Peter RIEDERER, CSTB Sophia Antipolis
Modélisation et simulation de PAC géothermiques
25 juin 2007|
PAGE 1
Sommaire ¾ Introduction ¾ Plateformes Pl t f d’essais d’ i PAC géothermiques é th i au CSTB ¾ Modélisation des éléments du système “PAC PAC géothermique” ¾ Applications: A li ti ¾ Méthodes d’essais de PAC géothermiques ¾ Etude paramétrique de PAC géothermiques en France
¾ Conclusion C l i 03/11/2009
2
Performances d’une PAC PAC … performance nominale (COP…) (COP )
Performance f = fonction f i de : 9 Tsource 9 Témission 9 « quelques » auxiliaires Æ COP (ratio puissance) Source: Ochsner CSTB, ESE, ENR, Sophia Antipolis
PAGE 3
Performance d’un SYSTEME PAC SYSTEME … performance annuelle (SPF…) (SPF )
Performance P f = fonction f i de d : 9 Tsource = f(temps) 9 Témission = f(temps) 9 tous les auxiliaires 9 inertie du système global 9 régulation bâtiment 9 régulation systè système+PAC 9 autres composants (multi (multiénergie etc.) Source: Ochsner CSTB, ESE, ENR, Sophia Antipolis
= e.g. SPF (ratio énergie) PAGE 4
Objectif global Objectif : Æ
Evaluer les performances de SYSTEMES de PAC géothermiques > Æ par études numériques > Æ par essais réels
Approche Æ
Mise au point de plateformes d’essais
Æ
Modélisation de tous les éléments de SYSTEMES de PAC géothermiques avec un niveau de détail adapté à l’étude de systèmes
Æ
Developpement de méthodes d’essais (principe d’essai, séquences etc.)
Outils développés Æ
Modèles validés de l’ensemble des composants du système PAC géothermique
Æ
Bancs d’essais adaptés au test de systèmes de PAC géothermiques
Æ
Méthodes d’essais validées pour le test de PAC géothermiques
Applications Æ
Evaluation des performances et optimisation de systèmes par études numériques
Æ
Méthodes d’essais dynamiques pour l’évaluation des performances globales annuelles de PAC géothermiques
03/11/2009
5
1 a Platforme géothermique 1.a
CSTB, ESE, ENR, Sophia Antipolis
PAGE 6
Plateforme expérimentale p Plateforme constituée de 11 forages de 20 mètres de profondeur avec relevés de températures à -1, -10 et 20m : → 6 forages équipés de sondes géothermiques → 5 forages équipés uniquement de thermocouples N t Nature du d soll : roches h calcaires l i Volume de sol activé : 1700m3 ((équivalent q eau: 800 m3))
Plateforme champ de sondes Partie surface Aspect de « multi configuration hydraulique »
Æ La plateforme permet le test de : -
différentes configurations hydrauliques
-
différentes stratégies d’injection/extraction
03/11/2009
8
Plateforme expérimentale p
Emplacement sondes Double U Tube d’injection d injection Gaine de thermocouple Double U
1 b Pl 1.b Plateforme t f Semi-virtuelle S i i t ll PEPSY Platform for the Evaluation of Performances of dynamic Systems Pl f Plateforme pour l’Evaluation l’E l i des d Performances P f de d SYstèmes SY è d dynamiques i
CSTB, ESE, ENR, Sophia Antipolis
PAGE 10
Plateforme PEPSY Concept Approche : Emulation de tout système à eau/eau glycolée jusqu’à jusqu à 50 kW > Æ Le produit peut être testé dans des conditions quasiréelles et dynamiques > Æ La simulation du système autour du produit est ralenti au temps réel
Partie réelle : 4 circuits de charge/décharge + 1 circuit ECS Partie simulée : Matlab/Simulink ET/OU TRNSYS 03/11/2009
11
Plateforme PEPSY En images Modules de Charge/décharge
Boite à resistance variable températures ext. et intérieures
Interface graphique 03/11/2009
12
2a) Modèlisation de sonde ou champ de sondes géothermiques
CSTB, ESE, ENR, Sophia Antipolis
PAGE 13
Bilan des deux modèles de champ de sondes les plus répandus Critères Modèle adapté p aux simulations annuelles Possibilité de configurer le champ de sondes (géométriquement) Prise en compte de plusieurs couches dans le sol Possibilité d’injecter/extraire différentes puissances dans chaque sonde
SBM
DST
X
X
X
-
-
X
-
-
Æ Décision de développer pp un modèle permettant p la considération de l’ensemble des critères
Modèle de champ p de sondes Description générale : Modèle numérique q 3D - Différences finies – Développé pp dans Matlab / Simulink Equation gouvernante :
⎛ ∂ 2T ∂ 2T ∂ 2T ⎞ ∂T ρ s Cp s = λ s ⎜⎜ 2 + 2 + 2 ⎟⎟ ∂t ∂y ∂z ⎠ ⎝ ∂x
Résolution matricielle de type :
•
X = AX + BU
¾ ¾ ¾ ¾ Couleurs interpolées !
