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Serso, stockage saisonnier solaire pour le dégivrage d`un pont

1. 15 5 8 Diam tre des sondes g othermiQues nn 16 5 9 Isolation du pont et espacement des Serpentis ee eee eeeeeeee tenes reenn nenene 17 5 10 Caract ristiques du syst me optimal pour le projet Serso n 18 6 Optimisation du syst me pour diff rents sites mines 19 6 1 Introductionia c aiar rei 19 6 2 Syst me simul Serso D rlingen nn 20 6 3 Syst me simul Faido urli ia iaia 22 6 4 Syst me simul Wasser nd dede dt Re tn OUR 24 6 5 Syst me simul a Zur a een denses 26 6 6 Syst me simul Stockholm san Renee 28 6 7 zSynihes amp desresull ls aunensesekeeke eu II 30 7 Sensibilit aux param tres thermiques du terrain 32 7 1 Sensibilit la conductivit thermique du terrain 32 7 2 Sensibilit la temp rature initiale du terrain 244444444444n nn nnnnennnnnnnennnnnnnnnnnn 33 7 3 Sensibilit la capacit thermique volumique ii 34 7 4 Sensibilit l coulement de l eau souterraine i 35 8 Conclusions aaa a Ee Re mS ere ee ee ere 38 9 Remerciementsi ae 38 UO References A 39 Annexe 1 Simulation du stockage de chaleur dans le terrain de l installation Serso et calibrage sur deux ans de mesure Annexe 2 Simulation du syst me complet et calibrage sur les mesures Annexe 3 BRIDGESIM a simulation tool for the system design of bridge heating for ice prevention
2. 120 O1 oO 100 N Tsurface pont lt 0 C 80 Ochauffage Longueur totale sondes 60 4 500 6 000 et 7 500 m W oO Critere de temperature Kh a S 5 Energie de chauffage MWh an 10 100 120 140 160 180 200 Profondeur des sondes geothermiques m Figure 5 4 Sensibilit du crit re de temp rature et de l nergie thermique annuelle inject e dans le pont Qchau la profondeur des sondes Leur profondeur est vari e tout en maintenant la longueur totale des sondes constante Pour une longueur totale des sondes donn e l influence de la profondeur n est pas d cisive entre 100 et 200 m L influence devient plus faible pour une longueur de sonde plus grande Les calculs ont t fait avec un gradient g othermique de 25 K par kilom tre 14 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique o sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN 5 7 Resistance thermique des sondes g othermiques Dans cette section l influence de la r sistance thermique est valu e sur la longueur totale des sondes g othermiques Tous les calculs ont t ex cut s avec une valeur de r sistance thermique pour les sondes g othermiques de 0 12 K W m Avec le programme EED Earth Energy Designer Hellstr m and Sanner 2000 cette valeur de r sistance thermique a t
3. NT ype 20 heat rate to outside surface temperature of wall 2 including convection to outside air and long wave radiation to sky NT ype 20 long wave radiation losses to sky of wall 1 outside surface NT ype 83 long wave radiation losses to sky of wall 2 outside surface NT ype 83 absorbed solar radiation on wall 1 outside surface NT ype 22 absorbed solar radiation on wall 2 outside surface NT ype 22 Input and output variables defined in BREBID for the simulation of the bridge with the TRNSYS TYPE 56 model The simulated heat rate transferred from the fluid to the bridge is the sum of output 4 and output 5 QSER A3 30
4. la probl matique des pieux changeurs et nomm TRNVDSTP Pahud et al 1996 Cette derni re version est utilis e pour la simulation du stockage de Serso puisqu elle permet en plus de toute les fonctionnalit s que poss de les autres versions de tenir compte de l influence thermique des raccordements hydrauliques entre les forages et de pouvoir estimer l influence d un mouvement r gional de l eau souterraine dans une couche horizontale de terrain Le programme de simulation de syst me thermique TRNSYS 15 Klein S A et al 2000 est donc naturellement choisi pour simuler le stockage comme partie int grante d un syst me thermique Le modele de calcul DST a d j t largement utilis et valide par le pass Pahud 1993 Hellstr m et Nordell 1988 La m thodologie suivie pour d finir les param tres de calcul est la m me que celle qui a t d velopp e pour la simulation de syst mes avec pieux changeurs Fromentin et al 1997 Elle se base essentiellement sur des parametres physiques qui permettent de tenir compte des processus thermiques les plus influents Le modele de stockage TRNVDSTP est utilis pour Serso avec la m me configuration que celle qui a t impl ment e dans PILESIM Pahud 1999 Pour information PILESIM est un outil de simulation dynamique d une installation de chauffage refroidissement avec pieux changeurs A1 2 Mesures effectu es sur le stockage Les mesures disponibles pou
5. Serso D rlingen 7 2 Sensibilit a la temp rature initiale du terrain La temp rature moyenne initiale du terrain peut tre plus lev e ou plus basse en fonction du gradient g othermique et de la temp rature du terrain vers la surface En partant de l hypoth se que la temp rature du terrain vers la surface est conditionn e par les conditions m t orologiques et reste invariable pour un lieu d termin le gradient g othermique est vari de facon a ce que la temp rature moyenne du terrain sur les 150 premiers m tres varie par pas de 1K Dans la figure 7 2 le critere de temp rature est montr en fonction de la longueur de sonde pour 3 valeurs de temp rature moyenne initiale du terrain 10 9 11 9 et 12 9 C 40 160 35 140 m T g Z 30 Crit re Tsurface pont 120 E 05 m Energie de chauffage 100 5 p T F 20 Temp rature moyenne initiale du so 5 terrain 10 9 11 9 et 12 9 C F 15 60 o D D 10 40 5 Q 5 Profondeur des 20 sondes 150 m 0 0 20 30 40 50 60 70 80 Nombre de sondes Figure 7 2 Sensibilit du crit re de temp rature a la temp rature initiale du terrain pour le syst me de reference simul Serso D rlingen 33 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique o sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d
6. Les pertes thermiques du stockage ont pour effet de d placer les points sur la droite A l inverse ils seront d plac s a gauche si les pertes thermiques sont en r alit des gains thermiques Lors de l hiver 98 99 l extraction importante de chaleur a eu pour r sultat de sensiblement abaisser la temp rature du stockage si bien que les pertes du stockages ont t r duites a z ro voir invers es Au cours de la d charge du stockage pendant Vhiver 98 99 et de sa recharge le printemps t suivant les pertes thermiques du stockage ont t faibles relativement aux Energies transf r es Cette p riode a l avantage de permettre une estimation directe de la capacit thermique du stockage La r gression lin aire montr e dans la figure A1 1 permet de l estimer environ 100 GJ K La capacit thermique volum trique moyenne du terrain est ensuite d termin e sur la base du volume du stockage valu selon la definition donn e dans la section pr c dente section A1 2 2 Capacit thermique du stockage 102 GJ K Volume du stockage 46 100 m Capacit thermique volum trique du terrain 2 2 MJ m K A1 3 Etablissement des param tres de simulation Les param tres de simulation doivent permettre de caract riser les propri t s thermiques et hydrauliques du terrain ainsi que ceux qui d finissent le stockage sondes g othermiques raccordements hydrauliques horizontaux au sommet des sondes et isolation sur
7. Parti ata PE die conductivit capacit thermique sup rieure Tax pont thermique volum trique 50 mm asphalte 4 0 W mK 2 0 MJ m K 40mm mortier 2 4 W mK 2 4 MJ m K Tube 40mm mortier 2 4 W mK 2 4 Md m K zzy SS x SS x ne 400 mm x dalle en 23 b ton 2 1WimK 2 4 Md m K ee arme 100 mm isolation 0 056 W mK 0 2 MJ m K inf rieure pont Figure A2 2 Coupe transversale du pont avec les couches d finies par leur paisseur et leurs propri t s thermiques pour la simulation du pont A2 2 Mod le de simulation pour le syst me complet Le mod le de pont capteur d givreur est coupl au mod le de stockage diffusif calibr conform ment au sch ma de principe du syst me A2 2 1 Sch ma de principe Le sch ma de principe de l installation est montr de fa on simplifi e dans la figure A2 3 Il est en r alit plus complexe voir Hopkirk et al 1994 m me si cela n a pas d incidence sur le concept du syst me A2 5 pompe de f stock eau circulation 4 4 m pont capteur d givreur 1 300 m espacement des serpentins Do 25 cm stockage diffusif 91 sondes g othermiques de 65 m et espac es de 3 m Figure A2 3 Sch ma de principe simplifi de l installation r alis e La vanne m langeuse permet de limiter la temp rature du fluide qui sort du stockage en p riode de d stockage et ainsi de contr ler la temp rature aller dans les serpentins du pont en hive
8. Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral del nergie OFEN Serso stockage saisonnier solaire pour le d givrage d un pont Ausgearbeitet durch Istituto di Sostenibilit Applicata all Ambiente Costruito ISAAC Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design DACD Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana SUPSI Im Auftrag des Office f d ral de l nergie Novembre 2007 rapport final BFE OFEN a UFE SFOE Auftraggeber Forschungsprogramm Geothermie Bundesamtes f r Energie Auftragnehmer Istituto di Sostenibilit Applicata all Ambiente Costruito DACD SUPSI Autoren Dr Daniel Pahud SUPSI DACD ISAAC Trevano Canobbio Begleitgruppe 2007 Diese Studie wurde im Rahmen des Forschungsprogrammes Geothermie des Bundesamtes f r Energie erarbeitet F r den Inhalt ist alleine der die Studiennehmer in verantwortlich Bundesamt f r Energie BFE Worblentalstrasse 32 CH 3063 Ittigen e Postadresse CH 3003 Bern Tel 031 322 56 11 Fax 031 323 25 00 e office bfe admin ch e www admin ch bfe Vertrieb BBL EDMZ 3003 Bern www admin ch edmz BBL EDMZ Bestellnummer 805 xxx d Impressum Riassunto Il progetto Serso nato dall idea di sbrinare un ponte con l energia solare Ne risulta un concetto che sfrutta uno stoccaggio di calore nel
