GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE

ANNEXES

Etude du comportement thermique d’un échangeur géothermique compact de type corbeille

Projet de fin d’étude réalisé au BRGM dans le département géothermie

Par Charlotte Becmeur

Tuteur : JJ. Lenotte

Structure d’accueil : BRGM département GTH, Orléans

Responsable entreprise : A. Vrain

MAI 2011

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Annexe 1 : Plate-forme experimentale pour les échan geurs géothermiques : zone ECLIPSE

1. Synthèse introductive La Plate-forme expérimentale du BRGM à Orléans a pour objectif d’étudier les différents types d’échangeurs géothermiques existants sur le marché. Les fonctionnalités générales sont les suivantes : o Simuler toutes les pompes à chaleur et tous les bâtiments raccordés à la géothermie o Maitriser tous les paramètres des échangeurs horizontaux, des sondes géothermiques verticales (SGV) et des échangeurs novateurs compacts o Comparer les performances des solutions novatrices avec celles des échangeurs de référence (horizontaux ou verticaux) o Développer les moyens d’investigation et la métrologie pour acquérir les connaissances o Proposer des outils aux chercheurs, bureaux d’études, installateurs et industriels pour reproduire les comportements de toutes les pompes à chaleur et de tous les bâtiments, un dispositif thermodynamique permet d’exploiter différents modes de régulation agissant sur les débits (entre 0 et 5 m³/h) et températures (entre -10°C et +40°C). Ce dispositif pilote des échangeurs géothermiques de référence horizontaux et des verticaux de même que la zone des échangeurs innovants dits "compacts" : Zone ECLIPSE.

Figure 1 - Vue conceptuelle des échangeurs géothermiques de référence de la plate-forme.

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Figure 2 - Répartition des implantations des zones expérimentales sur la plate-forme

2. Zone ECLIPSE

2.1 Présentation Sur la base d’une comparaison avec les échangeurs de référence (horizontaux ou verticaux), la zone ECLIPSE a pour objet de caractériser la performance énergétique des systèmes "Sol + Echangeurs Compact" en fonction des sollicitations thermiques : o Niveau de température / puissance o Fréquence & cycles des sollicitations o Nature des matériaux (tubes et remplissage) o Aptitude au stockage temporaire (déphasage thermique) ou inter-saisonnier En base, les expérimentations sur les échangeurs compacts sont envisagées pour une puissance nominale de moins de 2.5 kW ; la puissance unitaire d’un échangeur compact étant généralement inférieure à kW en utilisation continue. Cela signifie que les tests porteront sur des ensembles d’échangeurs compacts ou sur des modes de sollicitation pouvant, sur des durées courtes, dépasser significativement la puissance nominale de l’échangeur enterré. Ce cas peut, par exemple, se rencontrer lors d’un couplage avec des panneaux solaire thermiques dans des applications de stockage périodique de courte durée. Sur le principe, trois familles d’échangeurs devraient être testés sur la Zone ECLIPSE ; chacune des expérimentations pouvant comporter des tests sur plusieurs sous-ensembles et à différentes profondeurs.

2.2 Descriptif technique La zone ECLIPSE, consacrée aux échangeurs innovants compacts, est localisée à proximité de la halle technique et des installations communes de la plate-forme expérimentales du BRGM. Un local technique (chalet de 20 m²) est pré-équipé d’une machinerie thermodynamique pour réguler du chaud ou du froid dans une boucle primaire ; un échangeur devant être installé pour fin 2010 / début 2011. Les trois techniques d’échangeurs compacts qui pourraient être testés sur la zone ECLIPSE de la plate-forme expérimentale soit les suivantes :

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1. Spirales ou corbeilles (déjà installées) 2. Micro-pieux métalliques (en projet) 3. Sondes géothermiques inclinées implantées en "parapluie" (en projet)

Figure 3 : Schéma conceptuel d’implantation des échangeurs sur la zone ECLIPSE

Figure 4 - Vue d’avion du secteur d’implantation de la zone ECLIPSE avant travaux.

2.3 Echangeurs de type "Spirales / Corbeilles" inst allé sur la zone ECLIPSE Sur la zone ECLIPSE, des échangeurs compacts de type "spirale" ont été enterrés avec comme objectifs d’étudier essentiellement : 1. L’incidence de la profondeur d’enfouissement 2. L’incidence du mode de sollicitation (cycles, puissances, …) 3. L’incidence du mode de raccordement Les échangeurs compacts implantés à Orléans sont des sondes en PEHD de type PE-Xa, de marque commerciale HELIX et fabriquées par REHAU en Allemagne. Ils résistent à des niveaux de température supérieurs à 70°C et peuvent donc être couplés à des panneaux solaires thermiques (non programmé pour l’instant). Le montage expérimental comprend des sondes HELIX standard de REHAU (en PE-Xa) et une sonde en cuivre de même géométrie fabriquée par le BRGM : o Une sonde HELIX enterrée entre -1m et -4m o Une sonde en cuivre identique à la sonde Hélix enterrée entre -1 m et -4 m

