Intégration énergétique dans les bâtiments par l'utilisation combinée de l ‘énergie solaire et de la géothermie basse température

par Valentin Trillat-Berdal

Thèse de doctorat en Génie civil et sciences de l'habitat

Sous la direction de Gilbert Achard.

Soutenue en 2006

à l'Université Savoie Mont Blanc .


  • Résumé

    Le travail présenté concerne l'étude d'un système solaire combiné intégrant simultanément l'énergie solaire thermique et la géothermie basse température; il répond aux besoins de chauffage, de rafraîchissement et de production d'eau chaude sanitaire des bâtiments. L'utilisation de l'énergie solaire est décrite par les points suivants : - L'énergie solaire est utilisée en priorité pour le chauffage de l'eau chaude sanitaire ; - L'énergie solaire peut également chauffer le bâtiment grâce à un fonctionnement en mode plancher solaire direct ; - Le surplus d'énergie solaire est injecté dans le sol pour favoriser sa recharge thermique. Ce système solaire combiné a été installé dans une maison individuelle de 180 m2 en Savoie. Son étude expérimentale durant ses 18 premiers mois de fonctionnement montre que le système est opérationnel. Il permet d'avoir une consommation électrique globale (compresseur de la pompe à chaleur, appoint électrique du ballon d'eau chaude et circulateurs) de 26 kWh/m² pour chacune des deux saisons de chauffage. L'étude expérimentale montre également que l'injection d'énergie solaire dans le sol a un faible impact sur le bilan énergétique global annuel. La simulation du modèle numérique du procédé, développé avec le logiciel TRNSYS, met en évidence que le couplage de l'énergie solaire avec la géothermie basse température est difficile à justifier, en terme de bilans énergétiques, pour une maison individuelle. Par contre, le recours à l'énergie solaire pour recharger thermiquement le sol est une très bonne solution pour des bâtiments collectifs, où la concentration des échangeurs géothermiques dans le sol est bien plus importante que pour l'habitat individuel. La simulation du procédé sur un immeuble de 36 logements montre qu'avec un taux de recharge thermique inférieur à 45%, le risque de geler le sol, de façon plus ou moins étendue, est présent après 20 ans de fonctionnement. Sans fonctionnement en rafraîchissement, une surface de capteurs de 300 m2 permet un taux de recharge thermique du sol de 78% et évite tout risque de gel à long terme. Une telle surface garantie une bonne stabilité des performances avec une diminution du COP de la pompe à chaleur inférieure à 6% après 20 ans. Cette surface représente 3 fois la surface nécessaire aux besoins d'ECS


  • Résumé

    The presented work is focused on the study of a solar combisystem which meets domestic hot water and heating-cooling building energy needs. Solar heat is used as a priority for domestic hot water heating and when the preset water temperature is reached, excess solar energy is injected into the ground via boreholes. Solar energy can also be used to heat directly the building thanks to a direct solar floor. This system has the advantage of contributing to balancing the ground loads, increasing the operating time of the solar collectors and preventing overheating problems. This solar combisystem has been installed in a 180 m2 private residence. An experimental study, which has started 18 months ago, shows that the process is operational. The total electric consumption of the process (heat pump's compressor, domestic hot water extra heating, circulation pumps) has a value of 26 kWh/m² for the two heating seasons. The experimental study shows that the injection of heat into the ground has low impacts on the yearly energy balance of the process. Simulations of the numerical model of the process, developed with the TRNSYS software, shows that combined solar thermal collector with ground-coupled heat pump is not interesting for individual houses in term of performances. Nevertheless, using solar energy to reinject heat into the ground is a good solution for public buildings and tertiary sector for which the borehole heat exchangers concentration in the ground is more important. The process has been simulated in a public building (36 apartments, 96 occupants). These simulations show that if the solar heat injected into the ground is fewer than 45% of the heat extracted, there is a risk to freeze the water contained in the refill material and in the ground. If the cooling function of the heat pump is not used, 300 m² of solar thermal collectors allow to reinject into the ground 78% of the heat extracted and the risk of freezing is avoided. This surface of solar thermal collectors allows to stabilize the long term performances of the heat pump (diminution of the heat pump's COP of 6% after 20 years). This surface is oversized by 3 with respect to the domestic hot water requirements alone

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Informations

  • Détails : 1 vol. (227 p)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. : 81 réf.

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  • Bibliothèque : Université Savoie Mont Blanc (Le Bourget-du-Lac, Savoie). Service commun de la documentation et des bibliothèques universitaires. Section Sciences.
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