Puits canadien ADEME

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Guide du puits canadien

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Dimensionnement du puits climatique Analyse, modlisation, validation dun modle de simulation dynamique pour les puits canadiens ou provenaux

SOLARTE Yves JAUTARDsolarte@free.fr

IZUBA nergies Thierry SALOMON Renaud MIKOLASEKcontact@izuba.fr

CENTRE ENERGETIQUE ET PROCEDES Ecole des Mines de Paris Bruno PEUPORTIER Stphane THIERSbruno.peuportier@ensmp.fr

Alain TROMBE INSA de Toulouse

Rapport final PREBAT ADEME 04 04C 000 1 Rgion Languedoc-Roussillon

E 200 200307a

A - Objectifs et intervenantsObjectifsCette tude a pour objet ltude du potentiel de linertie du sol par le systme de puits canadien ou de puits provenal (pour lt), que lon se propose de nommer ici puits climatique . Elle vise : 1. Mieux analyser et quantifier les valeurs physiques ncessaires la prise en compte de ces systmes, 2. En dterminer un modle de dimensionnement, 3. Implmenter ce modle dans un logiciel de simulation dynamique, 4. Valider le modle par rapport aux rsultats observs sur des sites en service.

EquipeLquipe constitue par sa pluridisciplinarit a pu couvrir les besoins en tudes, recherches et mesures du projet : IZUBA Energies a apport son expertise sur lanalyse des ralisations actuelles, la dfinition du module de calcul, limplmentation et les test dans Pleiades + Comfie . ARMINES est intervenu principalement sur la modlisation et la conception du module de calcul et la validation sur site. SOLARTE a apport son expertise sur lanalyse des ralisations rcentes, sur les aspects de mise en uvre et de conception architecturale globale des ouvrages. Alain TROMBE, consultant, a t sollicit pour lantriorit de ses tudes et son expertise reconnue sur ce domaine.

Synthse des travaux ralissLe travail ralis au cours des six premiers mois de l'tude a permis l'tat de l'art et son analyse, qui a aboutit une premire modlisation. Une premire tentative de validation de cette modlisation a permis d'en identifier quelques imperfections et insuffisances. Le travail labor durant les six mois suivants a permis de faire voluer la modlisation ralise, notamment avec lamlioration du dtail du maillage, la refonte dune partie des quations et la modlisation spcifique de la thermique du sol travers une analyse de Fourier des conditions climatiques et un bilan nergtique la surface du sol. Une premire campagne de mesure a permis de faire avancer la validation de ce modle. Le travail ralis de fvrier aot 2006 a consist en l'amlioration du modle, notamment en vue dune meilleure prise en compte de la varit des changeurs air/sol mis en uvre au sein de btiments rels. Deux fonctionnalits majeures ont ainsi t apportes au modle dj dvelopp : la prise en compte de linfluence du btiment situ proximit pour le calcul la temprature du sol et la prise en compte de plusieurs nappes de tubes superposes au sein de lchangeur. Dans ce rapport final, lvaluation du modle est prsente sous deux aspects. Dabord, une analyse de sensibilit du modle diffrents paramtres permet didentifier les paramtres les plus influents et de vrifier quils correspondent aux paramtres qui avaient t identifis dans ltat de lart. Ensuite, une premire validation du modle est ralise partir de la confrontation de rsultats de simulation avec les mesures issues de deux installations instrumentes.

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B - Analyse et tat de lartLanalyse des ressources bibliographiques est spare en deux parties. La premire est consacre aux travaux effectus sous la direction du professeur Alain Trombe qui participe ce projet en tant que consultant. La seconde montre dautres approches possibles travers lanalyse dautres ressources.

Essais et instrumentations raliss par lINSA de ToulouseListe des documents[T1] A.TROMBE et B.BOURRET INSA de Toulouse Contrat Puits Provenal ADEME FRME : exprimentation de lINSA 1993 [T2] A.TROMBE INSA de Toulouse Rafrachissement dair par puits provenal : exprimentation de lArige 1993 [T3] A.TROMBE INSA de Toulouse Rafrachissement dair par puits provenal :exprimentation de Castanet 1991 [T4] INSA de Toulouse. KUNETZ J., LEFEBVRE L., Les puits provenaux. Etude et mthode de dimensionnement. Rapport de projet tutor de 5me anne. Janvier 2004. 54 p.

