Stockage inter-saisonnier de chaleur solaire: cadre de son utilité et possibilités nouvelles.

[Lo-K]

Bonjour,

Prendre en considération l'évolution des normes d'isolation, de la performance énergétique, et de leurs aboutissements actuel dans le concept des bâtiments passifs, oblige à revoir l'utilité réelle, la nécessité, et le cas échéant la conception du stockage thermique inter-saisonnier de chaleur solaire.

En effet, il semble qu'à ce jour, le stockage inter-saisonnier de chaleur pour le chauffage d'une habitation n'offre plus aucune utilité s'il n'offre pas la possibilité de dépasser un taux de couverture du chauffage par énergie solaire de 80% sur l'année complète. Ce taux est effectivement à ce jour atteint grâce à des installations de type PSD dans des maisons conçues avec des normes d’isolation de type passif.
Le stockage inter-saisonnier n'a donc aujourd'hui de sens que s'il permet d'aider à se passer complètement de tout apport d'énergie complémentaire, c'est à dire de couvrir 100% des besoins de chauffage grâce au rayonnement solaire. Un vrai défi!

Le projet Sebasol de M. Jaquier, 187 m² habitables en Suisse, 15m2 de capteurs solaire, et aucun stockage thermique autre qu'un ballon tampon de 1600 litres chargé en outre de la production de l'eau chaude sanitaire, suffit à ce taux de couverture de 80% en faisant usage d'un chauffage par le sol dont le principe est de conserver en permanence une température de dalle proche de 20°C . Ce qui suffit à maintenir le bâtiment à la température de consigne. Les 20% d'énergie restant sont fournis par un poêle bouilleur à bois de 10kW, raccordé au ballon tampon. La consommation d'énergie annuelle résiduelle pour le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire est de 0,71 stère de bois.
Le mérite, et non des moindres, d'une telle installation est aussi sa relative simplicité.
Si une telle réalisation était généralisée à tout le territoire suisse et sa population, ces 0,71 stère, qui profitent à une famille de 4 personnes, pourraient être fournis par la forêt suisse à elle seule,

http://forums.futura-sciences.com/at...er-sebasol.jpg

Plus d'information chez Sebasol ici: http://sebasol.ch/realisations.aspx?id=1078&r=&edit=
et ici sur Futura Science: http://forums.futura-sciences.com/ha...inertie-2.html

Un stockage inter-saisonnier complémentaire, dans le meilleur des cas ne permettait donc que d'économiser ces 0,71 stère de bois, tout au plus (et encore, il est fort peu probable qu'il soit capable de produire l'eau chaude sanitaire).

Un stockage inter saisonnier, on s'en rend compte à la lecture de cet exemple, perd quasiment complètement son utilité au niveau purement économique. Il reste par contre très valable, et peut être bien même important, de s'affranchir de toute énergie autre que solaire (ou renouvelable hors biomasse) pour le chauffage, et de pouvoir ainsi conserver la biomasse à ses usages les plus nobles: le bois d'oeuvre et le retour à la terre qu'elle enrichi et améliore notamment en terme d'humus. Brûler de la biomasse ce n'est pas idéal du tout si cela se généralise.
D'autre part ces 20% à combler sont justement les 20% les plus questionnant dans la problématique des énergies renouvelables. Le stockage des énergies renouvelables est le grand défi du temps présent et à venir. Il n'est donc pas inutile, même pour 0,71 stères de bois, de continuer à envisager ce type de solution, mais en percevant bien le cadre, très étroit, de son application.

Un stockage inter-saisonnier qui permettrait d'économiser 30, 40, 50 et même 80% de l’énergie nécessaire au chauffage, n'a tout simplement plus aucun intérêt aujourd'hui, et est donc à considérer comme un type de projet dés à présent dépassé, mort né. Il doit viser au-delà des 80% d'autonomie.

Ceci bien compris, de nouvelles perspectives s'ouvrent aussi en termes de possibilités de tels stockages . Elles découlent justement elles aussi directement de ces nouvelles logiques de performances thermiques et énergétiques.
Dans la mesure ou il suffit, dans le cadre d'une habitation isolée selon les meilleurs termes à ce jour, de maintenir à 20°C les sols de l'habitation, un stockage inter-saisonnier peut se permettre de travailler à vraiment très basse température, ce qui rend les capteurs solaires particulièrement efficaces, et limite très fortement les pertes du stock. En outre, il ne doit plus concerner que 20% de l'énergie annuelle, elle même déjà très limitée, nécessaire au chauffage.
Dans ce cadre, un stockage par exemple directement dans le sol sous l'habitation (comme par exemple pour le tunnel à galets) (re)trouve un certain intérêt, sinon un intérêt certain. Il suffirait de s'assurer que ce sol conserve à sa surface, côté intérieur de l'habitation, une température constante d'environ 20°C toute l'année, alors qu'il est déjà à une bonne dizaine de façon naturelle en profondeur, pour parvenir à l'autonomie totale. Activer ce sous sol, gratuitement à disposition, serait un défi fort intéressant à relever.
Mais, au risque de me répéter, le jeu n'en vaut la chandelle qu'en visant l'autonomie complète.

Si une telle recherche intéresse quelques uns par ici, je serais heureux qu'un échange fructueux s'établisse.
J'étudie depuis quelques mois la faisabilité d'un tel stockage pour trois bâtiments, dont deux à rénover complètement (une maison existante et une étable à transformer en maison neuve ) et un à reconstruire (un atelier/bureau).