Possibilité de définir: Nombre de sondes (selon x et y) Espacement entre sondes Plusieurs couches selon Z : conductivité thermique, capacité thermique, densité Tout type de réseau hydraulique
Modèle de champ p de sondes Maillage 3D du sol – Dans le plan horizontal : L’utilisateur définit : Champ de sondes
1 sonde
Maillage d’un élément de champ de sondes
Maillage M ill autour t du champ de sondes
¾ L’espacement entre chaque forage ¾ La distance entre bord du stock et sol « non perturbé » ¾ Le nombre de mailles >
Æ Sonde
>
Æ Espace autour stockage
¾ Le ratio d’augmentation de la dimension des Nœud couplé au mailles modèle de tube >
Æ Sonde
>
Æ Espace autour stockage
Modèle de champ p de sondes Maillage 3D du sol – Selon l’axe vertical : H d Header Volume
Volume with GHEs
Footer Volume
Æ Système décomposé en trois sous-systèmes couplés entre eux : 1) Le haut du stockage qui interagit avec le climat extérieur et la température du sol non perturbé. 2) Le volume contenant les sondes 3)Le bas du stockage qui interagit avec la température du sol non perturbé
Æ Pour chaque zone selon l’axe vertical il est possible d’attribuer différentes propriétés thermiques
Modèle de champ p de sondes •
Trois sous-systèmes matriciels de type :
X = AX + BU
1)
2))
v 3)
Modèle de champ p de sondes C Couplage l entre soll et sondes d > Æ Principe : Modèle de sol équipé de tubes (2)
Calcul température à la paroi du forage
Modèle de tubes
Calcul du flux échangé
Æ Le modèle de sondes comprend l’écoulement de fluide dans le tuyau et la ggestion du réseau hydraulique y q ((connexions entre sondes))
Modèle de champ p de sondes M dèl de Modèle d sondes/tubes d / b Modèle nodal 1D
Æ
Echange g avec le bord du forage g : > Pour sondes simple U ou double U, calcul de l’échange fluide tuyau (en fonction du débit), calcul de la résistance du tuyau et calcul de Rg par une méthode au choix ((Shape p factors, Hellström, …)) Æ échange g stationnaire
Résolution stationnaire ou dynamique pour l’écoulement :
¾
Possibilité de résoudre le système matriciel dd’écoulement écoulement dans le tuyau en transitoire Æ avec beaucoup de nœuds, prise en compte des phénomènes de retard MAIS temps de calcul considérablement accru. Plug Flow
25
20
T [°C]
¾
Inlet temperature [°C] Outlet temperature with nodal model [°C] Outlet temperature with plug-flow model [°C]
15
10
5
0
100
200
300 Time [s]
400
500
600
Exemple de comparaison à des modèles analytiques –injection injection d’un flux Température sur l’axe après 7 jours
M ill Maillage du d soll
Température sur l’axe l axe après 365 jours Répartition des températures dans le sol au bout de 365 jours
Répartition des températures dans le sol au bout de 7 jours
20
10
15
18
5 16
10 0
20 m
12 10 8
Température [°C]
Température [°C]
14
5
0
6
-10
-15 15
4
3D model ICS ILS FLS
-5
2 0
-5
0
5
10 20 m
15
-10
20
0
1
2 3 4 5 Distance au centre du forage [m]
6
3D model ICS ILS FLS
-20
-25
7
0
Répartition des températures dans le sol au bout de 7 jours
20
1
2 3 4 5 Distance au centre du forage [m]
6
7
Répartition des températures dans le sol au bout de 365 jours
12
10
10
5
8
0
16 14
Température [°C]
20 m
12 10 8 6
Température [°C]
18
6
4
0
3D model ICS ILS FLS
0 0
5
10 20 m
15
20
-2 0
-10
-15
2 4 2
-5
1
2
3 4 5 6 Distance au centre du forage [m]
7
8
3D model ICS ILS FLS
-20
-25
9
0
1
2
3 4 5 6 Distance au centre du forage [m]
7
8
9
2b) Modèle de capteurs horizontaux (eau)
CSTB, ESE, ENR, Sophia Antipolis
PAGE 22
Modèle de capteur p horizontal Flux
Flux
Flux
Flux
Tube Sp/2
10m - 2 x Depth
Depth
Depth
Flux
Flux
Flux
Flux
Flux
Modèle de capteur p horizontal Rayonnement (diffus et direct)
