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Serre ISW Waedenswil avec stockage de chaleur par tubes enterrés : analyse énergétique
HOLLMULLER, Pierre, LACHAL, Bernard Marie, SOUTTER, Constantin
HOLLMULLER, Pierre, LACHAL, Bernard Marie, SOUTTER, Constantin. Serre ISW
Waedenswil avec stockage de chaleur par tubes enterrés : analyse énergétique. 1999
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Centre universitaire d’étude des problèmes de l’énergie
Serre ISW Waedenswil
avec stockage de chaleur par tubes enterrés:
Analyse énergétique
1
1. Cadre
Cette étude d'une serre horticole à stockage de chaleur par hypocaust se base sur des mesures transmises par l'école d'ingénieurs de Waedenswill. Ces mesure, effectuées sans suivi scientifique et regroupées sur un ensemble de fichiers séparés, ont été enregistrés depuis mars1994 par l'automate de régulation. C'est après coup qu'il nous a été demandé d'analyser, à l'aide de ces mesures, le fonctionnement du stock et de la serre en général.
2. Description de la serre
Il s'agit d'une serre horticole (culture hors-sol de tomates) de 206 m2. L'hypocaust, d'une surface d'échange totale de 321 m2, est composé de 43 tubes de 16 m de long enterrés à 50 cm sous terre.
Le système d'aspiration de l'air est composé de deux entrées: une à deux mètres pour le déstockage, combinée une seconde au faîte (au dessus de la toile de protection) pour le stockage. Les sorties d'air se font au niveau du sol. Le débit d'air est de 3600 m3/h pour une vitesse d'air d'environ 2 m/s (fig.1).
Figure 1 : description de la serre
3. Mesures
3.1 chaîne de mesure
Nous ne pouvons pas nous prononcer sur la précision des mesures étant donné que nous n'avons pas effectué nous-mêmes l'installation et l'étalonnage des sondes. Cependant:
- Les valeurs d'humidité nous semblent peu fiables et dépassent parfois les 100%, ce qui indique un mauvais suivi des sondes (psychromètres, nécessitant un apport d'eau régulier)
- Les sondes de température du sol ont parfois été déplacées, ce qui les rend inutilisables pour l'estimation des flux échangés par diffusion entre le stock et la serre.
- Le débit d'air n'a pas été mesuré par la régulation. Nous l'avons mesuré après coup et de manière ponctuelle (par mesure sur un quadrillage au niveau des grilles de sortie du puits canadien) et l'avons mis en relation avec les valeurs d'état du ventilateur (on/off), sans pour autant avoir de mesure physique du fonctionnement de ce dernier.
Un précédent rapport donne plus de détails sur la qualité et la mise en forme des mesures [1].
3.2 Fonctionnement sur un jour type
Les figures 2 à 4 montrent le fonctionnement du système sur un jour de mi-saison (5 juin 1997), que l'on peut diviser en quatre phases successives:
- Jusqu'aux alentours de 8 heures le chauffage assure la température minimum de consigne dans la serre. Sauf pour une courte période (refroidissement de la serre lié à la baisse de consigne juste avant 6:00 ), l'écran thermique et les fenêtres restent fermées.
- Dès 8 heures, alors que le soleil se lève, l'écran thermique s'ouvre et la température de la serre augmente jusqu'à atteindre sa consigne maximum, vers 9 heures. Le stockage se met alors en marche.
- Vers midi, alors que la température continue à augmenter malgré le stockage, les fenêtres s'ouvrent complètement pour ventiler la serre.
- Vers 22 heures, alors que la température redescend, le déstockage se met en marche pendant environ deux heures.
On constate que ce fonctionnement à priori correct est en fait tout à fait exceptionnel, puisque d'une part on observe du déstockage sur seulement quelques jours de l'année et d'autre part qu'il arrive fréquemment de stocker en période de chauffage (cf. § 3.3), dysfonctionnement visible également en ce 5 juin 1997. Si le déstockage en fin de journée s'effectue bel et bien en absence de chauffage, il ne s'agit cependant pas d'une substitution puisqu'il a lieu alors que la température de la serre se trouve encore bien au-dessus de sa consigne minimum, ce qui indique un mauvais choix des valeurs attribuées aux paramètres de régulation, qui se cumule à des problèmes intrinsèques au système de régulation (voir [1]). Enfin, le choix d'un très faible écart entre les valeurs minimum (chauffage) et maximum (aération) de la température de consigne réduit la marge de manoeuvre donnée au stockage de chaleur solaire en excès.
Remarquons encore qu'il arrive fréquemment de chauffer la serre tout en ouvrant les fenêtres pour réguler l'humidité de la serre, ce qui semble en parfaite contradiction avec les buts premiers d'une telle expérience.