Au plaisir de vous lire

[herakles]

Dans ce cadre, un stockage par exemple directement dans le sol sous l'habitation (comme par exemple pour le tunnel à galets) (re)trouve un certain intérêt, sinon un intérêt certain. Il suffirait de s'assurer que ce sol conserve à sa surface, côté intérieur de l'habitation, une température constante d'environ 20°C toute l'année, alors qu'il est déjà à une bonne dizaine de façon naturelle en profondeur, pour parvenir à l'autonomie totale. Activer ce sous sol, gratuitement à disposition, serait un défi fort intéressant à relever.

Bonjour ,

Intéressante démarche à laquelle je souscris complètement .

En effet ,plus une habitation se rapproche des normes passivHaus , moins la mise en place d'un stockage intersaisonnier avec des systèmes lourds techniquement et onéreux s'avère pertinent , et le sol , utilisé intelligemment lors de la construction , est une masse de stockage quasiment gratuite .

Or il ne faut pas uniquement considérer la problématique de chauffage sans parler du confort d'été .

Comment assurer le confort d'été dans des habitations très bien isolées , mais sans inertie, dans les régions aux étés très chauds ?
Effectivement le tunnel à galets , par exemple , permet de rafraîchir la maison en été tout en rechargeant la masse de terre sous la maison pour un coût de mise en œuvre assez raisonnable .
Une variante hydraulique peut aussi rivaliser avec ce système à air , avec de meilleures garanties d'hygiène mais au prix d'un certain surcoût .

[Lo-K]

Bonjour Hérakles,

Bien d'accord. La solution passive conventionnelle est confrontée à la problématique de la surchauffe. C'est d'ailleurs une part importante de l'étude thermique et énergétique d'un projet de ce type.
Le label passif impose en effet aussi une performance énergétique au niveau du confort d'été mais, si sur le papier un tel confort est atteint, sur le terrain j'entends tout de même un bon nombre de personnes se plaindre. C'est me semble t-il pour le moment le principal talon d’Achille de ce genre de projets. Ceci dit tous les projets passifs ne sont pas non plus concernés par des surchauffes. Je suis entrain d'achever un tel projet pour un duplex en réhabilitation. Les calculs donnent 0% de surchauffes, et cela ne m'étonne pas vraiment. Le logement, en ville, entre mitoyens, profond, a un rapport fenêtres/planchers, en façade sud, assez faible, et nous prévoyons des stores extérieurs pour les fenêtres de toiture.

En tout cas, c'est cette question de surchauffes possibles, parmi d'autres questions, qui ont depuis longtemps éveillé mon intérêt pour ta démarche du tunnel à galets. Plus que mon intérêt d'ailleurs! Reconnecter l'habitation à un sol non isolé, légèrement activé en profondeur, me paraît une possibilité séduisante d'apporter aux logements une inertie qui peut leur manquer par ailleurs... ou pas. C'est en tout cas une démarche qui m'intéresse parce qu'aussi elle rompt avec le concept, l'idéologie, de la capsule déconnectée de son environnement, qui me déplaît profondément. Je ne suis pas le seul d'ailleurs. Déformation professionnelle peut être, que partagent bon nombre de mes confrères et amis ... (Je fais le même métier que toi). Le sol activé réconcilie l'habitat avec son sol, un peu comme le logement troglodyte, l'habitat creusé, s'y abritait efficacement. Le logement bien isolé posé sur sol activé est une sorte d'habitat troglodyte hors sol...

D'autre part la question de l'inertie/isolation est complexe. J'entends de plus en plus de personnes fort intéressantes, non conventionnelles, qui remettent en question l'utilité de l'inertie dans le cadre d'une maison de type passif. Cela va à l'encontre de mon intuitions spontanée, mais je trouve leurs arguments forts intéressants aussi. Une maison avec peu d'inertie, selon eux, se rafraîchit aisément (la nuit ou par puits canadien) et est protégée en journée de la chaleur extérieure par son isolation. Sa réactivité serait un avantage. Selon eux l'inertie vient compliquer un fonctionnement très simple en risquant d'accumuler en été une chaleur ensuite difficile à évacuer, et en période hivernale pareil; soit accumuler du froid en période d'absence, difficile à chasser ensuite, soit d'accumuler trop de chaleur par journée ensoleillée, au lieu de l'évacuer immédiatement. J'ai beaucoup de mal à accepter ce point de vue mais je me rappelle à ce propos de la réalisation d'un ami d'une maison en structure acier et isolation importante (mais pas de l'ordre du passif. Le projet a près de vingt ans). Je pensais que cette maison risquait de devenir un four l'été. Hé bien, pas du tout, elle conserve remarquablement la fraîcheur ... comme la chaleur ! C'est très étonnant. II peut faire très chaud à l'extérieur et très frais à l'intérieur, alors qu'elle ne possède quasiment pas d'inertie, hormis la dalle du rez de chaussée. Mais elle est aussi bien protégée du soleil par un environnement arboré, ce qui est un élément extrêmement efficace.

Quoi qu'il en soit, si l'on veut dépasser le cadre du passif et viser l'autonomie complète, je vois mal comment se passer d'inertie. Et c'est le sujet de cette discussion qui débute!

[lilian.07]

Bonjour,
Pour ma part sans remettre en question l'affirmation qui consiste à dire que l'isolation est primordiale. Je pense que le stockage par BTES peut être une bonne alternative pour certain type de bâtiment, par ailleurs je suis en train de dimensionner un stockage en faible profondeur (20m) type BTES inter saisonnier à recharge solaire thermique.
Ceci afin de démontrer et afin de réaliser un projet intéressant sur le dimensionnement du BTES pour une maison correspondante à un logement normal.
Je pense que c'est possible et ceci permettrait d'exploiter une grande partie de l'énergie fatale des capteurs thermique durant les périodes estivales.