Convection hconv = cst. T b Tube Sp/4 Flux
Flux
Flux
Tlim = Ttranche avec tube
Simplifications : - 1-D + - effet ff t de d bord b d négligeable é li bl - type de pose négligeable
Tlim = Ttranche sans tube
pour chaque couche
pour chaque couche
Tranche sans tube
Tranche avec tube
- 3 coupes (on suit le tube) - Modèle tube nodal (10 noeuds par coupe) - Différences finies
Tsol = Tamb-moyenne
2c) Modèle de la PAC
CSTB, ESE, ENR, Sophia Antipolis
PAGE 25
Essai d’une PAC en régime g non-nominal C diti Conditions de d l’essai l’ i Unité
Valeur
Température p d’entrée PAC boucle géothermique
[°C]
10
Débit massique boucle géothermique
[kg/h]
1050
[[°C] C]
Débit massique boucle plancher
[kg/h]
Résultats d’essai
Sinusoidale (3 heures) 22.5 – 37.5
6
1100 COP [-] C
Température d’entrée PAC b boucle l plancher l h
Modèle identifié
(T +T ) (Tin −evap + Tout −evap ) ΔT = out −cond in −cond − 2 2
Measured COP Linear fit
2 0
0
5 10 15 20 25 Average temperature difference - condensor-evaporator [K]
30
3000 Elecctric power [W]
COP = -0 0.08834 08834 * ΔT + 5.66436 5 66436 Pélec = 29.31
4
* ΔT + 1224.14
2000
Measured COP Li Linear fit
1000 0
0
5 10 15 20 25 Average temperature difference - condensor-evaporator [K]
30
Comparaison du modèle identifié avec des mesures en régime partiel E Exemples l de d comparaison i mesure - modèle dèl Cycle 10 min - ΔT = 17.5 K
Cycle 5 min - ΔT = 17.5 K
Coefficient of performance - COP
Coefficient of performance - COP
5
3200
3400
3600
3800
4000 4200 4400 Time [s] Electric power consumption
4600
4800
[-]
[-]
0 1000
5000
Measured Identified
1000 3200
3400
3600
3800
4000 4200 4400 Time [s] Average temperature difference
1200
1400
1600 1800 Time [s] Electric power consumption
2000
2200
2400
1600 1800 2000 Time [s] Average temperature difference
2200
2400
2200
2400
2000
2000
0 3000
Measured Identified
4 2
4600
4800
Power [W]
Power [ W]
0 3000
6
Measured Identified
Measured Identified
1000 0 1000
5000
1200
1400
1200
1400
25
20 [K]
[K]
20
15 10 3000
3200
3400
3600
3800
4000 4200 Time [s]
4400
4600
4800
5000
15 10 1000
1600 1800 Time [s]
2000
Applications 3a) Méthode d’essais d essais pour les SYSTEMES PAC géothermiques CSTB, ESE, ENR, Sophia Antipolis
PAGE 28
Développement pp d’une méthode d’essai Objectif :
Evaluer les performances du système global dans un essai de 12 jours Chaque jour représentant un jour « typique » du mois correspondant
Difficulté : Grande inertie de la partie sous-sol : la simulation de la partie sous-sol ne permet pas de bien représenter les phénomènes
Approche : Combinaison entre une simulation annuelle et d’un d un essai sur 12 jours Developpement pp d’une méthodologie g (par (p étude paramétrique) p q ) -
Simulation annuelle d’un système PAC géothermique pour différents climats, bâtiments, types de sol etc. Developpement et “optimisation” optimisation de la séquence d’essai d essai de 12 jours afin de minimiser l’érreur entre la solution de référence (simulation annuelle) et la séquence d’essai de 12 jours
Æ Réalisé : Bâtiment de 100 m² pour 4 climats en France 29
Combinaison d’une simulation annuelle avec un test réel de 12 jours Si l ti Simulation
CSTB, ESE, ENR, Sophia Antipolis
T t réel Test é l (en ( temps t réel) é l)
PAGE 30
Point clé de la méthode : Pre processeur des 12 jours réels Pre-processeur Points clés pour la définition des 12 jours : - Choix des conditions climatiques du jour de chacun des 12 mois ? Æ 15ème jour ou autre ? - Pre-processer automatiqument les conditions climatiques (température extérieure, rayonnement solaire direct et diffus) pour les 12 jours ? Æ valeurs moyennes horaires ou autres ? - Choix à faire : Quoi faire pour des jours avec des besoins en froid et en chaud ? - Problème : inertie du bâtiment et du système Æ est-ce que c’est suffisant de changer un jour seulement ? Quels critères pour l’optimisation des 12 jours ? - Consommation d’énergy ? - Critères de performance (SPF etc.) ? CSTB, ESE, ENR, Sophia Antipolis