9. du crit re de temp rature et de l nergie thermique annuelle inject e dans le pont Ochaur la longueur des sondes Leur nombre est vari tout en maintenant leur profondeur 150 m Le principal param tre de dimensionnement du stockage saisonnier est la longueur totale des sondes une fois leur espacement fix La courbe de la figure 5 3 permet de montrer que l influence dun sous dimensionnement est beaucoup plus importante qu un surdimensionnement Cet effet est typique pour un syst me fonctionnement avec des sondes g othermiques Le syst me retenu a donc 40 sondes g othermiques de 150 m de profondeur Ceci donne un rapport de 4 6 m de sonde g othermique pour chaque m tre carr de surface de pont chauff 13 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique o sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN 5 6 Profondeur des sondes g othermiques La profondeur des sondes est vari e de 100 200 m tout en maintenant la longueur totale constante La figure 5 4 permet de montrer la sensibilit du critere de temp rature NTs et de l nergie thermique annuelle inject e dans le pont Qchau la profondeur des sondes Trois courbes sont calcul es chacune pour une longueur totale des sondes fix e 4 500 6 000 et 7 500 m oO N oO Optimum 40 sondes de 150 m ou 4 6 m de sonde par m2 de pont D oO
10. recalcul e en ajustant les param tres de la sonde Une valeur de 0 09 K W m est calcul e en augmentant la conductivit thermique du mat riau de remplissage de 0 8 a 2 0 W mk Ceci correspondrait l am lioration de la r sistance thermique de la sonde en substituant le traditionnel m lange de ciment et de bentonite par un mat riau de remplissage plus conducteur comme on peut en trouver sur le marcher La figure 5 5 permet de montrer la sensibilit du critere de temp rature NTs a la valeur de r sistance thermique des sondes pour les deux cas de figure mentionn s ci dessus Sondes de 15 D oO O1 oO NTsurface pont lt 0 C Crit re de temp rature Kh a gt oO Resistance thermique sonde 20 de 0 12 a 0 09 K W m 10 Nombre de sondes 5 ou 13 longueur 0 10 20 30 40 50 60 70 Nombre de sondes g othermiques Figure 5 5 Sensibilit du crit re de temp rature la r sistance thermique des sondes g othermiques L utilisation d un mat riau de remplissage plus conducteur que le traditionnel m lange de ciment et bentonite permettrait de r duire la longueur totale des sondes g othermiques de 13 ce qui correspond l conomie de 5 sondes de 150m sur les 40 du cas analys Il s agit donc de savoir si le co t suppl mentaire caus par l utilisation du mat riau de remplissage plus conducteur est inf rieur l conomie r
11. A1 2 2 Temp rature moyenne du stockage diffusif L p A1 3 A1 2 3 Capacit thermique du stockage ue p A1 3 A1 3 Etablissement des param tres de simulation pAl 4 A1 3 1 Param tres relats au Stockage nl en eet ne a ee ee pAl 5 A1 3 2 Param tres relatifs au terrain ss eee pAl 6 A1 3 3 Conditions initiales ees s i itiststsSs p A1 7 A1 4 Comparaison simulation mesure ssi ale pAl 8 A1 5 Conclusion p A1 13 R f rences p A1 13 A1 Simulation du stockage de chaleur dans le terrain de l installation Serso et calibrage sur deux ans de mesure A1 1 Modele de stockage Le mod le de calcul utilis pour simuler le comportement thermique du stockage est bas sur le mod le DST Hellstr m 1989 d velopp l universit de Lund en Suede Le stockage a un changeur de chaleur souterrain form dans notre cas par un ensemble de sondes g othermiques qui permet de transf rer de l nergie thermique entre la zone de stockage et le fluide caloporteur qui circule dans les sondes Le mod le calcule en particulier la relation entre la temp rature d entr e du fluide et son d bit et la puissance thermique transf r e pour des conditions d exploitation arbitraires Le mod le DST a t int gr dans le programme de simulation de syst me thermique TRNSYS comme un module de calcul non standard appel TRNVDST Mazzarella 1993 Le mod le a t am lior par Pahud et Hellstr m 1996 puis adapt
12. Energie de chauffage MWh an Profondeur des sondes 150 m o1 0 20 30 40 50 60 70 80 Nombre de sondes Figure 7 5 Sensibilit du crit re de temp rature a la vitesse d coulement de leau souterraine dans une couche de 100 m d paisseur pour le systeme de reference simul a Serso D rlingen 36 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique FRE sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN Dans le premier cas de figure avec la couche de 2 m d paisseur situ e vers la surface l influence reste relativement modeste m me pour des d placements d eau tr s importants L effet est une augmentation de la longueur des sondes en raison d une amen e d eau dont la temp rature moyenne annuelle est de 10 C valeur qui est plus basse que la temp rature moyenne du terrain sur les premiers 150 m tres de profondeur L effet se fait sentir partir d une vitesse de Darcy de 0 5 1 0 m jour mais il reste inf rieur 10 Dans le deuxi me cas de figure avec la couche de 100 m d paisseur l influence est n gative pour une vitesse de Darcy de 0 1 m jour augmentation de la longueur des sondes de 8 et devient positive pour des vitesses sup rieures L effet permettrait une r duction de la longueur des sondes d environ 10 pour une vitesse de Darcy de 1 1 5 m jour et continuerait
13. Q puissance thermique chang e par le fluide circulant dans le pont W Avec le mod le de b timent TYPES6 on d finit donc une zone fictive dont la temp rature est Tm la temp rature moyenne quivalente du pont dans le plan des tubes La fronti re de la zone est d finie par deux murs de m me surface correspondant aux parties sup rieure et inf rieure du pont Le transfert de chaleur vers le haut est calcul par conduction a travers les couches des mat riaux qui recouvrent les tubes mur sup rieur et de la m me mani re vers le bas La capacit thermique du pont est donc prise en compte par le modele TYPES6 Comme le processus de transfert de chaleur dans le pont est purement diffusif le modele de batiment est utilis en supprimant les pertes par ventilation Un coefficient de transfert convectif arbitrairement grand est d finit dans la zone de sorte que la temp rature de I air de la zone soit gale a la temp rature des surfaces int rieures des murs La temp rature de la zone Tm est d finie comme variable de sortie du TYPE56 ce qui permet avec les relations A2 7 et A2 8 de calculer la puissance thermique transf r e par le fluide le TYPE294 a t cr pour faire ce calcul Cette puissance est ensuite retourn e comme variable d entr e au TYPES6 qui la traite comme des gains convectifs dans la zone concern e A chaque pas de temps le programme TRNSYS r it re les calculs jusqu ce qu une soluti
14. alis e par la r duction de la longueur totale des sondes g othermiques 15 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique o sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN 5 8 Diam tre des sondes g othermiques Dans cette section l influence du diam tre de forage des sondes g othermiques est valu e sur la longueur totale des sondes g othermiques Tous les calculs ont t ex cut s avec un diam tre de forage de 0 115 m En se basant sur le cas optimis de la section 5 5 les simulations sont refaites avec un diam tre de 0 15 m La r sistance thermique des sondes est donc maintenue 0 12 K W m dabs les deux cas La figure 5 6 permet de montrer la sensibilit du crit re de temp rature NTs au diam tre de forage des sondes g othermiques pour les deux cas de figure mentionn s ci dessus Sondes de 15 O O1 oO NTsurface pont lt 0 C Crit re de temp rature Kh a gt oO Diam tre forage sondes 20 de 0 115 0 15 m 10 Nombre de sondes 2 ou 5 longueur 0 10 20 30 40 50 60 70 Nombre de sondes g othermiques Figure 5 6 Sensibilit du crit re de temp rature au diam tre de forage des sondes g othermiques Un diametre de forage plus grand 0 15 m au lieu de 0 115 m permettrait de r duire la longueur tota
15. augmenter avec des vitesses sup rieures pour se stabiliser vers une r duction de 30 de la longueur des sondes Mis part un coulement de l eau souterraine important dans une couche d paisseur significative le param tre pr pond rant sur le dimensionnement du syst me reste la conductivit thermique du terrain Vient ensuite la temp rature initiale du terrain dans la couche travers e par les sondes L influence de la capacit thermique volumique du terrain quant elle est un effet de faible importance Dore Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN 8 Conclusions Le projet pilote et de d monstration Serso a permis de r aliser le d givrage d un pont en utilisant en hiver les gains solaires collect s par ce dernier en t et qui ont t accumul s dans un stockage de chaleur saisonnier dans le terrain Les mesures effectu es sur plusieurs ann es ont t exploit es dans cette tude pour d velopper et valider un outil de simulation pour ce type de syst me L outil de simulation appel BRIDGESIM est appliqu au syst me de fagon a illustrer la proc dure propos e pour un dimensionnement Les r sultats sont pr sent s de facon montrer l influence des principaux parametres de dimensionnement Appliqu d autres endroits g ographiques des