3
0 5 10 15 20 25 30 35 40
00:00 06:00 12:00 18:00 00:00
degC
0 100 200 300 400 500 600 700 800
W/m2
T. extérieur P. solaire Ecran Fenêtres
Figure 2 : météo et gestion des ouvrants, 5 juin 1997
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80
00:00 06:00 12:00 18:00 00:00
kW P. sensible
P. chauffage
Figure 3 : chauffage et stockage/déstockage, 5 juin 1997
-5 0 5 10 15 20 25 30 35
00:00 06:00 12:00 18:00 00:00
degC , kW vent. on/off
T. faîte T. 2m T. entrée T. sortie P. sensible Cons. min Cons. max Etat vent.
Figure 4 : climat de la serre et échange sensible avec le stock, 5 juin 1997
3.3 Bilan annuel
Suite à notre premier rapport, l'entreprise en charge de la régulation a été approchée pour remédier aux problèmes liés au système de régulation (hardware). Cette intervention n'ayant amené aucune amélioration, nous effectuons le bilan annuel sur la base des mesures récoltées pendant la période de juillet 96 à août 97, mises en forme lors de la première partie de l'étude [1].
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
31 34 37 40 43 46 49 52 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
sem aine
P [kWh/semaine]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
T [°C]
chauffage
stockage intempestif stockage
consigne
Figure 5 : puissances de chauffage (semaine 31 ≡ début juillet 96)
Les valeurs mesurées pour le stockage et le déstockage ainsi que pour le chauffage de la serre nous permettent de constater (fig.5) que le stockage (25 GJ) s'est effectué en plus grande partie (60%) pendant les période de chauffage. A ce stockage intempestif ne s'oppose par ailleurs qu'un très faible déstockage (0.06 GJ), ce qui induit un bilan négatif en période de chauffage (chaleur fossile renvoyée dans le stock).
4. Simulations
4.1 Validation
Afin d'améliorer notre compréhension du système et de cerner des valeurs qui n'ont pas été mesurées (énergies mises en jeu par l'évaporation / condensation, chaleurs diffusées par le sol) nous avons poursuivi notre analyse par simulation numérique, ce qui nous a également permis d'obtenir des données sur ce qu'aurait été un fonctionnement correct de l'hypocauste.
Pour ce faire, nous avons utilisé un outil de simulation développé par notre centre [2]. Ce modèle très complet tient compte à la fois des échanges sensibles (variations de température) et latents (évaporation/condensation) ainsi que des pertes de charge le long des tubes. Il est adapté à TRNSYS (un environnement modulaire pour la simulation des systèmes énergétique).
Une première simulation, basée sur les valeurs mesurées de la température de la serre à 2 mètres et au faîte, de la température et de l'humidité à l'entrée du puits canadien et de l'état du ventilateur de stockage-déstockage, nous permet de valider le modèle par comparaison aux valeurs mesurées (fig.6).
5
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
31 34 37 40 43 46 49 52 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
sem aine
P [kWh/semaine]
stock. mesuré stock. simulé
stock. intempestif mesuré stock. intempestif simulé
Figure 6 : puissances mesurées et simulées
4.2 Résultats de trois cas simulés
a) Cas de base: simulation du cas réel
La simulation de base explicitée ci-dessus nous permet également (fig.7a) de compléter le bilan énergétique du stock et de la serre, ceci en période de non-chauffage (diurne) et de chauffage (nocturne).
Les simulations nous permettent d'obtenir, en plus des puissances sensibles, les puissances latentes (évaporation / condensation) et diffusives (vers la serre et vers le sous-sol) qui n'avaient pas été mesurées.
Le bilan annuel du stock fait apparaître les chaleurs sensibles et latentes ainsi que diffusives vers la serre et vers le sous-sol (pertes).
b) simulation sur un algorithme correct
Afin de cerner ce qu'aurait pu amener un système correctement réglé (fig. 7b), nous avons en un second temps simulé le comportement du stock avec un algorithme de régulation simplifié (stockage/déstockage uniquement hors/en période de chauffage, pour un écart de température serre/sol d'au moins 0.5 K) et une prise d'air pour le stockage qui s'effectue uniquement au faîte.
c) simulation d'une serre témoin
La simulation d'une serre témoin (fig. 7c), sans hypocauste, nous donne enfin les références énergétiques nécessaires pour étudier l'apport réel du système étudié.
Le bilan énergétique de la serre a dans l'un et l'autre de ces cas été complété en assumant des pertes identiques par l'enveloppe.
5. Analyse
Le stockage intempestif constaté dans la situation réelle (7a 14.7 GJ/an) augmente la température du stockage. Conjuguée à l'absence de déstockage actif, cette élévation de température augmente les pertes par diffusion depuis le bas du stockage : 14.8 GJ/an contre 13.7 GJ/an dans le cas d'une
"régulation correcte" (7b) et 12.4 GJ/an dans une serre sans stockage (7c).
Concernant la diffusion de chaleur depuis le stockage vers la serre, seule la partie qui est diffusée en période de chauffage est utile, alors que la quantité diffusée en période de non chauffage est inutile.