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o Un ensemble de deux sondes HELIX enterrées à -1m et -4m & -4m et -7m o Un ensemble de trois sondes HELIX à -1m et -4m, -4m et -7m & -7m et -10m Le schéma ci-après présente le principe général d’implantation des sondes dans le sol et les raccordements (série ou parallèle) qui contrôlés par un jeu de vanne et des collecteurs à installer dans le chalet. Chaque sonde pourra fonctionner séparément des autres.

Figure 5 : Schéma de principe du circuit hydraulique pour les échangeurs Hélix

Figure 6 : Jeu de vannes autorisant la circulation série ou parallèle dans les 2 sondes HELIX

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Figure 7 : Sonde en cuivre de type « Spirale » réalisée par le BRGM

3. Implantation des échangeurs compacts de type "Spirale"

3.1 Mise en place des sondes HELIX en PE-Xa et en C uivre La réalisation des corbeilles REHAU se déroule en plusieurs étapes :

3.1.1 Déploiement des échangeurs compacts à la prof ondeur de 3 m REHAU livre ses corbeilles HELIX compactées sur 1 m. Celles-ci doivent être déployées sur une hauteur de 3 m ; cette hauteur étant limitée par des sangles qui maintiennent également l’intervalle entre les spires. Un film biodégradable assure un maintien suffisant pour une mise en place en vue d’une utilisation conventionnelle mais insuffisant pour permettre l’ajout d’une métrologie scientifique, mesure précise de la température notamment. Un support en bois de 3.20 m a donc été ajouté à l’intérieur de la spire. Des colliers type Colson sont placés tous les 2 spires de telle façon à fixer les conduite sur le support en bois.

Figure 8 : Vue de la préparation des sondes HELIX

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3.1.2 Déploiement des échangeurs compacts aux profo ndeurs de 6 m et 9 m La sonde de 6 m est composée de 2 unités de 3 m. Elles sont accrochées l’une à l’autre par l’intermédiaire des supports en bois.

Figure 9 : Vue des sondes HELIX de 3m et de 6m instrumentées

La corbeille de 9 m est composée quant à elle de 3 corbeilles de 3 m fixées également par les supports en bois. L’image ci-dessous illustre la mise en place des câbles optiques qui permettent la mesure de la température par effet RAMAN : Distributed Température Sensing (DTS). Cette technique procure une valeur de la température par mètre de câble avec une résolution thermique meilleure que 0.5°C.

Figure 10 : Différentes vues sur la corbeille de 9 mètres

3.2 Réalisation de la sonde en cuivre de 3 m Cette sonde a pour objet d’identifier les différences de comportement qui dépendent de la matière en contact avec le sol. Une sonde de géométrie rigoureusement identique à une sonde HELIX en PE-Xa a donc été confectionnée dans les ateliers du BRGM. Les équipements, matériels et outillage sont les suivants : o 2 x 25 mètres de tuyaux cuivre de diamètre 25 mm et raccords cuivre o Sable fin et sec pour éviter l’écrasement lors du cintrage

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o Liteaux en bois o Disque métallique de diamètre 38 cm, rainuré (25 mm) pour le cintrage du tube en cuivre

Figure 11 : Fabrication de la sonde en cuivre similaire à une sonde HELIX

3.3 Mesure des températures par les fibres optiques Il est indispensable de connaître la température du sol avec précision et en de nombreux points, cela en perturbant le moins possible le milieu mesuré. De ce fait, il est difficile d’envisager un grand nombre de capteurs qui imposerait un grand nombre cde câbles pouvant perturber les caractéristiques thermiques du sol et/ou des sondes géothermiques. La mesure est donc effectuée en exploitant l’effet RAMAN dans les fibres optiques en verre (fibre de télécommunication). Cette technique procure, toutes les deux minutes, une valeur de la température par mètre de câble avec une résolution thermique que 0.5°C.

Figure 12 : Câbles optiques installés sur la plate-forme du BRGM

Une fois la corbeille déployée sur les 3 m, une un câble optique est fixé à l’intérieur comme visualisé par la figure ci-dessous. Le câble est déployé le long de deux génératrices opposées. Le câble est délicatement courbé à l’extrémité pour éviter tout risque de détérioration et de perturbation de la qualité de la mesure.