Analyse des documents : exprimentation de lINSALe document [T1] propose une modlisation dun puits canadien suivie de sa validation exprimentale. Le modle est construit grce au principe de superposition permettant de chercher des solutions spares pour les diffrentes sollicitations thermiques subies par la terre, la solution tant la somme des solutions spares. Dans notre cas la terre est soumise un change thermique au niveau de la surface et la charge impose par le puits canadien. Le modle prend en compte tous les phnomnes de transfert de chaleur lexception des changes radiatifs et latents au niveau de la surface et des changes latents dans le puits. Les changes radiatifs sont principalement lensoleillement reu par le sol et dans une moindre mesure les radiations mises par le sol vers le ciel la nuit. Les changes latents sont relatifs lvaporation de leau. Les changes latents dans les puits, en labsence dinfiltrations sont ngligs. Lavantage de ce modle est dtre analytique. Il vite ainsi un maillage de la terre qui est dlicat tant donn la gomtrie du problme. Cependant, la prsence de fonctions mathmatiques dans les formules est susceptible daugmenter ncessairement le temps de calcul. En outre, le principe de superposition peut tre extrapol 0 plusieurs puits facilement alors que cest trs dlicat dans le cas des modlisations numriques par maille. Les deuxime et troisime parties constituent la validation exprimentale. La deuxime partie est consacre uniquement lexprimentation. Elle prsente trois expriences distinctes. La premire est consacre ltude dun puits canadien classique et value son incidence sur la thermique dun petit btiment. La seconde compare trois puits canadiens ne se diffrenciant que par le matriau le constituant. Enfin la troisime tudie lvolution de la temprature du sol en labsence de puits canadiens. La premire exprience tudie la fois lt et lhiver. Elle permet plusieurs constats. Les puits canadiens amortissent trs bien loscillation jour-nuit qui passe dune amplitude de 10C pour lair extrieur 1C pour la temprature de sortie des puits. En t, la temprature de sortie passe de 20 23C entre dbut juillet et dbut aot ce qui montre lincidence de lutilisation du puits et donc la ncessit de modliser les puits canadiens de manire dynamique. Cela montre aussi

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Toutes les autres modlisations sont construites en subdivisant la terre en maille.

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la capacit de rafrachissement du systme puisque lair entre dans la pice avec une temprature environ 5C infrieure celle de lair extrieur. Pour lhiver : Au mois de novembre et dcembre la temprature de sortie vaut 14C environ ce qui permet un prchauffage efficace de lair de ventilation, environ 55% des besoins relatifs au renouvellement dair sont assurs. Pendant la priode allant de janvier mars, ce chiffre nest plus que de 25% cause de la baisse de temprature de sortie du puits due la fois la baisse naturelle de temprature de la terre et aux prlvements effectus pendant la priode prcdente. Au bilan, la couverture nergtique des puits canadiens pour le renouvellement dair est denviron 40%. La seconde exprience compare les tempratures en sortie de 3 puits de 10 mtres de long de ne se diffrenciant que par le matriau les constituant. Les carts ne dpassent pas 2C. Dans le cas dun puits canadien rel, cest dire dune longueur denviron 30 mtres, ils seront encore bien plus faibles (de lordre de 0,5C). Le choix du matriau constitutif du puits ninflue donc pas de manire significative sur son efficacit. La troisime exprience permet de vrifier la bonne concordance entre les valeurs exprimentales et thorique de la temprature du sol en labsence de puits canadien. La temprature exprimentale est suprieure de 1 C au maximum 2,5 mtres de profondeur. La troisime partie compare les mesures exprimentales avec les rsultats donns par le modle. La temprature de sortie thorique est plus faible denviron 0,5C en moyenne par rapport la temprature exprimentale t comme hiver. Les tempratures le long du canal sont suivies par pas de 3 mtres. Les profils de temprature concordent trs bien confirmant ainsi la pertinence de la modlisation de lchange thermique air-sol. En conclusion de cette tude. les performances des puits canadiens peuvent tre valus grce au modle prsent avec une bonne prcision condition de bien connatre les caractristiques thermiques du sol. en hiver les puits canadiens permettent de raliser des conomies de chauffage de lordre de 40% sur le poste de renouvellement dair. en t, la puissance de froid lors des priodes les plus chaudes vaut 800 W par puits et elle pourrait tre augmente grce une augmentation de dbit. Etude paramtrique En partant du modle ainsi construit et valid, la dernire partie de ltude value linfluence des diffrents paramtres sur les performances du puits. Les paramtres tudis sont les suivants : longueur du puits diamtre de la conduite dbit dair profondeur du puits type de sol temprature du btiment scnario de fonctionnement La longueur du puits doit tre comprise entre 25 et 40 mtres. En dessous de 25 mtres, le puits canadien ne permet pas dobtenir une temprature de sortie proche de celle du sol car le rendement de lchange est moyen. En revanche au del de 40 mtres le rendement naugmente plus de manire significative. Le diamtre de la conduite et le dbit dair sont lis par la vitesse de lair parcourant le puits. Celle-ci ne doit pas dpasser les 3 mtres par seconde afin de ne pas induire des pertes de charges trop importantes dans le puits. La qualit de lchange varie peu en fonction du diamtre. Afin dobtenir un dbit significatif, ce dernier doit tre compr