16. es en 1998 relatives aux ponts pour l installation Serso A2 10 1998 amp P charge stock i i i P d charge stock di er 250 gt li gr a te i a ot RU BS 200 RARE gt A AEE De E ea A ETTI ees i Te gt Te ER a O 1 SE A e e Sao LR Sn a 9 a vy NOTE a m a a SE 0 ne i a 50 Ar 01 01 98 02 03 98 02 05 98 02 07 98 01 09 98 01 11 98 01 01 99 Temps Figure A2 7 Valeurs horaires des mesures des puissances thermiques effectu es en 1998 relatives aux ponts pour l installation Serso Mesures de Temp rature Energie solaire Temp rature Energie 1999 moyenne du stock e dans le moyenne du thermique fluide en mode stockage diffusif fluide en mode d stock e pour captage d givrage d givrer les ponts C kWh CO kWh Janvier 6 5 30 570 F vrier 5 8 35 670 Mars 11 8 230 6 1 3 030 Avril 13 5 7250 6 2 17070 Mai 15 9 30 390 Juin 17 1 28 420 Juillet 18 5 30 820 Ao t 18 8 17 340 Septembre 16 8 970 Octobre Novembre 7 2 20 920 D cembre 6 6 28 830 Ann e 17 2 115 420 6 4 120 090 Dur e de marche annuelle 630 heures 1 320 heures Table A2 5 Valeurs mensuelles des mesures effectu es en 1999 relatives aux ponts pour l installation Serso A2 11 40 35 30 25 20 15 10 5 0 5 10 Temperatur
17. ral de l nergie OFEN Dans la table 7 2 la sensibilit de la longueur sp cifique de sonde la temp rature moyenne initiale du terrain est indiqu e pour le crit re de temp rature NTs fix 10 Kh a Syst me optimum pour le pont de r f rence simul Longueur de sonde par m tre carr Serso D rlingen de chauss e temp rature moyenne initiale 10 9 C 5 4 m m 6 du terrain 11 9 C 5 1 m m 0 12 9 C 4 9 m m 5 Table 7 2 Sensibilit de la longueur de sonde par m tre carr de chauss e la temp rature moyenne initiale du terrain pour le syst me simul Serso D rlingen 7 3 Sensibilit la capacit thermique volumique Dans la figure 7 3 le crit re de temp rature est montr en fonction de la longueur de sonde pour 3 valeurs de capacit thermique volumique du terrain 1 7 2 2 et 2 7 MJ m K 40 160 35 140 m c T amp 2 30 Crit re Tsurface pont 120 S 05 m Energie de chauffage 100 5 5 a a 20 Capacit thermique volumique 80 5 e terrain 1 7 2 2 et 2 7 MJ m3K 2 15 60 D vd D 10 40 a 5 Profondeur des 20 sondes 150 m 0 0 20 30 40 50 60 70 80 Nombre de sondes Figure 7 3 Sensibilit du crit re de temp rature la capacit thermique volumique du terrain pour le syst me de r f rence simul Serso D rlingen 34 Recherch
18. valuer le potentiel et les limites de telles installations ainsi que pour tablir des r gles simplifi es pour un pr dimensionnement Une application TRNSED du mod le de simulation de l installation est cr e pour mettre la disposition des professionnels concern s un outil de calcul facile utiliser pour le dimensionnement d une installation fonctionnant selon le m me concept Cet outil de calcul est d nomm BRIDGESIM L installation pilote de Serso est recalcul e avec BRIDGESIM pour illustrer la proc dure tablie pour un dimensionnement du syst me Dans le chapitre 2 les objectifs de l tude sont pr sent s Le chapitre 3 contient une br ve description de BRIDGESIM avec r f rence aux annexes 1 et 2 pour une description des mod les de calcul utilis s et de leur calibration sur les mesures du projet de Serso L annexe 3 est galement r f renc e pour le manuel d utilisation de BRIDGESIM Dans le chapitre 4 la courbe de chauffage pour le d givrage du pont est d finie de m me qu une proc dure pour sa d termination Dans le chapitre 5 le concept de tol rance pour le dimensionnement d un syst me est pr sent Les principaux param tres du syst me sont optimis s avec BRIDGESIM et les r sultats sont pr sent s de fa on montrer l influence de chaque param tre Dans le chapitre 6 le syst me est optimis pour diff rents climats Finalement la sensibilit aux param tres thermiques du terrain est montr e da
19. Gotthard e Z rich e Stockholm Le m me critere de temperature NTs est utilis pour obtenir le systeme optimal NTs lt 10 Kh a Les simulations sont ex cut es pour 4 valeurs diff rentes de conductivit thermique de terrain 1 2 3 et 4 W mK Tout en maintenant l espacement et la longueur des sondes respectivement 5 et 150 m le nombre de sondes g othermiques est vari pour d terminer le syst me optimal La simulation du syst me dans un autre endroit g ographique n cessite d adapter les param tres li s au site d finis dans la section Weather parameters du programme BRIDGESIM Ce sont la latitude la longitude relative et l altitude du lieu et le fichier contenant les donn es m t orologiques pour une ann e type en valeurs horaires La temp rature initiale du terrain doit galement tre adapt e param tre TGRDIN Elle est fix e une valeur qui est 1 K plus lev e que la temp rature moyenne annuelle de l air Le gradient de temperature g othermique quant a lui n est pas modifi Il est maintenu constant 25 K km Finalement la courbe de chauffage doit tre recalcul e pour le site en question 19 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN 6 2 Systeme simul a Serso D rlingen Les caracteristiques g ographiques et
20. completed the file BRIDGESIM LST can be viewed in the Windows menu of the TRNSED programme and the files BRIDGESIM OUT in the Windows Output menu A plot can be made with the file BRIDGESIM PLT and viewed in the Plot menu The file DST DAT can be viewed in the File Open menu The file name DST DAT has to be entered in the File name field of the dialogue box which popped on the screen An error message will then appear as DST DAT is supposed to be a TRNSED file However it is still possible to view the file A3 14 A3 6 1 The Listing File BRIDGESIM LST This is the listing file written by TRNSYS All the information contained in BRIDGESIM TRD is written in the listing file together with some information related to the simulation itself simulation duration total number of call for each component warning message if any etc It should be noted that if an error makes a simulation to abort the corresponding error message is written at the end of the listing file It is recommended to read this file every time a simulation is terminated with an error A3 6 2 The File DST DAT This file is written by the TRNVDSTP component which simulates the borehole heat exchanger field It contains all the parameters used by this component together with information on the fields used for the simulation of the heat transport in the ground A3 6 3 The Output File BRIDGESIM OUT This file starts with some of the mean parameter values which are calculat
21. d charge du stockage et des transferts de chaleur avec l environnement Elle a en m moire le pass de l installation En d autre termes elle permet de remplir les trous de mesure au cours des deux ann es tudi es Ces derniers ne sont pas nombreux Le plus grand trou dure environ 5 jours et leur totalit ne d passe pas 20 jours soit moins de 3 de la p riode de mesure Les trous sont remplis avec des jours voisins de la date du trou qui conduisent la m me variation de la temp rature moyenne du stockage A1 2 3 Capacit thermique du stockage Les mesures de la puissance transf r e par l changeur souterrain et de la temp rature moyenne du stockage permettent d tablir la relation entre l nergie stock e ou d stock e et sa variation de temp rature La figure A1 1 permet de la montrer avec les mesures corrig es des deux ann es A1 3 gt 01 01 98 ger 06 k N _ co Temp rature stockage C 8 T T I I 300 200 100 0 100 200 Energie transf r e dans stockage GJ Fig Al 1 Temp rature moyenne du stockage repr sent e en fonction de l Energie nette transf r e par l changeur souterrain nergie inject e nergie extraite Si le stockage n a pas de pertes thermiques un cycle de charge d charge fera d placer les points de la courbe sur une droite dont la pente en K GJ est l inverse de sa capacit thermique en GJ K
22. d pend fortement de cette derni re Les valeurs obtenues sont num r es dans la table 6 11 Syst me optimum pour le pont de r f rence simul Longueur de sonde par m tre carr a Zurich de chauss e conductivit thermique du terrain 1 W mK 4 8 m m conductivit thermique du terrain 2 W mK 3 3 m m conductivit thermique du terrain 3 W mK 2 8 m m conductivit thermique du terrain 4 W mK 2 5 m m Table 6 11 Longueur de sonde par m tre carr de chauss e pour le syst me simul Z rich en fonction de la conductivit thermique du terrain 07 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique o sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN 6 6 Systeme simul a Stockholm Les caract ristiques g ographiques et m t orologiques du site de Stockholm obtenues avec le logiciel Meteonorm 5 1 Remund et Kunz 2004 sont r sum es dans la table 6 12 Site Stockholm Altitude 15m Latitude 59 2 Longitude 18 1 Est Situation Ville Temp rature moyenne annuelle de l air 6 7 C moyenne journali re minimum de l air 15 1 C moyenne journali re maximum de l air 24 4 C Ensoleillement horizontal annuel 980 kWh m a Ensoleillement horizontal annuel avec effet de l horizon lointain 970 kWh m a les simulations sont effectu es avec la
23. dans PILESIM Pahud 1999 avec 4 couches de terrain La premi re couche permet de tenir compte de la couche de sable dans laquelle se trouve les raccordements horizontaux entre les sondes Les trois couches suivantes permettent par exemple de d finir une couche interm diaire dans laquelle circule de l eau souterraine Dans notre cas l eau souterraine ne circule pas de fa on significative et deux couches suffisent pour tenir compte des propri t s thermiques du rocher non consolid et de la molasse Comme il n est pas d sir de changer la configuration du mod le les m mes propri t s sont assign es deux couches dans le mod le cf table A1 4 La temp rature initiale du terrain est fix e constante 10 C l g rement sup rieure la temp rature moyenne annuelle de l air notamment pour tenir compte du gradient g othermique naturel A1 6 Terrain Temp rature initiale du terrain 10 C 1 couche contenant les raccordements hydrauliques paisseur 0 8 m dont 0 5 m sur toit du stockage conductibilit thermique 2 0 W mK capacit thermique volum trique 2 2 MJ m K 2 couche de rocher non consolid paisseur 6m conductibilit thermique 2 8 W mK capacit thermique volum trique 2 2 MJ m K vitesse de Darcy coulement eau souterraine 0 m s 3 couche de molasse partie 1 paisseur 2m conductibilit thermique 4 5 W mK capacit thermique volum triqu