Pour la serre "réelle" (7a), la diffusion "nocturne" est plus importante que la diffusion "diurne" (6.4 GJ/an contre 4.6 GJ/an) mais constitue la seule restitution de chaleur du stock puisque le déstockage actif n'a pas fonctionné.
Par rapport à la serre témoin sans stock (7c), qui perd par diffusion en période de chauffage 7.9 GJ/an, le gain réel de déstockage passif (7a) en période de chauffage vaut 14.3 GJ/an, valeur identique au stockage intempestif (14.7 GJ/an). Ceci explique pourquoi la serre mesurée ne consomme ni plus ni moins de chauffage que si elle n'avait pas eu de système de stockage.
Si le système de stockage avait parfaitement fonctionné, la situation aurait été très différente:
- Le stockage actif aurait plus que doublé, du fait de la température plus basse du stockage (pas de stockage intempestif et déstockage actif de la chaleur).
- Le déstockage actif serait devenu effectif (12.7 GJ/an).
- La baisse de température du stock aurait diminué à la fois les pertes de celui-ci vers le bas et vers le haut en période de chauffage, ce qui correspond à une diminution des gains pour la serre par diffusion. On observe également que le stock aurait été plus actif (diffusion vers le haut positive en période de non chauffage négative en période de chauffage).
- Les flux de chaleur latente deviendraient significatifs sans pour autant constituer un enjeu important. L'égalité entre condensation et évaporation vient du fait que l'on a considéré l'eau condensée comme adsorbée à la surface des tubes et n'ayant pas le temps de s'écouler [3]. Il ne faut pas perdre de vue que 0.1 mm d'eau à la surface des 321 m2 de tubes correspond déjà à 32 litres adsorbés.
- Globalement, si le système avait fonctionné correctement, il aurait permis d'économiser 16.1 GJ/an soit 78 MJ/m2 (5% de la consommation). Cette valeur est inférieur à celle obtenue à Géoser pour les raisons suivantes:
• climat valaisan plus favorable en hiver
• températures de consigne différentes
• meilleure gestion thermique des serres (à Géoser, l'écart entre température de consigne de chauffage et température de consigne de ventilation était plus grand)
• stratification horizontale du stockage présente à Geoser [3]
Chauffage 301.8 [GJ/an]
diurne 4.6 [GJ/an]
gains enveloppe
6.4 [GJ/an] pertes enveloppe
293.5 [GJ/an]
nocturne 6.4 [GJ/an]
diffusion
a) cas réel
chauffage stockage déstockage
stockage intempestif stockage latent
MJ/m2
1465 53 0 71 2
7
pertes du stock 13.7 [GJ/an]
Déstockage 12.7 [GJ/an]
Chauffage 285.7 [GJ/an]
diffusion
Condensation 3.9 [GJ/an]
Stockage 27.0 [GJ/an]
Evaporation 3.9 [GJ/an]
gains enveloppe 21.4 [GJ/an]
pertes enveloppe 293.5 [GJ/an]
diurne 5.5 [GJ/an]
nocturne 4.9 [GJ/an]
b) régulation correcte
chauffage stockage déstockage
stockage intempestif stockage latent déstockage latent diff. vers serre diurne diff. depuis serre nocturne pertes enveloppe
gains enveloppe
MJ/m2
1387 131 62 0 19 19 27 24 1425 104
Chauffage 301.3 [GJ/an]
gains enveloppe 4.5 [GJ/an]
diffusion
pertes enveloppe 293.5 [GJ/an]
Diurne 4.5 [GJ/an]
Nocturne 7.9 [GJ/an]
Pertes du stock 12.4 [GJ/an]
c) serre sans stockage
chauffage
diff. depuis serre diurne diff. depuis serre nocturne pertes enveloppe
gains enveloppe
MJ/m2
1463 22 38 1425 22
Figure 7 : bilan énergétique de la serre et du stock pour plusieurs configurations
6. Conclusion
Le fonctionnement du système mesuré n'est pas optimal (absence de déstockage actif). La simulation a permis de constater qu'un déstockage actif aurait permis un gain d'énergie d'environ 5%. Ceci est inférieur au 12% obtenus à Géoser; fait qui peut être attribué principalement au climat valaisan plus favorable ( ensoleillement hivernal très élevé) et à la différence d'exploitation en général. Ce travail a montré une nouvelle fois l'importance d'une bonne mise en service des appareillages, sous peine de résultats très décevants.
7. Références
1. Serre solaire ISW Waedenswil : analyse du fonctionnement mars 94 - juillet 97, Hollmuller P., Soutter C., Lachal B., Rapport de travail, CUEPE - Université de Genève, 1998.
2. TRNSYS compatible moist air hypocaust model, Hollmuller P., Lachal B., Final report, CUEPE - Université de Genève, 1998.
3. Stockage de chaleur : résultats de Geoser, Lachal B., Hollmuller P. Gil J., recueil des exposés du colloque GEOSER, ENET, 1996.
