avec pieux Chauffage à distance Energies en [MWh/a] 420 Electricité (PAC) Pompe à chaleur (PAC) 510 Chauffage avec PAC Demande totale de chauffage 2’720 2’300 COP: 4.5 1’110 Refroidissement pour chauffage Systèmes avec pieux énergétiques Pieux énergétiques Dr. D. Pahud 680 400 Refroidis. direct 400 Machine frigorifique Demande totale de refroidissement 1’240 160 Electricité (machine frigorifique) Eff: 3.5 205 45 Tours de refroidissement partie 2 – p. 34 Energie géothermique - systèmes à basse enthalpie LEEE - DACD - SUPSI Exercice 4 Trouver ou calculer les valeurs suivantes pour le Dock Midfield : • chauffage, puissance et énergie annuelle extraites par mètre de pieu • refroidissement, puissance et énergie annuelle injectées par mètre de pieu • rapport énergie annuelle injectée par énergie annuelle extraite Comparer ces valeurs avec les recommandations données dans la figure 3.2 Comment peuvent être expliquées les différences ? Systèmes avec pieux énergétiques Solutions exercice 4 Dock Midfield Chaud extraction des pieux [W/m] énergie annuelle extraite des pieux [kWh/m/a] Froid 49 W/m 135 kWh/m/a injection dans pieux [W/m] 49 W/m énergie annuelle injectée dans les pieux [kWh/m/a] 48 kWh/m/a Mouvement régional de l’eau souterraine, vitesse de Darcy [m/jour] négligeable Recharge thermique annuelle Conductibilité thermique terrain [W/mK] 48/135 => 36% 1.8 W/mK Recommandations Recharge thermique annuelle devrait être 70 – 90% de l’énergie annuelle extraite Chauffage: 30 W/m 65 kWh/m/a Refroidissement: 30 W/m 40 kWh/m/a Commentaires Les recommandations ne sont pas valides pour le Dock Midfield car le système de référence avec lequel les recommandations ont été faites n’est pas comparable. Les principales différences avec le système de référence sont: - système bivalent - pieux de gros diamètres - espacement plus important entre les pieux - etc. Dr. D. Pahud partie 2 – p. 35 SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 1/3 Author: Daniel Pahud NOMENCLATURE Thermal energy [J] Qinj Qext [J] Qloss [J] Q [J] Thermal power Q [W] Qsource [W] Qs(t) [W] Qg(t) [W] P [W] Thermal heat flux qgeo [W/m2] qsurf(r,t) [W/m2] q1 [W/m] qp [W/m] qm q qc [W/m] [W/m] [W/m] Thermal property ρC = Cv [J/m3K] a [m2/s] λ [W/mK] λr [W/mK] cpFluid U UA Csp C symbols.doc [J/kgK] [W/m2K] [W/K] [J/K] [J] annual thermal energy injected in the store. annual thermal energy extracted from the store. annual storage heat losses. thermal energy extracted with the heat exchanger piles (context dependent). average heat extraction power (context dependent). heat extraction power from the borehole during system operation time dependent thermal power induced by heat extraction from a borehole heat exchanger through system boundaries. thermal power extracted by a borehole heat exchanger that originates from the thermal capacity of the ground. heat transfer rate transferred to/from the storage. geothermal heat flux. time- and radial-dependent heat flux that is superposed to the geothermal heat flux at the ground surface, induced by heat extraction from a borehole heat exchanger. mean heat extraction rate per meter borehole that corresponds to the annual thermal energy extracted. periodic heat extraction rate per meter borehole that corresponds to seasonal variations. short term heat extraction rate per meter borehole (pulse). design heat extraction rate per meter borehole during operation. constant heat injection rate used for the response test. ground volumetric heat capacity. ground thermal diffusivity. mean ground thermal conductivity. thermal conductivity of the filling material of a borehole heat exchanger. thermal capacity of the heat carrier fluid. equivalent mean storage heat loss factor. heat transfer capacity of the ground heat exchanger. specific storage capacity. storage capacity. SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 2/3 Author: Daniel Pahud Thermal resistance Rb* Rg Rg-func(tdim) Rperiodic-max Rpulse(tm) Rsf Ranneau [K/(W/m)] effective borehole thermal resistance of a borehole heat exchanger or a pile heat exchanger (pile heat exchanger: Rb = Rb*). [K/(W/m)] ground thermal resistance under steady flux condition. [K/(W/m)] ground thermal resistance component from long term heat extraction (gfunction). [K/(W/m)] maximum ground thermal resistance component from seasonal variations of heat extraction. [K/(W/m)] maximum ground thermal resistance component from a short-term heat extraction pulse. [K/(W/m)] steady flux thermal resistance. [K/(W/m)] thermal resistance of an annulus. Temperature Tfin Tfout Tf [°C] [°C] [°C] Tf,min To To(z) [°C] [°C] [°C] Tm [°C] Tb [°C] T T(z,t) Tstk Tstk-moy Tstk-max Tstk-min ∆Tm dTo [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [K] [K] inlet fluid temperature. outlet fluid temperature. mean fluid temperature, defined by arithmetic mean of inlet Tfin and outlet Tfout. minimum fluid temperature Tf allowed. equivalent constant air temperature at the ground surface