24. di falda positivo se l entrata d acqua non ha una temperatura inferiore alla temperatura media iniziale del terreno nel volume di stoccaggio i e temperatura media del terreno nello stoccaggio prima della messa in servizio del sistema L attrezzo di simulazione BRIDGESIM anche accessibile ai professionisti del settore perch stato sviluppato come un applicazione TRNSED quindi il suo impiego non richiede una conoscenza specifica e preliminare di TRNSYS Impressum R sum Le projet Serso est n de l id e de vouloir d givrer un pont avec de l nergie solaire Il en r sulte un concept qui met en ceuvre un stockage saisonnier de chaleur dans le terrain L nergie solaire est capt e par le pont en t stock e dans le terrain par l interm diaire d un ensemble de sondes g othermiques puis restitu e en hiver pour le d givrage du pont Le pont est quip de serpentins qui permettent de collecter les gains solaires estivaux et de chauffer la chauss e en hiver pour emp cher la formation de glace ou de givre A l exception de l nergie lectrique n cessaire au fonctionnement des pompes le syst me est congu pour fonctionner sans nergie auxiliaire Les mesures des performances thermiques de l installation sur plusieurs ann es effectu es dans le cadre d un projet pr c dent ont permis de d velopper et de valider un outil de simulation pour le dimensionnement d un syst me semblable Appel B
25. die der L nge der Erdw rmetauscher entspricht die man pro Quadratmeter beheizter Fahrbahn ben tigt von 4 6 m m2 Dies entspricht der L nge im realen System Das System wurden f r verschiedene Standorte simuliert Die Ergebnisse haben gezeigt dass die erforderliche Erdw rmesondenl nge nicht nur stark von der Erdw rmeleitf higkeit abh ngt sondern auch von der zur Enteisung der Br cke ben tigten Heizenergie Im Fall Serso f hrt eine nderung der Erdw rmeleitf higkeit von 4 auf 1 W mK zu einer Erh hung der spezifischen W rmetauscherl nge von 4 7 auf 8 9 m m2 Die verschiedenen simulierten Br ckenvarianten erfordern eine spezifische Heizenergie die zwischen 100 und 130 kWh m2an liegt Dies f hrt bei einer W rmeleitf higkeit des Bodens von 4 4 W mK zu einer Variation der spezifischen Erdw rmesondenl nge von 3 9 bis zu 6 9 m m2 In allen f r verschiedene Standorte simulierten F llen variierte die L nge der Erdw rmesonden von 2 5 bis 8 9 m m2 In einigen F llen wurde keine L sung gefunden da die Gesamtl nge bei weitem zu gro w re vili Impressum Die Empfindlichkeit der spezifischen Erdw rmesondenl nge auf die Hauptparameter des Bodens wurden n her untersucht Die W rmeleitf higkeit des Gel ndes bleibt der dominante Faktor wenn kein Grundwasserfluss innerhalb einer gr sseren Erdschicht und mit einer erh hten Darcy Geschwindigkeit vorhanden ist Ein Grundwasserfluss hat einen positiven Effekt wenn
26. en compte avec un facteur de perte thermique valeur U form par deux couches la couche d isolation et une couche de terrain correspondant aux diff rents mat riaux recouvrant l isolation cf table A1 3 Isolation sur le toit du stockage Epaisseur de la couche d isolation 0 25 m Conductibilit thermique de la couche d isolation 0 38 W mK Valeur U de la couche d isolation 1 5 W m K Epaisseur couche terrain sur l isolation 0 60 m Conductibilit thermique correspondante 1 5 W mK Valeur U de la couche de terrain 2 5 W m K Valeur U totale prise en compte 0 9 W m K Extension horizontale de la couche d isolation au Environ 2 m dela du bord du stockage Table A1 3 Param tres de simulation relatifs au toit du stockage A1 3 2 Parametres relatifs au terrain A Vendroit du stockage une couche de rocher non consolid de 4 a 8 m d paisseur recouvre une couche d au moins 100 m de molasse Des travaux ont t entrepris pour diminuer la perm abilit du terrain du c t montagne du stockage de mani re limiter les infiltrations d eau possibles La conductibilit thermique de la molasse a t mesur e sur des chantillons Une valeur moyenne de 4 5 W mK a t obtenue La capacit thermique volum trique du terrain a t estim e 2 2 MJ m K dans la section A1 2 3 sur la base des 2 ans de mesure Le mod le de calcul du stockage TRNVDSTP est configur comme
27. fluid temperature in the bridge Tse As the thermal resistance to the fluid temperature is significantly smaller than that to the outdoor air temperature T1 should be close to Ts On the basis of estimations and for commodity Ter is defined with the following relation Tsen TS3 0 75 Ts TS3 In the calibrated model see annex 2 the temperature T1 was fixed to 4 C A3 3 BRIDGESIM system simulation tool The simulation models used in BRIDGESIM are described in annex 1 and 2 The use of BRIDGESIM requires to define first the set point temperature curve as shown in figure A3 3 to heat the bridge In other terms the heat delivered using the heating curve assuming that the set point temperature is always met has to keep the bridge surface free from ice with the minimum amount of thermal energy necessary To help determine the heating curve the tool BRIDGEHEAT has been created which is a simplified version of BRIDGESIM The input data to BRIDGEHEAT are the same as those for BRIDGESIM except for the non necessary components such as the ground duct store In the next section the input data to BRIDGESIM are listed A3 4 Input data to BRIDGESIM The input data to BRIDGESIM concern all the information that can be varied by the user In particular the input data define the size and characteristics of the different parts of the system and the driving conditions which will condition the operation of the system In this chapter each par
28. l air et les rayonnement global et diffus horizontaux sont utilis s par le TYPE69 pour calculer la temp rature radiative quivalente du ciel Cette derni re est n cessaire au calcul des changes radiatifs entre la surface du pont et le ciel A2 8 A2 2 3 Regulation du systeme Le systeme peut fonctionner dans trois modes differents mode repos le syst me est a l arr t mode captage le syst me est mis en marche pour collecter les gains solaires du pont et les stocker dans le stockage diffusif mode d givrage le systeme est mis en marche pour d givrer le pont en le chauffant avec l nergie thermique d stock e du stockage diffusif Deux contr leurs ON OFF TYPE2 sont utilis s pour s lectionner les modes captage ou d givrage Mode captage condition pour fonctionner dans ce mode Tair ext rieur gt 4 C si Tin Tbot tank gt 10 K alors pompe enclench e Si Tm Toot tank lt 4 K alors pompe d clench e Mode d givrage condition pour fonctionner dans ce mode Tair ext rieur lt 4 C si T alors pompe enclench e si Tm gt 4 C alors pompe d clench e Tm temp rature du pont dans le plan des tubes C Toot tank temp rature du fluide dans le stock eau au retour dans le pont bas C Tair ext rieur temp rature de l air ext rieur C A2 3 Comparaison simulation mesure A2 3 1 Performances thermiques mesur es
29. large flow the local temperature difference will be decreased and the heat transfer between the BHE and the ground improved The local process takes into account the improvement of this heat transfer A3 4 6 Water tank parameters The 4 entries are Water tank volume VOLTANK water volume of the short term water tank coupled between the bridge flow loop and the duct store flow loop m Water tank surface STANK area of the water tank through which heat losses with the ambient take place m Water tank heat loss coefficient HTANK average heat loss coefficient of the water tank W m K Mean ambient temperature around the water tank TAIRTANK mean ambient air temperature in which stand the water tank A mean constant value is assumed C A3 10 A3 4 7 Circulation pump parameter The only entry is Total nominal electric power of the circulation pumps PELPUMP total electric power absorbed by all the circulation pumps of the system Simulations have shown that if the bridge circulation pump is operating so is the duct store one and vice e versa As a constant flow rate is simulated the electric energy consumed by the circulation pumps is simply the product of the total electric power by the system operation time The secondary unit of the nominal electric power is kW A3 4 8 Heating curve parameters The five entries correspond to TE1 TE2 TE3 TS2 and TS3 of figure A3 3 TS1 does not need to be entered as its va
30. moyenne du stockage au cours des deux ans de mesure L cart de temp rature entre les mesures et les calculs reste inf rieur 0 5 K 2 HE O gt ca x 5 v 2 D 0 80 Calcul 7 p 80 M 400 ae 100 120 120 1 1 98 2 4 98 2 7 98 1 10 98 1 1 99 2 4 99 2 7 99 1 10 99 1 1 00 Temps Fig A1 3 Mesure et calcul de l nergie nette transf r e dans le stockage au cours des deux ans de mesure Le concept hydraulique du stockage permet de n utiliser qu une partie des sondes Ainsi pour un d bit et une temperature d entr e dans les sondes donn s la puissance thermique transf r e est plus faible lorsque le nombre de sondes utilis es est plus petit En extraction de chaleur l utilisation partielle des sondes est plus fr quente qu en injection Comme le modele de calcul ne permet pas de r duire le nombre de sondes utilis es les calculs surestiment davantage les mesures en p riode d extraction ce qui se traduit par un d calage vers le bas de la courbe calcul e relativement la courbe mesur e Une comparaison directe entre les mesures et les calculs de l nergie journali re transf r e par l changeur souterrain permet de mettre en vidence cet effet cf figure A1 4 Les calculs correspondent bien aux mesures pour les jours o toutes les sondes sont utilis es Les points qui se d tachent sous la fonct