L'objectif principale étant de déphaser les 2/3 d'énergie solaire perdu d'environs 3 à 4 mois sans recours à une PAC sauf en cas de demi-echec du au dimensionnement et contrainte du projet.
Mes axes d'efforts ont étaient porté sur la réduction des coûts des panneaux en autoconstruction et bien entendu à la réalisation de forage peut couteux après avoir mis en équation la faisabilité.
J'aimerai en parler avec vous pour évaluer mes chances de réussir avant de débuter la mise en oeuvre des premières mesures "forage in situ" cet automne.
Cordialement

[A voir en vidéo sur Futura]

[Lo-K]

Bonjour,
Votre projet est intéressant et recoupe pour une bonne part le mien. C'est à dire:
- de travailler dans une plage de température permettant de se passer de pompe à chaleur,
- de constituer un stockage de chaleur inter saisonnier sur base d'un captage solaire.
- échelle d'intervention de l'habitation
-faible profondeur de stockage (très faible en ce qui me concerne)

Nous sommes donc confrontés à des questions forts semblables: Capacité thermique, conductivité thermique, diffusivité du sous sol et leurs effets sur la constitution d'un stock exploitable.

Dans mon cas, ce stock prend place directement sous l'emprise de la maison, à 2.5 mètres de profondeur. L'échangeur est constitué d'un réseau de tuyaux de PER ( 6 m par m2 de dalle de sol) qui permet le transfert de chaleur dans un sens ou dans l'autre. Le chauffage des locaux se fait par rayonnement de la dalle de sol, intervenant naturellement quelques mois après le début du stockage, en fonction de la nature du sol, mais aussi par puisage en profondeur et diffusion dans un chauffage par le sol et les murs à l'étage.
Je suis entrain de réaliser un outil d'analyse du comportement de l'ensemble (bâtiment, capteurs solaire, stockage, dalles et murs diffuseurs) en fonction des caractéristiques du sol (capacité, conductivité, diffusivité, humidité), du bâtiment (son niveau d'isolation, ses apports thermiques passifs), et évidemment des données climatiques locales (ensoleillement, degrés jours, température extérieure). Le plus délicat est de cerner le comportement du stockage, dont les pertes constituent en partie l'isolation, se renforçant avec le temps. Certaines de ces "pertes" sont récupérables, d'autres non. Le stock perd aussi l'énergie se diffusant vers l’atmosphère extérieure variant mois par mois en fonction de la température extérieure et la vitesse de propagation de l'onde thermique.
Pour l'instant les résultats que j'obtiens semblent tenir la route, en fait assez confortablement, du moins pour une maison fort isolée (sinon la surface de capteurs explose, et le stockage devient ingérable), mais j'aimerais encore affiner cet outil. J'ai travaillé avec les diverses formules de base, mais suis pour l'instant obligé de me limiter à des résultats sous forme de moyennes mensuelles. Comme tout le comportement est dynamique (en particulier la diffusion de la chaleur dans le sol et l'isolation du stockage qu'elle constitue par la même occasion), il n'est pas évident d'appréhender le tout, surtout avec un pas aussi large que le mois. J'aimerais déjà réaliser l'analyse par pas de quinze jours et affiner ce que j'obtiens. Je ferai cela cet été. Je devrais aussi intégrer la nature du sol différente en fonction de sa profondeur (sa température de base moyenne, son humidité notamment)

De votre côté utilisez vous des outils d’analyse particuliers?

J'ai aussi pensé à des forages, ce qui faciliterait peut être la mise en oeuvre. Mais je n'ai aucune idée du coût d'une telle entreprise. Par contre, je sais chiffrer aisément la réalisation de tranchée parallèles de 70cm de large espacées de 1.5 m, sur 2.5 m de profondeur dans un sol meuble. C'est fort bon marché, comme 1000 m de tuyaux en PER au prix de gros.
Pouvoir stocker un peu plus en profondeur, comme dans votre cas, est je trouve intéressant pour être moins influencé par les pertes thermiques dépendant des conditions climatiques. Je serais donc fort intéressé de prendre connaissance de ce que vous avez envisagé comme comportement de votre stockage.
Celui que je projette est limitée par plusieurs choses:
- La diffusion de l'onde thermique doit être cernée afin d'éviter la surchauffe au niveau de la dalle, ou au contraire son élévation en température insuffisante, ou son refroidissement trop rapide.
- Les pertes thermiques vers l'atmosphère, engendrées par la faible profondeur du stock, en périphérie du bâtiment. Je les ai intégrées à mon outils. Elles dépendent fort de la nature du sol, tout particulièrement sa conductivité. Elles restent assez raisonnables je trouve ... en moyenne mensuelles!

Les autres contraintes sont du même ordre que les vôtres:
- détermination de la nature du sol, de son humidité pour en déduire le comportement moyen du stockage.
- déduction du nombre de capteurs solaires nécessaires pour élever la température à un niveau suffisant pour un volume récupérable suffisant, mais aussi pour chauffer l'habitation en direct.

Bonne recherches et études et au plaisir de partager nos résultats respectifs.

Laurent

[lilian.07]

Premier point, félicitation votre projet qui est similaire au miens dans plein de domaine.
L’aspect physique du phénomène de diffusivité est acquise pour ma part. La théorie étant très complexe, il m’a fallu trouver des écrits et des solutions simple vérifiés en pratique. Les modèles de simulation par éléments finies donnent de très bons résultats et on peut à présent s’appuyer dessus pour dimensionner un ouvrage.
C’est pour cette raison que je me lance. Lorsqu’on veut construire un BTES (puis de stockage par champ de forage), toute la difficulté est dans l’hétérogénéité du sol car les équations de diffusion de chaleur dans le milieu (terre, roche….) invitent à y croire.

Je vulgarise l’explication en synthèse :

La diffusion thermique c’est la matérialisation de 2 phénomènes physiques bien connus, la résistance thermique et la capacité calorifique….