PAGE 31
Examples p of results in terms of energy gy demand NANCY (France) (F ) - heating h ti
NICE (France) (F ) - cooling li
Nancy
Nice
4000 ADA
AMA
WMA
Annual simulation
3000
2000
1000
0
31
59
90
120
151
181 212 days
243
273
304
334
ODA
ADA
AMA
800 600 400 200 31
59
90
120
151
181 212 days
243
273
304
334
365
151
181 212 days
243
273
304
334
365
3500
WMA
10000
ODA ADA AMA WMA Annual simulation
3000 Total Energy [kWh]
Annual simulation 8000 6000 4000 2000 0
1000
0
365
12000
Total Energy y [kWh]
ODA ADA AMA WMA Annual simulation
1200 Montthly Energy [kWh]
Mon nthly Energy [kWh]
ODA
1400
2500 2000 1500 1000 500
31
59
90
120
CSTB, ESE, ENR, Sophia Antipolis
151
181 212 days
243
273
304
334
365
0
31
59
90
120
PAGE 32
Applications 3b) Etude paramétrique de PAC géothermiques en France CSTB, ESE, ENR, Sophia Antipolis
PAGE 33
Etude paramétrique Description de l’étude Types de sol étudiés - Sol “mauvais”
Dimensionnement :
- Sol ‘moyen” moyen
- Sondes verticales: 50W/m
- Sol “bon”
- Capteurs horizontaux 15W/m - PAC : 3 puissance de PAC - Pompes : selon puissance
Type de bâtiment étudié - Maison individuelle 100m² (identique pour tout climat) avec plancher chauffant - Consommations annuelles - chauffage :
3MWh - 15MWh
- refroidissement : 0MWh - 4MWh CSTB, ESE, ENR, Sophia Antipolis
Sites étudiés PAGE 34
Etude paramétrique Q l Quelques résultats é lt t (1) Heating g performance - COP
Soil Soil Soil Soil Soil Soil
5
COP [-]
4 3 2 1 0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
12
14
16
18
20
12
14
16
18
20
Cooling performance - EER 5
EER [-]
4 3 2 1 0
0
2
4
6
8
10 Global performance factor - GPF
4
GPF [-]
3 2 1 0
0
2
4
CSTB, ESE, ENR, Sophia Antipolis
6
8
10 Site number
1 - horiz 2 - horiz 3 - horiz 1 - vert 2 - vert 3 - vert
Sites
1 Bordeaux 2 Brest 3 Dijon 4 Grenoble 5 La a Rochelle oc e e 6 Le Havre 7 Lille 8 Limoges 9 Lyon 10 Metz 11 Nantes 12 Nice 13 Orange 14 O Orleans l 15 Perpignan 16 Reims 17 Strasbourg 18 Toulouse 19 Trappes PAGE 35
4.5
Perff. global - vertica al [-]
Interprétation des résultats
4 3.5 3 2.5 2.5
EER--cooling - vertica al [-]
COP-heating - vertica al [-]
Etude paramétrique Q l Quelques résultats é lt t (2)
3
3.5 COP-heating - horizontal [-]
4
4.5
6 4 2 0
0
0.5
1
1.5
2 2.5 3 EER-cooling - horizontal [-]
3.5
4
4.5
4.5
- En froid : les sondes verticales sont p plus performants que les capteurs horizontaux - En global : les deux systèmes, pour le dimensionnement choisi, sont àp peu p près équivalent q
4 3.5 3 2.5 2.5
- En chauffage : les capteurs horizontaux, pour le dimensionnement choisi, donnent des résultats au moins équivalents que les sondes verticales
3
CSTB, ESE, ENR, Sophia Antipolis
3.5 Perf. global - horizontal [-]
4
4.5
- Impact climat : faible PAGE 36
Conclusions
Plateformes expérimentales - Plateforme de champ de sondes géothermiques opérationnelle - Plateforme semi-virtuelle opérationnelle Modélisation des composants - L’ensemble des éléments du système PAC géothermique est disponible Applications terminées et en cours - Mise au point d’une méthode d’essai de PAC géothermiques dans des conditions réalistes et dynamiques Æ évaluation des performances annuelles - Etudes paramétriques sur les PAC géothermiques CSTB, ESE, ENR, Sophia Antipolis
PAGE 37