31. nergie annuelle d stock e et ainsi que des dur es de fonctionnement correspondantes sont indiqu es de fa on qualitative dans la table A2 6 La sensibilit la capacit thermique des circuits hydrauliques de l installation est tr s faible A2 13 Param tre du Charge stockage Dur e de D charge stockage Dur e de syst me diffusif marche diffusif marche annuelle annuelle en Energie Puissance en charge Energie Puissance d charge annuelle max annuelle max Usonvection pont T T I di Ochauss e il il T T L asphalte T T T T il T T r sistance R il T ii T ii ON OFF captage 1 il 4 gt gt gt Table A2 6 Sensibilit des nergies annuelles transf r es et des dur es de fonctionnement du syst me aux param tres calibr s A2 3 3 Param tres de simulation calibr s et performances thermiques simul es Pont Dimension surfaces de captage d givrage couches de mat riaux et propri t s thermiques figure A2 2 p A2 5 et table A2 2 p A2 4 Stock eau volume 44m facteur de perte thermique 0 6 W m K surface enveloppe stock 15 m temp rature ambiante 15 C constant Stockage diffusif voire annexe 1 Contr le du syst me temp rature de consigne pour le d givrage voir figure A2 4 p A2 6 contr le de modes de fonctionnement du syst me voir section A2 2 3 p A2 9 Les performances simul es avec les param tres calibr s son
32. oO I W oO NTsurface pont lt 0 C m Energie de chauffage x Conductivite thermique terrain 1 2 3 et 4 W mK N ol O1 k oO Critere de temperature Kh a N oO Profondeur des sondes 150 m Energie de chauffage MWh an Sz oO 20 30 40 50 60 a i Nombre de sondes Figure 6 1 Sensibilit du crit re de temp rature la conductivit thermique du terrain pour le syst me de r f rence simul a Serso D rlingen Le syst me optimal est celui qui permet de satisfaire la valeur maximum tol r e du crit re de temp rature avec le nombre minimum de sondes g othermiques La figure 6 1 permet de d terminer le syst me optimal en fonction de la conductivit thermique du terrain La longueur de sonde par m tre carr de surface de pont chauff d pend fortement de cette derni re Une valeur inf rieure 2 W mK n cessite une longueur de sonde sensiblement plus importante Les valeurs obtenues sont num r es dans la table 6 3 Syst me optimum pour le pont de r f rence simul Longueur de sonde par m tre carr a Serso D rlingen de chauss e conductivit thermique du terrain 1 W mK 8 9 m m conductivit thermique du terrain 2 W mK 6 0 m m conductivit thermique du terrain 3 W mK 5 1 m m conductivit thermique du terrain 4 W mK 4 7 m m Table 6 3 Longueur de sonde pa
33. ont un effet positif mais sans toutefois pr senter une am lioration significative des performances thermiques du syst me La r sistance thermique et le diam tre des sondes sont galement des param tres d importance secondaire Une augmentation des besoins sp cifiques de chauffage requiert une augmentation de la longueur des sondes qui devient toujours plus grande Il peut tre n cessaire de r duire dans un premier temps les besoins sp cifiques de chauffage en isolant le pont sous sa face inf rieure ou en diminuant l ecartement des tubes dans la chauss e du pont Dans le cas du syst me de Serso l isolation du pont a permis d viter une augmentation massive de 50 de la longueur des sondes Il en r sulte une longueur sp cifique de sonde g othermique qui est par d finition la longueur de sonde n cessaire pour chaque m tre carr de chauss e chauff e de 4 6 m m Elle correspond celle du syst me r el Le syst me est simul pour divers sites Les r sultats ont montr que la longueur de sonde n cessaire d pend non seulement tr s fortement de la conductivit thermique du terrain mais aussi de la demande sp cifique de chauffage pour le d givrage du pont Pour le cas de Serso une variation de la conductivit thermique du terrain de 4 1 W mK fait augmenter la longueur sp cifique de sonde g othermique de 4 7 8 9 m m Les diverses variantes de pont simul es requi rent une nergie sp cifique de chauffage qu
34. r gles simples pour effectuer un pr dimensionnement ont t tablies Deux param tres fondamentaux pour le dimensionnement d un syst me sont la conductivit thermique du terrain et la quantit d nergie de chauffage n cessaire au d givrage du pont Au dela d une certaine nergie sp cifique de chauffage qui se situe entre 150 et 200 kWh m an un systeme comme celui de Serso ne peut plus satisfaire la demande de chauffage Pour des valeurs plus basses la longueur sp cifique de sonde peut varier de 2 pr s de 10 m m l unit de surface se r f re la surface de pont d givr e Pour ce qui concerne le terrain la conductivit thermique reste le parametre qui a l influence la plus importante si un coulement de l eau souterraine ne traverse pas le stockage dans une couche de terrain de forte paisseur et avec une vitesse de Darcy lev e L effet d un coulement de l eau souterraine est positif si l arriv e d eau na pas une temp rature inf rieure la temp rature moyenne du terrain non perturb dans le volume du stockage soit avant la mise en service du syst me L outil de simulation BRIDGESIM a t d velopp comme une application TRNSED de fa on ce que son usage ne requiert pas de connaissances sp cifiques et pr alables de TRNSYS Il permet un professionnel de pouvoir faire des calculs pour valider un pr dimensionnement et optimiser un syst me 9 Remerciements L Office F
35. temp rature de consigne de d part 4 gans le pont en mode d givrage Temp rature de consigne C O Temp rature de l air ext rieur C Figure 4 1 Courbe de chauffage pour le d givrage du pont Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique o sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN Le pont est chauff lorsque la temp rature de l air ext rieur descend en dessous de 4 C TE3 La temp rature de consigne augmente lin airement jusqu a ce que la temp rature de lair ext rieur descend a 4 C TE2 Pour des temp ratures de l air plus basses la temp rature de consigne est maintenue constante TS1 TS2 Lorsque la temp rature de lair passe sous les 8 C TE1 le chauffage du pont est arr t La courbe de chauffage est choisie comme la courbe qui permet de minimiser l nergie de chauffage tout en maintenant la surface du pont hors gel conform ment au crit re d fini ci dessus Cela signifie que le nombre des degr heures par ann e pour lesquels Ts lt 0 C quand Ta gt 4 C doit tre aussi proche que possible de 0 NTs 0 Kh a 4 2 Etablissement de la courbe de chauffage La courbe de chauffage est ajust e en variant les param tres TS2 et TS3 s par ment La figure 4 2 permet d illustrer l influence de la variation de TS2 sur l nergie annuelle de chauffage et NTs Courbe de chauffage v
36. the effect of the far horizon In Switzerland it can be calculated by METEONORM with the site coordinate latitude longitude and altitude A3 4 3 Bridge parameters The 14 entries are Bridge area to unfreeze SROAD area of the bridge surface that is equipped with pipes for heating and solar gains collection m A3 5 Bridge area defined in PREBID input file area of the bridge surface that is defined in PREBID the TRNSYS programme editor for the building model TYPE 56 used to model the bridge This area should be as close as possible as SROAD and must correspond to the area defined in PREBID output files for the bridge definition m PREBID file containing bridge description for building TYPE 56 BLD PREBID output file BLD that contains the bridge description This file should be stored in the BRIDGEDATA directory See section A3 8 for a description of the input parameter used in PREBID Associated file containing the transfer function information BLD PREBID output file TRN associated to the BLD file that contains the transfer function information This file should be stored in the BRIDGEDATA directory together with the BLD file Spacing between the imbedded pipes in the bridge surface BPIPE average distance between two parallel pipes imbedded under the bridge surface m Outer diameter of the imbedded pipes DEXTPIPE outer diameter of the pipes that are imbedded under the bridge surface mm Inne
37. 2 K W m Pipe configuration in BHE The two possible pipe configurations in the BHE are U pipe configuration the pipe installation in the BHE is formed by one or more U pipes placed close to the circumference of the borehole Coaxial pipe installation the pipe installation in the BHE is formed by a coaxial pipe NB the Rb and Ra values entered before must correspond to the correct pipe configuration Average spacing between the BHE BBORE average spacing of all the BHE in the two spatial directions of the ground area that contains the BHE m Pipe number in a cross section of a BHE number of pipes in a cross section of the BHE For a double U pipe BHE the number of pipes is 4 A3 7 Inner diameter of one pipe average inner diameter of the pipes in the BHE m Number of BHE coupled in series NSERIE number of BHE coupled in series It defines the hydraulic coupling of the BHE and thus the flow rate per BHE The series of BHE are supposed to be coupled in the radial direction of the store from the centre to the border Length of the horizontal pipes on top of the duct store LCOEPF the length of the horizontal pipes on ground is the effective pipe length that connects the BHE to the pipe collectors This parameter is used for the determination of the heat transfer that occurs between the fluid in these pipes and the ground in the plane of the pipes The pipes are supposed to lie below the insulation layer on top of