La diffusion est « assez simple », si on comprend que c’est une probabilité de présence ou non d’une agitation thermique qui se diffuse comme une gaussienne le long d’une dimension…Cette probabilité est une température qui se matérialise plus ou moins vite dans tout milieu plus ou moins conducteur (isolant, métal, roche, terre…)

Un volume chauffé en un point voit son « pourtour » thermique s'agrandir en s'estompant sur cette distance à la racine racine carrée du temps. L'intérieur chaud passant à l'extérieur par une loi de probabilité, d’où la racine carré du temps lorsqu’on veut déduire la distance à laquelle se trouve notre T°.
La terre n’apporte que très peu de calorie par géothermie de l’ordre de 60 mW/m2 (thermique d’origine nucléaire) ce qui est insuffisant pour nos besoins, la géothermie de PAC est une géothermie qui a besoin d’être rechargée par le soleil notamment (faible profondeur de l’ordre du m). Avec le forage horizontal si elle ne puisse pas dans une nappe, la PAC finira par perdre du rendement car elle aura progressivement diminuée la température autour des PER, ce qui prouve par ailleurs que le sol est isolant. Enfin avec un COP de 3 la PAC à énergie nucléaire n'est pas acceptable.


1) Ca explique pourquoi la chaleur provenant d’un aquifère si cette dernière n’est pas suffisamment régénérée par une source externe sera irrémédiablement appauvrie plus ou moins vite en fonction de son environnement plus ou moins proche.

2) Ca explique pourquoi un forage profond (400m) ou la température est en moyenne de 25° n’est pas exploitable car l’appauvrissement est assurée en quelque jours…


Il faut donc « recharger » le sol et il faut que la collection de forages délimitent un volume avec un rapport Surface S sur Volume V minimal soit une sphère (impossible à faire simplement donc un cylindre dans la plupart des BTES)

schema BTES.jpg


Avec un réseau de forages courts, le forage voisin récupère ce qu'il perd avec une température presque uniforme sur tout le volume du cylindrique, il faut également que les dimensions du stockage ne soit pas trop petit vis-à-vis du parcours de la diffusion de chaleur dans le milieu sur une saison…car le rendement serait déplorable.

Une bonne vulgarisation :

Pour le milieu sol (roche/terre) cette diffusion est d’environ 1 .10^-6m²/s (lire une fois 10 puissance moins six mètre carré par seconde, soit 0,000 001m²/s)

Diffusivité des matériaux

diffusivité.jpg

Cela signifie que pour connaître la distance de propagation de la chaleur dans « l’argile » après une seconde, je dois prendre cette valeur 0,000 001 et en extraire la racine carré, ce qui me donne (lire racine carré de 0,000 001=0,001 soit 1mm d’argile.

Si je maintiens la source de chaleur j’obtiendrai un gradient de température tout au long de la distance parcouru par cette chaleur….au bout de 100s la chaleur aura parcourue 1cm….
0,000 001 * 100 = 0,0001
racine 0,0001=0,01 soit 1cm…
Pour trouver la profondeur de pénétration de la chaleur dans l’argile après un an?

Il y a 31 536 000 secondes dans une année.

En multipliant 0,001 (distance de propagation après une seconde) par la racine carré de 31536000 on obtient 5,61mètres.
L’argile ou le granite sont des matériaux particulièrement conducteurs.

En poussant un peu la vulgarisation si mon sol est à 40° au départ comment va il se comporter dans le temps ?
température%20perte.GIF



Conclusion: les pertes deviennent minimes pour une structure de grande dimension (par rapport à la diffusion sur 6 mois, 2 à 4m) et il n’est plus nécessaire d’isoler en terre. Par ailleurs si le sol contient des résurgences d’eau significatives ça devient rédhibitoire pour le stockage.

Mon projet est plutôt conséquent car je part sur un besoin de stocker environs 1 Mwh. soit 1000 m3 de sol en prenant comme valeur réaliste d'exploitation (charge, décharge de sol avec rendement de 20%) 10 Kwh/m3 de terre soit grossièrement un cube de 10m de coté pour ma part (1000 m3).

Pour ton projet on peut en parler avec grand plaisir :

ce stock prend place directement sous l'emprise de la maison, à 2.5 mètres de profondeur

Quel est le type de votre stock (forage, cuve....autre)

effectivement selon la diffusivité du sol et le déphasage visé, il faut vérifier que la dalle va capter car à 2.5m on a encore les effets atmosphériques.
La diffusivité du sol peut se mesurer soit en connaissant la teneur du sol soit directement en injectant des calories et en mesurant 2 températures sur 24h.

Comme vous avez pu voir, c'est à partir de 6m de profond que les effets externes atmosphérique ne se font plus ressentir est on parle de température stable, c'est pourquoi après avoir réfléchi à un stockage par excavation (cuve enterré car j'ai un tractopelle) je me suis focalisé sur les petits forage 20m bien plus pratique et même réalisable dans la roche (très bon stockeur).

Je serais donc fort intéressé de prendre connaissance de ce que vous avez envisagé comme comportement de votre stockage.

Une fois qu'on a dimensionner notre besoin de chauffage (consommation d'électricité, de fioul ou de bois ou connaissance de la déperdition du bâtiment.....) on peut dimensionner tout le reste (capteur solaire et BTES).

schema pricipe BTES.jpg

comme il me faut 1000 m3 de stock, l'épaisseur des têtes de puis que je n'utilise pas jusqu'à 6m il me faut forer à 16m pour avoir mes 10m de stockage en profondeur.

la forme idéal étant un cylindre et mon sol ayant une diffusivité d'environs 1 mm2/s il me faut 36 forages espacés de 2m.

De votre côté utilisez vous des outils d’analyse particuliers?