natural ground temperature with a depth dependence (geothermal gradient). average undisturbed ground temperature along a borehole before heat extraction. borehole wall temperature: average ground temperature on the borehole wall. three-dimensional ground temperature field. ground temperature at the depth z and time t. storage mean temperature. mean annual storage temperature (°C). maximum storage mean temperature (°C). minimum storage mean temperature (°C). decrease of mean ground temperature in pile region. amplitude of the sinusoidal temperature variation at the ground surface. [s] [s] [s] [s] [s] [s] [s] [-] time counted from the beginning of heat injection/extraction. time scale associated to a single borehole to obtain a steady state. required time until a steady flux regime is obtained. time horizon for dimensioning purposes. annual operating time of the borehole heat exchanger / heat pump. duration of one year (s). duration of the pulse heat extraction rate qm. Eskilson number defined by the ratio t/ts. Time t ts tsf tdim toperation tyear tm Es symbols.doc SUPSI – DACD – LEEE Laboratorio di Energia, Ecologia ed Economia Page 3/3 Author: Daniel Pahud Spatial parameters D [m] H [m] B Bmin Ap [m] [m] [m2] n S V rb r1 d [−] [m2] [m3] [m] [m] [m] z [m] r [m] Miscellaneous & m [kg/s] η EC φ [-] [-] [K] T ω δ γ [s] [rad/s] [m] [-] symbols.doc distance from the ground surface to the top part of the borehole where heat is extracted. active length of a borehole or a heat exchanger pile, i.e. the length along which heat is extracted. spacing between boreholes. smallest spacing between boreholes. ground section ascribed to 1 borehole. Ap = B x B with a quadratic borehole arrangement. number of borehole heat exchangers or heat exchanger piles. horizontal surface containing the heat exchanger piles. volume of the ground heat storage. pile or borehole radius. equivalent volume radius ascribed to a heat exchanger pile. distance between the axes of two opposed pipes in a U-pipe borehole heat exchanger. vertical spatial coordinate, the depth z is measured with a positive value from the ground surface. radius spatial coordinate, the radius is the radial distance to the borehole or pile axis. mass flow rate of the heat carrier fluid. seasonal storage efficiency. storage equivalent cycle index. slope of the linear regression for the estimation of the ground thermal conductivity with the geothermal response test. period of the periodic process. pulsation of the sinusoidal process. penetration depth of a heat wave. Euler constant, γ = 0.5772. Geothermal energy and heat storage Energie géothermique et stockage de chaleur Translation of some technical terms English Français Geothermal energy Energie géothermique Shallow geothermal energy Energie géothermique de surface ou de faible profondeur Deep geothermal energy Energie géothermique profonde Electricity generation Production d’électricité Direct use (heat) Utilisation directe (chaleur) Geothermal heat flux Flux de chaleur géothermique Geothermal temperature gradient Gradient de température géothermique Thermal conductivity Conductivité thermique Volumetric heat capacity Capacité thermique volumétrique Thermal diffusivity Diffusivité thermique Geothermal response test Test de réponse géothermique Long-term thermal process Processus/comportement thermique à long terme g-function Fonction g Borehole thermal resistance Résistance thermique de la sonde Borehole heat exchanger Sonde géothermique Double U-pipe borehole heat exchanger Sonde géothermique en double-U Single borehole heat exchanger Sonde géothermique unique Ground coupled system Système couplé au terrain Seasonal heat storage Stockage saisonnier de chaleur Central heating plant with a seasonal Centrale solaire de chauffage avec heat storage stockage saisonnier de chaleur Ground heat storage Stockage de chaleur dans le terrain Underground thermal energy storage Stockage d’énergie thermique dans le terrain -1- Geothermal energy and heat storage Energie géothermique et stockage de chaleur English Français Ground diffusive storage Stockage diffusif dans le terrain Borehole thermal energy storage Stockage d’énergie thermique sondes géothermiques Earth storage Stock en terre Aquifer storage Stockage en aquifère Heat transfer capacity Capacité de transfert thermique Specific storage capacity Capacité spécifique de stockage Storage heat losses Pertes thermiques du stockage Heat pump Pompe à chaleur Circulation pump Pompe de circulation English Français Deutsch Heat exchanger pile Pieu échangeur Energiepfahl (or energy pile) (ou pieu énergétique) Precast pile Pieu préfabriqué Fertigbetonpfahl Cast-in-place pile Pieu foré Ortbetonpfahl Hollow precast pile Pieu creux préfabriqué Hohlpfahl Centrifuged concrete Béton centrifugé Schleuderbeton Cast-in-place walls Parois moulées imbedded in the ground Schlitzwände Clay Argile Ton, Lehm Silt, alluvium Limon Schlamm Sand Sable Sand Gravel Gravier Kies -2- par