38. 3 17 Fifth simulation summary TTop C mean road surface temperature TBot C mean under bridge surface temperature TSurfi C mean surface temperature of inner surfaces of the fictive zone for the simulation of the pipes in the bridge It corresponds to the mean bridge temperature in the plane of the imbedded pipes TAirZon C mean air temperature of fictive zone for the simulation of the pipes in the bridge Type56 parameters should be set so that TAirZon is quasi equal to TSurfi QRoad kWh thermal energy transferred through the road surface QUnder kWh thermal energy transferred through the under bridge surface QAbsO kWh solar energy absorbed in the road surface QStored kWh thermal energy stored in the bridge structure stored unstored QEXFI kWh thermal energy exchanged by pipes imbedded in the bridge Error error in percent of the fictive zone heat balance The fictive zone heat balance is calculated with QsiTop QsiBot QexFI 0 QsiTop is the thermal energy flowing from the pipe plane to the road surface QsiBot is the thermal energy flowing from the pipe plane to the under bridge surface Sixth simulation summary QDstToGrd kWh energy transferred to the ground by the vertical borehole heat exchangers QPipToGrd kWh energy transferred to the ground by the horizontal pipe connections QLossOut kWh total heat losses from the duct store QEDSTIN kWh d
39. A Schema de Principe cos es een ne nt es rames ele ln le See p A2 5 A2 2 2 Variables m t orologiques ui p A2 7 2 2 ReoUlation AuUSYStEME e bie yest dann we ee AL AN er A p A2 9 A2 3 Comparaison simulation mesure RCCCjCjC CO p A2 9 A2 3 1 Performances thermiques mesur es et proc dure de calibration p A2 9 A2 3 3 Param tres de simulation calibr s et performances thermiques simul es A2 4 Conclusion p A2 16 R f rences p A2 17 A2 Simulation du systeme complet et calibrage sur les mesures A2 1 Modele de pont capteur et degivreur Le modele de calcul utilise pour simuler le comportement thermique du pont capteur et degivreur est le modele TRNSYS standard pour la simulation d un b timent Il s agit du TYPE 56 Klein et al 2005 d velopp par TRANSSOLAR Le pont est simul comme une dalle active en utilisant explicitement le formalisme d velopp par Koschenz et Dorrer 1996 Ce formalisme permet de ramener le probl me bi dimensionnel du transfert thermique entre les tubes et le beton un probleme une dimension Ainsi le champ de temperature dans le plan des tubes est r duit une temp rature moyenne quivalente Tm Dans la figure A2 1 une coupe du pont dont l paisseur totale est di d2 est montr e La surface ext rieure surface sup rieure de la partie sup rieure correspond a la surface de la chauss e du pont tandis que la surface ext rieure surface inf rieure de la partie inf rieure corre
40. A3 7 Input parameters in BREBID as entered in the various screen interface The top part of the bridge and bottom part of the bridge are simulated with two wall which are respectively defined as SURFACE and SOTTO see figure A3 8 and A3 9 It can be noticed that a bridge surface of 1 000 m is defined in PREBID In BRIDGESIM this surface has to be entered together with the actual bridge surface SROAD so that the thermal performances of the bridge can be scaled with the area ratio A3 25 Regime Data zone volume UGH m TE Infiltration 8g Heating Gains 3 Humidity j FE Initial Values _ capacitance a kJ K 73 Ventilation s Cooling Comfort Walls 11 Windows Area Category Area Category luyalue g Value SURFACE 1000 00 EXTERNAL HORIZONTAL Add Delete wall type SURFACE new m area EF m incl windows category EXTERNAL geosurf if wall gain af kJ h orientation HORIZONTAL Mea view fac to sky le ssi Regime Data zone volume UGA n IE Infiltration EJ Heating E Gains 4 Humidity 4 na Values capacitance FE kJ BE Ventilation 4 Cooling Comfort Walls Area ICategoy luValue g Yalue 1000 00 EXTERNAL UNDER Delete wall type sotto new area fo 1000 m incl windows category EXTERNAL gt geosurf pe wall gain af kJ h orientation UNDER HORIZONTAL view fac to sky Ben Figure A3 8 Inp
41. Finally output variables have to be defined for the bridge model The input output variables that have to be defined in PREBID are shown in figure 6 7 The output variables have to be defined in the same order as indicated User defined input to the TYPE 56 used for the simulation of the bridge bridge User defined outputs from TYPE 56 The outputs have to be defined in the order indicated below output 1 output 2 output 3 output 4 output 5 output 6 output 7 output 8 output 9 output 10 output 11 output 12 output 13 Figure 6 7 QSER heat rate transferred from the fluid to the Calculate Transfer Functions Timebase Si Outputs Zanes air temperature of zone PONT or mean bridge temperature in the pipe plane NType 1 inside surface temperature of wall 1 wall SURFACE top bridge part NType 17 inside surface temperature of wall 2 wall SOTTO bottom bridge part NType 17 heat rate from inside surface temperature of wall 1 including convection to air zone and long wave radiation to surface 2 NType 19 heat rate from inside surface temperature of wall 2 including convection to air zone and long wave radiation to surface 1 NType 19 outside surface temperature of wall 1 NType 18 outside surface temperature of wall 2 NType 18 heat rate to outside surface temperature of wall 1 including convection to outside air and long wave radiation to sky
42. M _ _ p A3 20 A3 8 Input parameters to PREBID A3 The simulation tool A3 1 BRIDGESIM system layout The simulated system layout is shown in figure A3 1 Thermal simulations have shown that it is equivalent to the actual system layout of the Serso system shown in figure A3 2 short term water tank coupled in series Bridge with pipes Ciiculziion Short term imbedded in pump water tank road surface Long term diffusive borehole store Figure A3 1 System layout simulated by the BRIDGESIM tool Bridge with pipes SR imbedded in pump road surface Short term water tank Long term diffusive borehole store Figure A3 2 Simplified system layout of the Serso plant equivalent to the one simulated by the BRIDGESIM tool A3 2 BRIDGESIM system control The mixing valve is only used when the bridge is heated in order to limit the forward fluid temperature in function of the outdoor air temperature according to the diagram shown in figure A3 3 A3 1 Po oO oo set point temperature in bridge flow circuit for the prevention of ice formation gt Set pointtemperature Tset C N O oO Outdoor air temperature C Figure A3 3 Control of the forward fluid temperature in the bridge in function of the outdoor air temperature when the system operates in the ice prevention mode bridge heating Bridge heating can only be switched on when the outdoor air temperature drops below a given v
43. OCST 4 K Courbe de chauffage temp rature de d part minimale consigne TS3 6 K temp rature de d part maximale consigne TS2 10 K Table 5 1 Liste des param tres vari s Les valeurs correspondent aux valeurs calibr es du mod le sur les mesures et d terminent ainsi la situation de d part 10 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique o sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN Les deux variables calcul es sont NTs et la quantit d nergie thermique inject e en hiver dans le pont Ils sont calcul s a NTs 24 3Kh a_ et Qchaut 154 MWh an En adaptant la courbe de chauffage sur celle qui a t obtenue par la proc dure d crite dans le chapitre 4 TS3 4 C et TS2 10 C les valeurs deviennent NTs 21 7Kh a et Qchau 139 MWh an On peut observer que le syst me pilote satisfait pratiquement le crit re de temp rature Les param tres sont maintenant vari s pour r duire NTs sous la barre des 10 Kh a 5 3 Espacement entre les sondes La figure 5 1 permet de montrer la sensibilit du crit re de temp rature NTs et de l nergie thermique annuelle inject e dans le pont Qcnau l espacement NTsurface pont lt 0 C m Ochauffage D oO O1 oO Espacement sondes de2 8a5m Profondeur des sondes de 65 148 m
44. Oh 206 _ Mesure Calcul Fraction de sondes utilis es 2 200 29 g 2 5 c 100 i 5 O S LL 0 0 30 6 99 Oh 30 6 99 12h 1 7 99 Oh 1 7 99 12h 2 7 99 Oh r _ Mesure Calcul Fraction de sondes utilis es p 3 100 i a gt it H 2 0 BU L NE oe E fi i ws i ti ry TI i gt c 200 vv 4 5 O A g LL 300 0 16 12 99 Oh 16 12 99 12h 17 12 99 Oh 17 12 99 12h 18 12 99 Oh Fig Al 8 Puissance thermique calcul e et mesur e en 1999 A1 12 A1 5 Conclusion Comme attendu le mod le utilis permet de simuler de fa on satisfaisante le stockage diffusif de Serso Le mod le de simulation utilis combine ensemble plusieurs composants TRNSYS dont le composant non standard TRNVDSTP L outil de simulation TRNSYS r sultant a t mis au point dans une tude visant simuler un syst me avec pieux changeurs sur la base de mesures d installations existantes Il s avere tout a fait satisfaisant pour la simulation d un stockage du type de Serso Il permet de reproduire aussi bien les effets long terme qu a court terme Tous les param tres utilis s reposent sur des grandeurs g om triques ou des propri t s physiques Contrairement au concept du stockage de Serso le mod le de calcul ne permet pas de n utiliser qu une seule partie des sondes du stockage N anmoins cette propri t n appara t pas indispensable la simulation de ce type de
45. RIDGESIM cet outil de simulation permet d aller au del de l exp rience pratique r alis e Une proc dure pour le dimensionnement d un syst me est propos e Il s agit dans un premier temps de chauffer le pont pour viter la formation de givre avec le moins possible d nergie thermique Une courbe de chauffage doit tre tablie Comme le syst me fonctionne sans nergie auxiliaire il n est pas possible de garantir en tout temps que la surface du pont soit toujours assez chaude pour viter la formation de glace Un concept de tol rance est d fini et utilis pour le dimensionnement d un syst me BRIDGESIM est utilis pour redimensionner le syst me de Serso Dans un premier temps la courbe de chauffage est calcul e Dans un deuxi me temps les grandeurs suivantes sont optimis es l espacement entre les sondes le contr le des gains solaires la longueur des sondes g othermiques et leur profondeur Les influences d autres variables sont galement valu es comme la r sistance thermique des sondes le diam tre de forage et deux param tres importants relatifs au pont qui sont la couche d isolation sous le pont et l amp cartement des tubes dans la chauss e du pont Comme un espacement de 5 m entre les sondes peut tre adopt ind pendamment de la profondeur des sondes et de la conductivit thermique du terrain le principal param tre de dimensionnement est la longueur totale des sondes Des sondes plus profondes