Non pas d'outil juste les mathématiques mais l'outil apporte un plus pour tester rapidement le changement de paramètres.

J'ai aussi pensé à des forages, ce qui faciliterait peut être la mise en oeuvre. Mais je n'ai aucune idée du coût d'une telle entreprise.

Les forages réalisés à l'aide de petite machine et lorsqu'ils sont peut profonds et de faibles diamètres sont finalement la meilleurs solution. Je suis en train d'envisager l'achat d'une microforeuse mobile ou mat de forage d'occasion et ne nécessitant pas beaucoup de moyen à l'achat et à l'utilisation. Le forage lorsqu'il est réalisé par des professionnelle ne rend aujourd'hui pas rentable le stockage par BTES.

C'est fort bon marché, comme 1000 m de tuyaux en PER au prix de gros

Bien entendu mon réseau sera en PE car c'est très intéressant dans ce domaine ou les longueurs des échangeurs sont important.

Je serai ravis de partager d'avantage sur le domaine.
Cordialement

[Lo-K]

Re-bonjour lilian. 07

Effectivement nos projets ont de nombreux points communs.
Pour réaliser mon outils d'analyse j'ai utilisé les principes et formules que vous mentionnez, dont je reconnais certains des schémas et explications que vous donnez, bien utiles, que j'avais découverts sur le net.
Sur cette base, à l'intérieur d'un tableur, en faisant varier les caractéristiques du sol, de l'habitation, des capteurs etc. je peux estimer la température du sol dans l'espace et dans le temps, et ainsi la quantité de chaleur exploitable, les déperditions du stockage etc...

Je suis intrigué par les modèles de simulation par éléments finis dont vous faites mentions. Qu'est-ce au juste?

Vous me posez la question : Quel est le type de votre stock (forage, cuve....autre).
C'est la masse de terre directement sous le bâtiment. Un échangeur constitué d'un réseau en parallèle de tuyaux PER est disposé sur les flancs inférieurs de tranchées de 70 cm de large et 2.5 m de profondeur. Ces tranchées sont distantes l'une de l'autre de 1.5 mètre. Le réseau d'échangeur constitué comprend 6 mètres linéaires de tubes par m2 de surface du sol du rez de chaussée de l'habitation. Grosso modo 1000 m de tubes.

Nos projets sont également assez équivalents en terme de stockage. Je vise aussi un volume de stockage de près de 1000 m3 ( très exactement 910 m3. Il dépend de la surface au sol du bâtiment). Pour un delta t utile de 15°c, il pourrait stocker le double de ce dont j'ai en réalité besoin pour un rendement supposé de 30%. Ce stock doit me fournir environ 3500 kWh par an (pour les 4 mois d'hivers les plus froids, de novembre à février).

Je suis bien d'accord avec vous, une pompe à chaleur avec un COP de 3 n'a quasiment aucun sens. Il faut viser nettement plus pour que cette technologie soit véritablement bénéfique, sauf éventuellement dans le cas où l'énergie primaire utilisée est d'origine renouvelable.
La pompe à chaleur dans ces limites là est une belle technologie, mais c'est évidement encore bien plus beau de pouvoir s'en passer.

Dans mon cas, tous calculs faits, pour maintenir l'habitation à sa température de consigne de 20°C, j'ai besoin de garder les dalles de sol et murs chauffants entre 20 et 20,7 °C. Ceci est rendu possible parce que le bâtiment a un besoin annuel de chauffage très limité, de l'ordre de 24 kWh/m².
Le quart des besoins est fourni par une véranda sud. Les trois quart restant sont comblés pour moitié par chauffage en direct des capteurs, et l'autre moitié par le stockage. C'est du moins le résultat que me donne l'étude thermique.

Votre projet de réaliser vous même les forages est très intéressant. Qui sait, si cette possibilité se révèle viable économiquement elle pourrait m'inspirer pour le projet en cours ou pour les suivants. C'est vrai qu'au prix actuel de l'énergie, sans débrouillardise, le genre de projet qui nous intéresse n'a pour ainsi dire aucune viabilité économique. Ceci dit, si les forages ont bien une durée de vie conforme au siècle supposé... elle pourrait le devenir en terme de génération. La présente investissant pour la suivante. D'autre part la question économique est une chose, l'environnementale en est une autre. Je préfère pour ma part, dans tous les cas, transformer mon besoin d'énergie sous forme hydrocarbure en mains d'oeuvre à rémunérer pour m'aider à creuser les tranchées dont j'ai besoin pour le stockage inter saisonnier, même si la rentabilité est faible. Et je ne compte pas le plaisir de l'investigation et de tenter quelque chose.

Je suis sur le départ, et je n'aurai pas de temps pour communiquer dans les jours qui viennent. Ce devrait être à nouveau possible à partir de mercredi.

Au plaisir.

Laurent

[lilian.07]

Bonjour Laurent.

Votre projet resemble au TG d'Herakles avec un circuit hydraulique en lieu et place d'un circuit à air. Ce type de stockage à mon sens est adapté au construction à venir, basse consommation et pour une cycle de stockage court terme, il faut recharger et décharger souvent pour pouvoir obtenir un rendement accepable et donc avoir des capteurs à très faible inertie thermique et plutôt habiter en region Sud Europe. C'est une grande amélioration du puit provencale.

En fait, il faut garder à l'esprit que pour ce genre de projet la solution analytique est inaccessible en 3d. Généralement on utilise des programmes de simulation avec une approche sur une dimension puis en 2D par la méthode d'élément finies qui confirme que le résultat est conforme à l'experience avec une marge d'erreur de 4%.
C'est un peu ce que vous faite certainement avec un programme Excel qui exploite les résultats de résolution d'équation de diffusion de chaleur sur des périodes de temps plus ou moins longue. Ce genre de travail est largement suffisant pour dimensionner un projet si on garde à chaque étape de calcul une marge majorante sur l'approximation des résultats.