Figure 13 : schéma de l’équipement d’une sonde en fibres optiques

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Figure 14 : Vue intérieure de la corbeille instrumentée

3.4 Mise en place des sondes HELIX Les sondes ont été enterrées le long d’un grillage bordant un chemin au milieu duquel sont enfouis les fourreaux techniques (hydraulique, électrique et métrologie) reliant la zone ECLIPSE aux installations communes de la plate-forme expérimentale du BRGM. Les sondes ont été implantées au fond d’une tranchée technique de 1 m de profondeur et de 0.6 m de largeur, dans laquelle des fourreaux de 110 mm seront enterrés pour assurer la liaison hydraulique et métrologique entre les corbeilles et le chalet ECLIPSE. La première étape du terrassement est de réaliser cette tranchée au godet de 0.6 m. Les sondes sont descendues dans des trous cylindriques réalisés à la tarière au fond de la tranchée. Le sol, essentiellement constitué de sable rouge, était de très bonne tenue. A noter que les sondes ont pu être implantée avec du matériel conventionnel jusqu’à 7 m de profondeur (soit deux sondes HELIX superposées) ; c'est-à-dire avec une pelleteuse équipée d’un moteur hydraulique et d’une tarière de 600 mm. Pour les profondeurs supérieures, la sondeuse du BRGM a du être mise à contribution. Les vues ci-dessous montre comment, une fois la tranchée creusée, sont forés les trous à la tarière de 600 mm adaptée au bout du bras de la pelleteuse puis mises en place les sondes : o deux forages à -4 m pour les sondes de 3 m (une en PE-Xa et une en cuivre) o un forage à -7 m pour l’ensemble de deux sondes superposées de 6 m

Figure 15 : Forage de 7m avec un diamètre 600 mm à la mini-pelle

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Figure 16 : Mise en place des corbeilles géothermiques

Les vues ci-dessous montre comment a été implanté l’ensemble de 3 sondes superposées à l’aide de l’atelier de sondage du BRGM, équipé d’une tarière de 500 mm de chez DATC, pour forer le trou entre -1 m et -10 m de profondeur.

Figure 17 : Réalisation du forage de 9m

A noter que les sondes HELIX, originaires d’Allemagne, sont rarement superposées pour des raisons de simplicité de mise en place et de disponibilité d’engins équipés pour forer à coût acceptable au-delà de -4 m de profondeur.

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Figure 18 : Extrait de la brochure REHAU-HELIX

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Figure 19 : Schéma de principe des raccordements de la zone ECLIPSE

Annexe 2 : Compléments des résultats d’experiences(graphiques non présentés dans le rapport)

1. Essai 1 : Cuivre Plastique

Figure 1 Ecarts de température au court du cycle de chauffe dans les corbeilles cuivre et x1

Compléments des résultats d’experiences(graphiques non présentés dans le rapport)

: Cuivre Plastique

Ecarts de température au court du cycle de chauffe dans les corbeilles cuivre et x1

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Compléments des résultats d’experiences (graphiques non présentés dans le rapport)

Ecarts de température au court du cycle de chauffe dans les corbeilles cuivre et x1

2. Essai 3 : Série Parallèle

Figure 2 Evolution des températures départ et retour des deu x corbeilles en parallèle

: Série Parallèle

Evolution des températures départ et retour des deu x corbeilles en parallèle

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Evolution des températures départ et retour des deu x corbeilles en parallèle

Figure 3 Evolution des écarts de températures entre le dépar t et le retour de la corbeille

Evolution des écarts de températures entre le dépar t et le retour de la corbeille

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Evolution des écarts de températures entre le dépar t et le retour de la corbeille

3. Essai 4 : Alignés Empilés

Figure 4 Evolution des températures au départ et au retour de s corbeilles pour le cas des corbeilles alignées

: Alignés Empilés

Evolution des températures au départ et au retour de s corbeilles pour le cas des corbeilles

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Evolution des températures au départ et au retour de s corbeilles pour le cas des corbeilles

Figure 5 Evolution des températures au départ et au retourempilées

Evolution des températures au départ et au retour des corbeilles pour le cas des corbeilles

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des corbeilles pour le cas des corbeilles

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Annexe 3 : Bibliographie des modélisations de corbe illes géothermiques

� Projekt Handbuch Erdwärmekörbe, Geowatt AG, Simone Bassetti Ernst Rohner, 2005

Une simulation de corbeilles géothermiques a été réalisée en trois dimensions par éléments finis. La simulation numérique a été réalisée à l’aide du logiciel FRACTure (Kohl and Hopkvik, 1995). Le régime est supposé stationnaire. Le modèle est un cylindre dont la longueur de la corbeille est de 2 m, le rayon de 25 cm, la profondeur de 1,5 m. Le modèle est allongé jusqu’à 100 m dans les directions verticales et horizontales. Le maillage est plus fin aux alentours de la corbeille. La température de surface varie chaque mois, le flux est supposé constant d’une valeur de 0,09 W/m² et la puissance extraite varie pour chaque mois. Le début de la simulation est fixé en septembre, et la durée est de 5 années de fonctionnement.