46. RND geothermal temperature gradient assumed to be constant It defines the temperature increase of the ground with the depth K km Thermal conductivity of ground layer 1 LG1 thermal conductivity of ground layer 1 W mK Volumetric heat capacity of ground layer 1 CG1 volumetric heat capacity of ground layer 1 MJ m K A3 8 Thickness of ground layer 1 HG11 thickness of ground layer 1 Ground layer 1 must be larger than 0 3m the thickness of ground layer 0 that lies on top of ground layer 1 Ground layer 0 is a pre defined ground layer in which lie the horizontal pipes that connect the BHE to the system m Darcy velocity of ground water in layer 1 DA1 Darcy velocity of ground water in ground layer 1 This parameter determines the forced convection in ground layer 1 due to a horizontal regional ground water flow A zero value means no forced convection m day The Darcy velocity in m s can be obtained by the product of the ground layer permeability in m s times the local horizontal hydraulic gradient of ground water in m m NB only a direct thermal interaction with the BHE is computed In other terms if the ground layer lies below the bottom of the BHE the effect of a regional ground water flow will not be computed If only the upper part of ground layer is crossed by the BHE the effect will be computed in the upper part only The thermal influence will be then propagated upwards and downwards by pure hea
47. TRNVDSTP Pahud et al 1996 pour la simulation du stockage saisonnier de chaleur dans le terrain et le type TYPE56 pour la simulation thermique du pont Les pertes thermiques de la chauss e vers l environnement sont calcul es par convection vers lair ambiant et par radiation vers le ciel Une temp rature radiative quivalente est calcul e pour le ciel qui se base sur le degr de n bulosit de ce dernier L effet du vent des pr cipitations et de la neige ne sont pas pris en consid ration dans le mod le La description du mod le de l installation et sa validation avec les mesures sont pr sent s dans les annexes 1 et 2 Une application TRNSED a t cr e a partir du modele de simulation Elle est appel e BRIDGESIM Les param tres de simulation et les r sultats simul s sont d crits dans l annexe 3 L utilisation du mod le requiert une courbe de chauffage pour le pont qui soit adapt e a ses caract ristiques et au site En d autre terme en admettant que la source de chaleur puisse fournir la puissance thermique n cessaire demand e la temp rature de consigne du fluide qui circule dans la chauss e du pont doit permettre de maintenir la temp rature de surface de la chauss e hors gel tout en dispersant le moins possible de chaleur dans l environnement Une version simplifi e de BRIDGESIM a t cr e pour permettre de d terminer la meilleure courbe de chauffage pour un syst me donn Elle s appelle BRIDGEHEAT et son u
48. alue typically set to 4 C parameter TE3 The system operates in three different modes mode rest the system is stopped mode solar collection the system is switched on to collect the bridge solar gains and store them in the duct ground heat storage mode bridge unfreezing the system is switched on to prevent the bridge from freezing by extracting heat from the ground duct store Two ON OFF controllers TYPE2 are used to control the solar collection and bridge unfreezing modes Mode solar collection condition to switch on the system Tair gt TE3 if Tm Tretum fluid gt DTICST for example 10 K then pump is switched ON if Tm Treturn fluid lt DTOCST for example 4 K then pump is switched OFF Mode bridge unfreezing condition to switch on the system Tar gt TEl and Ti lt TE3 if Tsu Tm gt IK then pump is switched ON if Tsu Tm lt OK then pump is switched OFF A3 2 Tm bridge temperature in the plane of the imbedded pipes C Treturn fuid fluid temperature in the short term water tank at the return pipe to the bridge C Tair outdoor air temperature C Tet set point temperature for the forward fluid temperature in the bridge see figure 3 3 C Te set point temperature for Tm see below The bridge temperature in the plane of the imbedded pipes Tm should lie between the outdoor air temperature T and the forward
49. ameter required to BRIDGESIM is described and explained The input data are grouped in 9 blocks e simulation parameters e weather parameters e bridge parameters e duct store parameters e ground parameters A3 3 e water tank parameters e circulation pump parameter e heating curve parameters e solar controller parameters The BRIDGEHEAT tool used to determine the heating curve only requires the input data of the three blocks weather parameters bridge parameters and heating curve parameters BRIDGESIM and BRIDGEHEAT are TRNSED applications The input parameter values may either be given in the primary units which correspond to the unit assumed by TRNSYS or in the secondary units which are more convenient units for the user For example the primary unit of thermal conductivity is normally kJ h m K whereas the secondary unit is W mK All the units given in the following sections for the input parameters correspond to the secondary units When BRIDGESIM or BRIDGEHEAT is used it is highly recommended to set the units on secondary This is done by selecting Secondary Units in the menu TRNSYS of the TRNSED application A3 4 1 Simulation parameters The five entries related to these parameters are Month for simulation start the simulation starts the first day of the chosen month Length of simulation duration of the simulation period The maximum duration is limited to 25 years if t
50. ariation de TS2 pour TS3 fix 4 C e Tsurface lt 0 C quand Tair gt 4 C m Chauffage pont Energie de chauffage MWh an 5 10 15 20 Parametre TS2 C Figure 4 2 Variation du param tre TS2 pour l ajustement de la courbe de chauffage L exemple de la figure 4 2 permet de montrer qu a partir de TS2 gal a 10 C NTs ne diminue plus de facon significative malgr une nergie de chauffage annuelle toujours plus grande Pour d autres valeurs de TS3 fix es l allure de la courbe ne change pas sensiblement Ceci permet de fixer TS2 a 10 C et de varier dans une tape successive TS3 cf figure 4 3 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique o sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN 20 Courbe de chauffage 320 variation de TS3 pour TS2 fix 10C m 280 S 15 Tsurface lt 0 C quand Tair gt 4 C 240 g Chauffage pont 3 200 o 5 10 160 5 a 120 9 2 T Vv i 5 Vv 2 40 0 0 Parametre TS3 C Figure 4 3 Variation du param tre TS3 pour l ajustement de la courbe de chauffage Le param tre pour TS3 est choisi comme la plus petite valeur qui permet de maintenir NTs proche de sa valeur minimum Dans ce cas TS3 est choisi 4 C Le nombre des degr s heures annue
51. bsorb es et diffus es par les ponts la mesure de puissance thermique des deux ponts est choisie comme r f rence pour la correction des puissances thermiques Ainsi la puissance thermique transf r e dans le stockage diffusif est prise comme la somme des mesures des 4 branches du stock corrig e par un facteur 1 0 95 augmentation d environ 5 Finalement les mesures de temp ratures et de d bit permettent de recalculer les puissances thermiques enregistr es avec une tr s bonne corr lation Pour toutes les mesures de puissance thermique la pente de la corr lation est quasiment gale a l unit si la capacit thermique volum trique du fluide est fix e 4 17 MJ m K ce qui correspond celle de l eau pure Le fluide utilis dans l installation est un m lange d thyl ne glycol 40 et d eau 60 dont la capacit thermique volum trique est environ 10 inf rieure celle de l eau En cons quence toute les mesures de puissances thermiques doivent tre r duite de 10 pour cette raison En particulier la puissance thermique chang e par l changeur souterrain est prise comme la somme des mesures des 4 branches du stock corrig e par un facteur de 0 9 0 95 diminution des valeurs mesur es d environ 5 A1 2 A1 2 2 Temperature moyenne du stockage diffusif La temp rature du terrain dans la zone du stockage a t mesur e dans 9 forages voir Hopkirk et al 1995 plac s diff rents endroits r
52. c dent le critere de temp rature est montr en fonction de la longueur de sonde dans la figure 7 1 pour 3 valeurs de conductivit thermique du terrain 2 3 et 4 W mK 40 O1 oO Crit re Tsurface pont Energie de chauffage Conductivit thermique terrain N O1 Degr heures par an Kh a NM oO Energie de chauffage MWh an 2 3 et4 W mK 15 10 5 Profondeur des sondes 150 m 0 20 30 40 50 60 70 80 Nombre de sondes Figure 7 1 Sensibilit du crit re de temp rature la conductivit thermique du terrain pour le syst me de reference simul a Serso D rlingen Dans la table 7 1 la sensibilit de la longueur sp cifique de sonde a la conductivite thermique du terrain est indiqu e pour le crit re de temp rature NTs fix a 10 Kh a eae Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique o sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN Syst me optimum pour le pont de r f rence simul Longueur de sonde par m tre carr a Serso D rlingen de chauss e conductivit thermique du terrain 2 W mk 6 1 m m 18 3 W mK 5 1 m m 0 4 W mK 4 8 m m 7 Table 7 1 Sensibilit de la longueur de sonde par m tre carr de chauss e la conductivit thermique du terrain pour le syst me simul