Cycle de charge

aproche sur coupe.jpg

Voici un exemple de résultat de calcul par élément finies.
tfc : température d'injection
tinfinie : température du sol
Ro : rayon du conduit d'injection de calorie (tuyau PER ou autre)
RP : rayon du tuyau d'injection
R : rayon d'influence du front de chaleur


On constate une coupe de terre et un puit de forage vertical qui diffuse la chaleur qu'on lui injecte (mode charge)
On voit un maillage en abscisse qui est le résultat de N nœuds calculés de manière discrete au pas de "x" metres distant du puit.
Bien entendu cette courbe évolue en fonction du temps...
Ce genre de résultat et largement suffisant surtout dans le cas d'un BTES ou chaque puit vient alimenter les autres par déperdition dans le temps. On estime que lorsqu'on connait les paramètres du sol (diffusivité), ce genre de résultat est exploitable avec une très faible erreur.


Cycle de décharge (plusieurs courbe en fonction du temps)

destockage.jpg

l'ordonnée est adimensionnelle pour pourvoir l'appliquer à n'importe quelle cas c'est un poucentage de la "T° injectée - T° du sol" ce qui donne la plage d'évolution en fonction du temps. L'abssice est un nombre de noeuds, 100 noeuds c'est 400 mm dans le sol. (c'est le pas de calcul qu'on peut prendre pour ne pas trop demander d'effort au CPU du PC lorsqu'on est sur un temps court d'évaluation type une journée)
L'echelle de temps est sur une durée de 8h.
On peut considérer que la surface de la courbe à t=0 moins celle à t= 8h donne l'énergie exploitée dans ce laps de temps en faisant une revolution de la courbe sur l'axe des ordonnées.

Vous avez eu l'idée intéressante de mettre tout les paramètres en musique (Excel) ce qui est plutôt bien d'avoir pu arriver à un résultat acceptable (je vous propose de faire évoluer votre programme par les éléments finies car aujourd'hui ils donnent des résultats fiables). Pour ma part, je me suis focaliser sur la réduction des coûts et sur la faisabilité du projet ,par ailleurs, même si j'ai un tractopelle, la méthode des forages m'est parvenue naturellement après calcul et après avoir trouvé une méthode de forage simple.

Mon stockage est différent dans son approche mais similaire dans son fonctionnent car ce dernier n'a pas vocation à se situer sous la maison qui est déjà existante ce qui est sensiblement différent de votre approche si j'ai bien compris car le principe consiste à utiliser la perte diffusive comme chauffage rayonnant sur un capteur type dalle.

Par ailleurs vous accepter de perdre un gros volume par en dessous car vous récupérez une grande partie des pertes (50% si on considère la forme de stockage assimilable à un plan).
Il me semble que même si le principe d'utiliser le déphasage de la terre pour retarder l'arrivée du frond de chaleur par dessous est excellent, il sera à mon sens difficile de maitriser la température de l'échangeur avec l'arrivée du front de chaleur.
Le problème principal avec les tranchées et à faible profondeur, c'est qu'on est plutôt sur 2 dimensions dans le sol et la théorie montre qu'il faut se rapprocher d'une sphère pour avoir un volume homogène et surtout contenir la chaleur dans un temps de l'ordre de l'année, ce qui n'est plus vrai pour un système plan horizontal.

Il y a trop de perte par diffusion dans le sol lorsqu'on évolue sur un plan c'est pourquoi on doit jouer sur les multiples cycle charge-décharge mais dans votre cas (comme pour le TAG) vous avez habilement utilisé une partie des pertes pour le chauffage indirect. De plus comme vous êtes à l'intérieur du bâtiment, l'environnement extérieur n'est pas dimensionnant et vous êtes en basse consommation d'énergie.


Même avec un BTES cylindrique dont la hauteur est identique au rayon (optimum compromis simplicité/résultat) pert pas mal lorsqu'on est dans des dimensions de stockage relativement faible (1000 m3 soit un rayon de 6m pour le BTES).
Le front de chaleur évolue de plus ou moins 3m d'avancée en 6 mois, 2m en 50 jours ce qui laisse présager pas mal de perte et un faible rendement à la décharge du stockage.

Pour des BTES de 15000 m3 on estime qu'on a un rendement global de 40% la première année, donc pour 1000m3 cylindrique je pense qu'un rendement de 20% la première année est acceptable mais pas certain.
Par ailleurs les calculs montrent également qu'un seul puit de forage qui est assimilable à un cylindre une dimension (h>>rayon) représente à peine 10% du rendement de ce que pourrait obtenir l'équivalent en longueur sur plusieurs puit côte à côte positionnée en forme cylindrique.

Le forage n'est finalement pas un problème, au contraire il a l'avantage de ne pas remuer une quantité trop importante de terre et permet d'agir sur le batiment pré-existant.

Un autre point m'interpelle mais sans certitude sur les effets, selon la constitution du sol il semble que la modification de la température du milieu provoque des désordres dans le sol ce qui pourrait constituer une contrainte au niveau des fondations lorsque le stockage est trop proche.

Le gros point positif de votre projet c'est l'isolation, les caractéristiques de votre bâtiment et la température très réduite des vecteurs à 20° et c'est certainement le plus gros avantage car plus basse est la température meilleurs est le rendement globale du système et du stockage.

Je pense que votre analyse est bonne sur le dimensionnement du besoin toutefois si vous avez un croquis je pourrai voir avec une approche différente si nous trouvons les mêmes résultats.

