Dimensionnement du stockage thermochimique pour le Bâtiment Basse Consommation

Dimensionnement du stockage thermochimique pour le Bâtiment  Basse Consommation

Concept général

Le principe du stockage thermique développé au cours de cette thèse repose sur un système ouvert couplé au système de ventilation mécanique du bâtiment. En hiver, période de déstockage de chaleur, l’air extrait est utilisé comme source d’humidité pour alimenter le phénomène exothermique de sorption dans le réacteur. L’énergie thermique générée par la réaction est ensuite utilisée pour chauffer l’air neuf entrant via un échangeur de chaleur, permettant ainsi de chauffer l’habitat. La Figure 5.1 (a) fournit une vision schématique du processus de décharge. En période estivale, le stockage de la chaleur dans le matériau composite requiert un débit d’air chaud à une température de l’ordre de 80°C à 150°C (Figure 5.1 (b)). Cet air chaud est fourni par des capteurs solaires thermiques. La quantité d’énergie emmagasinée est d’autant plus importante que la température est élevée, d’où le recours à des capteurs solaires thermiques à air performants (tubes sous vide). Outre le caractère novateur du matériau de stockage, la particularité majeure du système réside dans la méthode d’intégration au bâtiment, fondée sur un couplage du stockage thermique couplé au système de ventilation mécanique et l’utilisation du vecteur air pour le chauffage du bâtiment et la régénération du stockage. 

Cadre de l’étude 

L’intégration du stockage thermochimique au bâtiment a été étudiée dans le cadre d’une maison individuelle. L’objectif et de dimensionner le système en fonction des besoins en chauffage d’une Bâtiment Basse Consommation. A cet effet, des simulations annuelles ont été réalisées sous TRNSYS. Après la présentation de l’environnement de simulation, les caractéristiques du bâtiment et les hypothèses de simulation seront décrites. La stratégie adoptée pour la décharge du système sera ensuite exposée. Si dans sa globalité, le principe demeure inter-saisonnier, avec une unique phase de charge effectuée en période estivale, divers modes de décharges ont été envisagés en vue d’optimiser la gestion du système. On découvrira alors le rôle déterminant du stockage de chaleur en période de pointes hivernales. La conception modulaire du réacteur de stockage suppose un dimensionnement à partir des performances d’une quantité unitaire de matériau. Lors d’études précédentes, un module de 5 kg (7 L) de composite ZM15 a été caractérisé en charge et en décharge (cf. chapitre 4, partie 4.3. Expérimentation à grande échelle). La dernière phase de l’étude consistera ainsi à évaluer la taille du système en confrontant les besoins en chaleur du bâtiment à ces données expérimentales.

Présentation du système

L’environnement de simulation 

Présentation de TRNSYS O

util de référence au niveau mondial dans le domaine de la simulation dynamique des bâtiments et des systèmes énergétiques, TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation program) est le fruit d’une collaboration internationale entre divers organismes :  le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB), basé à SophiaAntipolis (France)  le Solar Energy Laboratory (SEL) dépendant de l’Université du Wisconsin-Madison (Etats-Unis)  le Transsolar Energietechnik GmBH de Stuttgart (Allemagne)  l’institut Thermal Energy Systems Specialists (TESS) de Madison (EtatsUnis). TRNSYS est un logiciel particulièrement adapté à la simulation en régime dynamique du comportement thermique des bâtiments multi-zone et des systèmes associés. De par sa structure modulaire, il permet de décrire des systèmes complexes, à l’aide des nombreux composants (les types) inclus dans sa bibliothèque. L’environnement TRNSYS comprend deux sous-programmes :  l’atelier TRNSYS Simulation Studio, structure d’accueil permettant à la fois le développement de nouveaux modèles numériques et l’exécution de simulations dynamiques  l’interface TRNBUILD, qui permet de définir de la structure de l’enveloppe du bâtiment.

Architecture du système sous TRNSYS 

Les simulations sous TRNSYS sont effectuées sur une année complète avec un pas de temps horaire. Le système modélisé comprend les principaux éléments suivants (Figure 5.2) :  le bâtiment multi-zone (type 56)  les données météorologiques (type 109)  un lecteur de données (type 9a), lié aux plannings d’occupation, de ventilation et de commande de la consigne de chauffage  un régulateur de gestion de l’éclairage du bâtiment (type 2)  divers modules de calcul et d’intégration, destinés à l’évaluation de grandeurs utiles à l’analyse, telles que la température moyenne extérieure ou les besoins mensuels en chaleur pour le chauffage.  

 Le bâtiment : la maison INCAS 

Présentation générale

 Créée par l’Institut National de l’Energie Solaire (INES), la plate-forme de test INCAS est dédiée au développement d’habitations à énergie positive et basse consommation. Cet outil expérimental vise à caractériser à l’échelle 1 de nouvelles technologies solaires en environnement réel. A cette fin, la construction de quatre maisons expérimentales est prévue à Chambéry, en faisant appel à différents modes de construction et d’isolation (murs en parpaing ou en béton, isolation par l’intérieur ou l’extérieur, ossature bois…). Au sein de cette étude, une large part est accordée à la modélisation de la maison individuelle témoin (Brun et al., 2009). La maison INCAS comprend 98 m² habitables répartis sur deux niveaux (Figure 5.5.3). Avec 34% de la surface vitrée orientée sud, l’exposition du bâtiment est étudiée dans le but de profiter au maximum des apports solaires gratuits. Figure 5.5.3 : La maison INCAS – Aperçu (Brun et al., 2009) D’un point de vue aéraulique, le modèle est constitué de deux zones indépendantes, l’une correspondant au rez-de-chaussée, l’autre correspondant à l’étage (Figure 5.4). Figure 5.4 : La maison INCAS – Géométrie L’investissement dans une technologie aussi sophistiquée qu’un stockage thermique de longue durée paraît difficilement concevable sans consentir au préalable des efforts au niveau de l’isolation thermique du bâtiment, afin de réduire sa consommation énergétique. En partant de ce constat, l’étude s’est naturellement dirigée vers un bâtiment économe en énergie de type Bâtiment à Basse Consommation (BBC). Mis en avant par le Grenelle de l’Environnement comme objectif d’ici 2012 pour les bâtiments neufs, le label BBC correspond à un ensemble d’exigences réglementaires définies par l’arrêté ministériel du 8 mai 2007. Conformément à la Règlementation Thermique 2005 (RT 2005), ce label est définie par une consommation conventionnelle d’énergie primaire du bâtiment inférieure ou égale à ( ) -2 1 50 kWh.m .an− a + b . Cette consommation, comprenant le chauffage, le refroidissement, la ventilation, la production d’Eau Chaude Sanitaire (ECS) et Chapitre 5 : Dimensionnement du stockage thermochimique pour le Bâtiment Basse Consommation Thèse de Stéphanie Hongois – Institut National des Sciences Appliquées de Lyon – 2011 151 l’éclairage des locaux, est pondérée selon les régions, à l’aide du coefficient de rigueur climatique a et d’un coefficient b, traduisant l’influence de l’altitude.

Composition des parois

 La composition des murs, des planchers et des plafonds du bâtiment est détaillée dans le Tableau 5.1. Les émissivités des parois sont fixées à 0.30 et les coefficients d’absorption (intérieurs et extérieurs) à 0.60. Un accent fort est mis sur l’isolation, avec une couche d’isolant de 20 cm d’épaisseur sur les murs extérieurs, 25 cm sur le plancher du rez-de-chaussée et 40 cm au niveau du plafond des combles