Modélisation et simulation du comportement d’un système de stockage intersaisonnier de chaleur par un champ de sondes géothermiques couplé à des panneaux solaires thermiques

Nolwenn Le Pierrès1,⋆^{1,\star}, Bernard Souyri1^{1}, Joanna Fierri1^{1}, Amadou Oumarou1^{1}
⋆^{\star} : nolwenn.le-pierres@univ-smb.fr
1^{1} laboratoire LOCIE - CNRS-USMB
Mots clés : solaire thermique, pompe à chaleur, géothermie, couplage
Résumé :

L’utilisation de pompes à chaleur (PAC) couplées à des sondes géothermiques pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire (ECS) des bâtiments peut entrainer une décharge thermique du sol, en fonction du soutirage de chaleur et du dimensionnement du champ de sondes par rapport aux besoins du bâtiment. Cette décharge du sol engendre une moindre performance de la PAC, voire des risques de gel localisé du sol. Une solution pour recharger le sol est de faire fonctionner la PAC également en mode rafraîchissement lors de la saison estivale, mais cette solution n’est pertinente que si les prélèvements géothermiques hivernaux sont du même ordre de grandeur que la recharge estivale. Une autre option envisageable est l’utilisation de capteurs solaires thermiques, qui permettent la production d’ECS et, lors d’excédents de la ressource solaire en été, cette recharge thermique du sol.

L’étude du couplage solaire thermique - PAC - sondes géothermiques est illustré sur l’exemple d’un groupe scolaire situé à Annecy de 4 107 m² de zone chauffée modélisé à l’aide de TRNSys. Pour répondre aux besoins de chauffage du bâtiment, l’énergie géothermique est exploitée grâce à 18 puits de 100 m de profondeur et de 15 cm de diamètre chacun. Chaque puits est espacé de 6 m. Les sondes géothermiques sont assistées par une PAC d’une puissance nominale de 138 kW. Les besoins en ECS sont assurés par 78 m² de capteurs solaires sous vide et un appoint PAC et électrique.

Le fonctionnement du procédé connecté au bâtiment a été simulé à partir des conditions de fonctionnement réelles. Une validation des résultats de simulation par comparaison à des campagnes de mesures a pu être réalisée sur ce système, suivie de l’exploitation du modèle pour évaluer différentes stratégies de fonctionnement.

Les besoins en chauffage du bâtiment et en ECS sont largement satisfaits par le système, avec un soutirage de chaleur du sol de 48 MWh/an. Le système permet au sol de se recharger suffisamment grâce à l’injection de 44 MWh de chaleur solaire via les sondes géothermiques, la différence étant couverte par la recharge naturelle du sol par rayonnement solaire direct.

Le préchauffage solaire de l’ECS peut en revanche être défavorisé, si la stratégie de contrôle adoptée en période estivale est réglée pour favoriser la recharge thermique du sol. Par contre, une gestion privilégiant mieux la production d’ECS peut être mise en œuvre sans engendrer de dégradation majeure des performances du système ni de diminution de la température du sol, et permet des économies énergétiques et financières sur la consommation de l’appoint.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-075

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