La PAC eau-eau est devenu bon marché facile à installer et si son COP est >5 elle peut apporter des solutions de replies en cas d'echec. Par ailleurs à terme elle pourrait s'associer très bien avec le PV (voltaique)

Enfin si vous êtes intéressé par la méthode des forages on pourra en parler avec plaisir car visiblement vous avez pas mal de projets en vu et je pense que ce type d'approche serait plus simple et mieux adapter à votre usage.


Cordialement.
Lilian

[Lo-K]

Bonjour Lilian,
et merci beaucoup pour ces informations fort intéressantes. Je n'ai malheureusement pas pour la semaine qui vient de temps à y consacrer dans le détail. Comme je vous l'écrivais, je suis en déplacement avec des tâches importantes à suivre et achever.
Je réponds donc rapidement à votre message et y reviendrai d'ici une dizaine de jours plus dans le détail.

Effectivement le projet que je développe est inspiré du tunnel à galets de Hérakles. Par facilité de mise en oeuvre (je sais qu'il n'est pas vraiment d'accord mais chiffres à l'appui c'est pourtant le cas) j'ai choisi d'utiliser un système hydraulique pour le captage, le stockage dans le sol et la récupération des calories.

Je ne comprends pas trop votre réflexion vous menant à considérer que le principe de ce système serait plus indiqué pour "recharger et décharger souvent pour pouvoir obtenir un rendement acceptable"
? Je serait fort intéressé de prendre connaissance de votre raisonnement à ce propos.

L'intérêt de ce stockage directement sur le stock est effectivement de récupérer une partie importante des "pertes". A contrario il faut parvenir à gérer ce flux traversant la dalle du sol, ce qui n'est pas forcément très facile. C'est pourquoi un modèle mathématique, même simplifié est de la plus grande utilité pour anticiper la température de la dalle de sol à un instant t. Le risque principal étant une surchauffe fin août, début septembre. C'est d'ailleurs cette problématique qui m'a amené à m'intéresser à ces formules. Je tenais à pouvoir déterminer le niveau d'isolation optimal (quel type de hérisson par exemple) de la dernière couche du sol afin de freiner l'onde thermique, éviter les surchauffes, et une décharge prématurée, inutile, et même nuisible du stockage en mi saison.
L'autre problématique d'un stockage aussi peu profond, c'est l'effet de la température extérieure sur le stockage. A si faible profondeur, la température du sol varie de façon significative. Avec heureusement l'effet favorable de l'inertie qui justement offre un sol plus chaud (réchauffé en profondeur par l'été) au moment même où il doit bien conserver la chaleur avant le plus froid de l'hiver. Je tente aussi de modéliser cet effet, mois après mois.

Je prévois de pouvoir récupérer 30% de la chaleur stockée, mais les calculs sont, pour l'instant en tout cas, nettement plus favorables et se rapprochent de votre estimation. Comme quoi votre perception du phénomène de stockage dans le sol est bien intégré. Il est effectivement remarquable de constater le freinage rapide du déplacement de la chaleur dans le sol passés les deux trois premiers mois. Les échangeurs étant forcément disposés à une certaine distance des fondations, ce n'est qu'à partir de la fin du mois d'août que le stockage déborde de sa surface au sol exploitable, c'est à dire celle du bâtiment plus un mètre tout autour ( Le bâtiment est isolé généreusement par des trottoirs isolants de deux mètres sur toute sa périphérie). Mais à partir de ce moment le déplacement de la chaleur en périphérie est déjà très ralenti.

Je vais intégrer la méthode des éléments finis dont vous apportez la réflexion à mon tableur. Mais je dois me pencher de façon plus approfondie sur vos graphiques pour les comprendre précisément et bien les assimiler.


Évidement contrairement à votre démarche, en cas d'échec, je ne pourrai pas utiliser de pompe à chaleur, au risque sinon de frigorifier ma dalle de sol intérieur....
Comme je vous le disais je ne suis pas figé sur mon projet. S'il s'avère que votre solution est clairement plus abordable et efficiente que celle que je projette, je n'hésiterais pas à le modifier dans votre sens. D'autant que j'ai plusieurs bâtiments à transformer/construire.

Par ailleurs avez vous des données concernant la durabilité des tuyauterie en PE ou PER pour ce type d'usage? J'ai lu certains documents qui font état d'environ un siècle à température modérée, mais sans plus de précisions, notamment concernant le type exact (ses caractéristiques physico chimique etc...) à mettre en oeuvre. C'est aussi une données importante à prendre en considération. J'ai visité un projet de rénovation "basse énergie" avec forages ( 80mètres dans mon souvenir) , pompes à chaleur et capteurs solaires, en ville à Bruxelles. Les concepteurs/investisseurs considéraient que la première génération était la génération sacrifiée économiquement, à cause du coût des forages, dont les suivantes bénéficieraient complètement. Ils partaient aussi du principes que les forages avaient une durée de vie de plusieurs générations.

Je suis d'accord, une pompe à chaleur avec un COP de 5 ou plus, alimenté en photovoltaïque, c'est une solution à peu près sans reproche autre que celui de pouvoir se passer d'à peu près toute technique sophistiquée, ce qui n'est pas évident en réhabilitation., ou certaines configurations défavorables.

A bientôt pour des échanges sur des questions plus précises.