� Bewertung und optimierung oberflächennaher Erdwärme kollektoren für verschiedene Lastfälle, Klaus Ramming, 2007

Le flux de chaleur arrivant sur la surface supérieure de la corbeille est considéré comme un flux quasi stationnaire. La surface supérieure de la corbeille est modélisée comme un hémisphère. La surface du sol est supposée isotherme. Un facteur de forme est associé à cette surface, qui prend en compte le flux de chaleur oblique venant du haut :

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� = � × ���1 − ���2 �� − ��2 �

Le flux de chaleur est instationnaire pour les autres surfaces, et est supposé radiale symétrique pour les surfaces latérales. La surface inférieure est également modélisée comme un hémisphère. Comme les surfaces supérieure et inférieure modélisées comme des hémisphères ont une surface plus grande que les réels, la longueur de la corbeille doit être diminuée par un rapport : ∆ �� = ���2 Deux conditions limites pour les flux instationnaires sont à différencier. La première considère une puissance constante, et permet de décrire l’évolution de la température de l’hémisphère de la surface supérieure :

∆���� = ����� × ��� × ��1 − 1√� � ����4 × � × ∆���� + 16√� � ����4 × � × ∆��

� −⋯"

� Seasonal thermal energy storage in unsatured soils, Christine Doughty, Aharon Nir, and Chin-Ftr Tsang, 1991

Etude d’un champ de corbeille géothermique pour le stockage solaire saisonnier. L’échangeur considéré est de type corbeille, avec un diamètre de 1 m, en tube polybutylène de diamètre 3,2 cm. La corbeille est placée à 4 m de profondeur, de hauteur 12 m, avec un espacement entre chaque corbeille de 6 m. Le sol est considéré insaturé, avec une température initiale de 24 °C. Il est considéré qu’il n’y a pas de circulation de fluide dans le sol. Les transferts de chaleur ne s’effectuent que par conduction. La température est supposée uniforme dans le sol, et la température initiale du sol et de l’échangeur est T0. La corbeille est modélisée comme un conduit cylindrique de rayon intérieur ri= 0,4923 m et de rayon extérieure re=0,5 m. Le fluide dans le conduit est modélisé comme un flux vertical incompressible, qui ne varie pas dans l’anneau. La géométrie est axisymétrique. L’équation gouvernant le flux de chaleur dans le sol est comme suit :

#$ %&$%� − 1' %%' ��$'%&$%' � − %%� ��$ %&$%� � = 0

L’équation gouvernant les flux de chaleur dans la corbeille :

#)�*'+� − ',�-%&)%� − 2��$ �'+ %&$%' + ', %&$%' � − #).) %&)%� = 0

La modélisation est en deux dimensions, axisymétrique. Le maillage est réalisé de la surface du sol jusqu’à 50 m en vertical, et de 0 à 3 m dans la direction radiale. Le maillage est fin à proximité du cylindre, c'est-à-dire lorsque z est compris entre -16 et -4 m et pour r = 0,5 m. Pour la résolution de ce problème, un code ordinateur PT (Bodvarsson, 1982) développé par LBL, qui utilise la méthode aux différences finies, est utilisé.

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� Thermal analysis of a helical heat exchanger for gr ound thermal energy storage in arid zones, Rabin Korin, 1995

� Incorporation of phase change materials into a grou nd thermal energy storage system, Rabin Korin, 1996

Le modèle est à deux dimensions, axisymétrique et semi-infini dans la direction verticale. Le sol est supposé non saturé, avec des propriétés thermiques constantes en fonction de l’espace. L’effet de l’humidité est négligé. L’équation de chaleur dans le sol est comme suit : %²&$%'² + 1' %&$%' + %²&$%�² = 10$ %&$%�

Conditions initiales et conditions limites : - Ts(z,r,0)=Ts0(z)

- 12314 ��, 0, �� = 0

- 12316 ��7, ', �� = 0

- 12314 ��, 8, �� = 0

- 9$ 12316 �0, ', �� = .$:4;<=+ Les transferts de chaleur par convection dans le fluide et par conduction dans le tuyau sont négligeables. Le seul transfert considéré est celui par conduction dans le sol. Equation de chaleur dans le fluide :

�> 9$ %&%'∗ A�∗�B7 = CD #E; %&;%�∗

Conditions initiales et conditions limites le long du tuyau : - &;��∗, 0� = &$7��� - &;��∗, �� = &$��∗, �, �� - &;�0, �� = &;,FG+H��� - Transformation des coordonnées � = I� − 6∗J�BKL