Laurent

[lilian.07]

Bonjour Laurent,
L’inspiration du tunnel à Galet d’Héraclès est excellente et l’amélioration vers un système hydraulique me semble pertinente par ailleurs sans toutefois négliger l’intérêt des capteurs à Air.
En effet, un circuit hydraulique n’est plus si problématique que ça, car la mise en œuvre est à présent aisée avec le PE,PER et le fameux PEX bien connu des chauffagistes et plombier avec un gros retour d’expérience sur les phénomènes de dimensionnement d’une installation. Par ailleurs on écarte le risque sanitaire qui est à mon sens mineur dans un TaG même si on a tendance à en faire tout un problème.
Je dirais qu’avec le système de panneau solaire type Drain Back on est complétement dans la philosophie du capteur à air…pas de circuit sous pression, pas de complexité hydraulique, pas de problème de surchauffe ou de gèle et une grande simplicité.
Par ailleurs le TaG pour ma part n’est pas un système de stockage long terme, c’est un système de stockage plutôt court terme, son dimensionnement est sa faible profondeur en fond un « super puit provençale » ce qui est déjà une très belle évolution. Un rapide calcul de coin de table montre que le front de chaleur (en mode chauffage) sera à 2m en à peine 1 mois et demi et il sera alors très difficile de reprendre les calories. Ce même calcul montre également que au-delà de 15 jours entre un cycle de charge et de décharge l’ensemble ne permettra pas d’avoir tout au plus qu’envions 20% de l’énergie injectée. Sauf dans le cas où le TaG se trouve au-dessous de la bâtisse mais à mon avis, cette réalisation est hasardeuse car définitive et surtout sans maîtrise du front de chaleur. Je lui préfère alors les gros ballons de stockage dans le bâtiment. Je tiens à ajouter que je ne suis pas un adepte des circuits hydrauliques.
La complexité de la décharge du stock en processus naturel montre qu'essayer de synchroniser le front de chaleur avec le besoin semble plutôt très risqué car aucune régulation ne peut alors se faire si ce n’est d’avoir une dalle type plancher chauffant pour pouvoir réguler le surplus ou le manque (à bien y réfléchir avant la mise en œuvre, mais ça semble hasardeux et pas forcément rentable sans avoir de plan de repli type PAC).
Le solaire thermique est déjà une difficulté dans la maîtrise du phasage entre l’usage et le captage, c’est pourquoi seul le recours au stockage trouve son intérêt à court terme (24h par ballon tampon).
Par ailleurs, si on ne pilote pas ce stockage, je pense qu’on se risque à faire un sous-système plus complexe avec les mêmes contraintes aléatoires provoquées par les capteurs solaires et les EnR en général.
Enfin l’étude (Thèse) sur le TàG confirme que ce système est un système à cycles court.
Pour programmer l’équation de chaleur, je vous conseille ce site où l’on trouve une vulgarisation des équations et un model simple de diffusion unidimensionnel largement suffisant dans votre cas avec un bout de code de 3 lignes permettant de programmer le phénomène de diffusion simplement en VBA sous Excel.
Si on aime la loi des séries et de construction logique et pour une diffusion de l’ordre de 1.10-6 m2/s (l’argile ou la roche calcaire), on peut vulgairement dire :
Si on met une quantité d’énergie donnée et qu’on l’arrête, c’est 4/6 de cette quantité d’énergie restant au même endroit et 1/6 de chaque côté après une seconde…il faut appliquer cette règle simple des 1/6 et 4/6 pour trouver la quantité d’énergie qu’il reste au bout d’un certain temps et à une certaine distance par boucle itératives (voir site suivant) Ce qui est surprenant c’est que les résultats approchés sont proche de la réalité
http://robert.mellet.pagesperso-oran...ff/diff_01.htm

Il existe également des équations simplifié qui permettent de visualiser approximativement ce flux de chaleur dans le temps et dans l'espace, c'est certainement la meilleur solution pour vous.

Je suppose que vous travaillez dans le bâtiment car vous évoquez de multiples rénovations. Il est vrai qu’un processus reproductible et simple pourrait apporter vous apporter beaucoup et surtout répondre à la réduction drastique des besoins en énergie fossile. Je pense que ce rêve, si il existe ne peut passer qu’avec l’alliance de la géothermie et du solaire en attendant des innovations technique plus complexe.
Ce qui parait évident n’est pas forcement admis par le plus grand nombre même si il ne faut pas nier qu’il y a quelques difficultés techniques sur le chemin et que le modèle n’est pas forcement reproductible à tout l’habitat.

[lilian.07]

Bonjour Lo-k
J'ai poursuivi mes recherches sur le stockage inter-saison en prenant contact notamment avec les experts du BRGM (projet Solargeotherm) et j'ai pu enfin me procurer des informations précieuses et surtout dans mes recherches j'ai pu identifier des logiciels simple de simulation thermique permettant de vérifier un certain nombre de paramètres essentielles notamment avant de débuter une réalisation.

Si tu es intéressé je peux simuler tes projets pour déterminer la faisabilité voir te transmettre les programmes (avec explication), ces petits simulateurs simples d'utilisation sont néanmoins très puissant.

Ce que je retiens au final avec toute mes recherches sur le stockage inter saisonnier c'est :

1. L’essentiel dans cette question de géostockage de chaleur est de minimiser les pertes de chaleur par diffusion, donc (a) exclure tout volume rocheux où il y a circulation ou même présence d’eau, et (b) retenir une géométrie du géostockage qui minimise les surfaces extérieures par rapport au volume intérieur, c’est à dire un cylindre dont le rayon est égal à la hauteur (on suppose qu'on peut isoler thermiquement certaines faces du stockage ou laisser diffuser en douceur vers un milieu désiré). Dans mon cas de 1200m3 de roche, le volume idéal est donc un cylindre de 7.3m de rayon sur 7.3m de hauteur.

2. Il faut équiper une densité d’échangeurs géothermiques suffisante pour assurer la puissance d’injection et de soutirage qu'on recherche. Compte tenu de la température de travail très similaire à celle de la géothermique sur sondes géothermiques verticales, une puissance de 40 à 50W/m d’échangeur est une base de départ.

3. Il faut toujours simuler à défaut de pouvoir calculer avec ce genre d'ouvrage thermique.

Bonne continuation.
Cordialement