53. ce the bore diameter and two parameters related to the bridge which are the insulation layer under the bridge and the pipe spacing in the bridge carriageway The main sizing parameter is the total borehole length as a 5 m spacing between the borehole heat exchangers can be chosen independently from the bore depth and the ground thermal conductivity Deeper boreholes have a positive effect However the thermal performances of the system are not significantly improved The borehole thermal resistance and the bore diameter are also parameters of secondary importance An increase of the specific heating demand requires an increase of the total borehole length which becomes always greater It might be necessary to decrease in a first step the specific heating demand by insulating the bridge inferior face or reducing the spacing of the pipes in the bridge carriageway In the case of the Serso system the bridge insulation impeded a massive increase of 50 of the total borehole length The specific borehole heat exchanger length defined by the necessary borehole length per square meter of heated carriageway is established to 4 6 m m It corresponds to that of the real system The system is simulated in various sites The results show that the required borehole length does not only depend in a considerable way on the ground thermal conductivity but also on the specific heating demand to keep the bridge frost free For the Serso case a ground thermal condu
54. ctivity variation from 4 to 1 W mK makes the specific borehole heat exchanger length increase from 4 7 to 8 9 m m The four bridge variants require a specific heating energy that lies between 100 and 130 kWh m an The resulting specific borehole heat exchanger length having a ground thermal conductivity of 4 4 W mK varies from 3 9 to 6 9 m m For all the other cases simulated in other places the specific borehole heat exchanger length varies from 2 5 to 8 9 m m In certain situations no solution was found as the total borehole length would have been far to large The sensitivity of the specific borehole heat exchanger length to the main ground parameters has been assessed The ground thermal conductivity is remaining the preponderant parameter if a regional ground water flow is not present in a thick ground layer and with a large Darcy velocity The effect of a ground water flow is positive if the incoming water has a temperature which is not smaller than the mean initial ground temperature in the store volume vi Impressum The BRIDGESIM simulation tool is also at the disposition of the sector professionals It was developed as a TRNSED application so that its usage does not require specific and prior knowledge of TRNSYS vii Impressum Zusammenfassung Das Serso Projekt ist entstanden aus der Idee eine Br cke mit Hilfe der Solarw rme zum entfrosten Es resultiert in einem Konzept basiert auf der saisonalen Speicher
55. d Pahud D and Hellstr m G 1996 The New Duct Ground Heat Model for TRNSYS EUROTHERM Physical Models for Thermal Energy Stores A A van Steenhoven and W G L van Helden eds March 25 27 pp 127 136 Eindhoven The Netherlands Pahud D Fromentin A and Hadorn J C 1996 The Duct Ground Heat Storage Model DST for TRNSYS Used for the Simulation of Heat Exchanger Piles User Manual December 1996 Version Internal Report LASEN DGC EPFL Switzerland 39 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique o sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN Remund J and Kunz S 2004 Meteonorm Version 5 1 Global meteorological database for applied climatology www meteonorm com Sommer M 1999 Serso Sonnenenergier ckgewinnung aus Strassenoberfl chen Messkampagne und Simulation des saisonalen Erdspeichers Zwischenbericht Bundesamt f r Energie Bern 40 Annexe 1 Simulation du stockage de chaleur dans le terrain de l installation Serso et calibrage sur deux ans de mesure Table des mati res A1 Simulation du stockage de chaleur dans le terrain de l installation Serso et calibrage sur deux ans de mesure sss ti a p AI I A1 1 Mod le de stockage LI p Al l A1 2 Mesures effectu es sur le stockage _ss asd sr srsCrs i L p Al 1 A1 2 1 Puissances thermiques transf r es LI p Al 2
56. d ral de l Energie est remerci pour son soutien financier sans lequel cette tude n aurait pas pu tre effectu e L Abteilung Energietechnik de la Berner Fachhochschule HTA Burgdorf est galement vivement remerci e pour la disponibilit et la mise disposition des mesures effectu es sur l installation Enfin toutes les personnes impliqu es d une mani re ou d une autre dans ce travail sont galement remerci es 38 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique o sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN 10 References Fromentin A Pahud D Jaquier C et Morath M 1997 Recommandations pour la realisation d installations avec pieux changeurs Empfehlungen f r Energiepfahlsysteme Rapport final d cembre 1997 Office f d ral de l nergie Bern Switzerland Hellstr m G 1989 Duct Ground Heat Storage Model Manual for Computer Code Department of Mathematical Physics University of Lund Sweden Hellstr m G and Nordell B 1988 A Posteriori Study and Redesign of Large Scale Borehole Heat Store in Lule Sweden Proceedings of JIGASTOCK 88 Versailles France Hellstr m G Sanner B 2000 Earth Energy Designer User s Manual version 2 0 http www blocon se earth htm Hopkirk R J Hess K Eugster W J und Knobel P 1994 Serso Pilotprojekt zur Sonnenenergier ckgewinnung aus Stra
57. d in duct store 6 E oO 30 4 recovered from duct store 40 2 50 0 z u gt 00 Zz D Lc Mm B Cc C C m gt m U Li Zio de m re o oe 20th year Figure A3 5 Example of output result produced with BRIDGESIM XLS continued Other macros in BRIDGESIM XLS allow the user to visualise results of multiple simulations produced with the TRNSED application BRIDGESIM A3 23 A3 8 Input parameters to PREBID The PREBID programme from the TRNSYS package is used to define and calculate bridge thermal parameters The PREBID version 5 0 8 was used and the bridge parameters are stored in text files that are then read as input data by BRIDGESIM The input parameters used in this section correspond to the bridge defined for the Serso project The bridge structure composed of various material layers is divided into two parts the bridge section above the pipe plane and the bridge section below the pipe plane see figure A3 6 Bridge top part thermal volumetric heat conductivity capacity 50 mm asphalt 4 0 W mK 2 0 MJ Mm K 40 mm mortar 2 4 W mK 2 4 MJ m K Pipe split in 2 parts 40 mm mortar 2 4 W mK 2 4 MJ m K Res KS RS ES 400 mm 8 Reinforced 4 R x concrete 2 1 W mK 2 4 MJ m K SS xy plate ES z ese x Mes x X x RS x insulation 0 056 W mK 0 2 MJ m K 100 mm Bridge bottom part Figure A3 6 Section of the bridge in Serso subdivided into two parts above and below the pipe plane PREBID is used to define one zon
58. die Temperatur des Wassers am Eingang nicht niedriger ist als die mittlere Temperatur des Gel ndes im Speichervolumen vor der in Betriebnahme des Systems Das Simulationstool BRIDGESIM steht auch Fachleuten zur Verf gung da es als TRNSED Anwendung entwickelt wurde Besondere Erfahrungen und Vorkenntnisse von TRNSYS sind somit nicht erforderlich Recherche nerg tique _ Programme de recherche nerg tique sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN Table des mati res We Introduction A ES 2 2 SODJECHIS eat as a ns nn arcane ade cs aie nn ees Oe 3 3 Mod le de Simulation 2280206 nt nnne nanne nunnana nnana 4 4 Courbe de chauflage 2 2 accents sass des ote ee 4 4 1 D finition de la courbe de chauffage 4 4 2 Etablissement de la courbe de chauffage nn nennen nnnnnnnnnnnnnnnnn nn 6 4 3 Courbe de chauffage pour quelques variantes de pont 8 5 Optimisation du syst me pour le cas de Serso uuu22uu00nnn0nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn 10 5 1 Tol rance ins la rail 10 5 2 S tuallon de d part lt il cala 10 5 3 Espacement entre les sondds n e een a 11 5 4 Contr le des gains solaires u aa Haken 12 5 5 Longueur des sondes g othermiques 13 5 6 Profondeur des sondes g othermiques 14 5 7 R sistance thermique des sondes g othermiques
59. du ciel ou des mesures quivalentes Il a t pr f r de simuler le modele complet du syst me en utilisant le mod le calibr du stockage diffusif et en se basant sur une ann e m t orologique typique g n r e avec M t onorm qui permette de calculer de fa on ind pendante les pertes radiatives et les pertes convectives du pont A2 3 2 Sensibilit des performances du syst me aux principaux param tres de simulation Les param tres du stockage ont d j t calibr s et ne sont pas vari s Ce sont les principaux param tres du pont et de la r gulation du syst me qui sont vari s dans des limites plausibles de mani re ce qu ils restent compatibles avec leur signification physique Les param tres calibr s sont coefficient de transfert de chaleur convectif la surface du pont Uconvection W m K pour des raisons de simplification et de degr de calibration possible une valeur constante est donn e au mod le absorption de la chauss e au rayonnement solaire Ochauss e conductivit thermique de la couche d asphalte Xasphatte W mK r sistance thermique entre le fluide caloporteur et le pont dans le plan des tubes R K W m diff rence de temp rature pour l enclenchement et le d clenchement du syst me dans le mode de fonctionnement captage ON OFF captage Les sensibilit s aux param tres calibr s de la quantit d nergie annuelle stock e de la quantit d
60. e C 01 01 99 1999 T plan tubes T fluide moyen 02 03 99 02 05 99 Date 02 07 99 01 09 99 01 11 99 01 01 00 Figure A2 8 Valeurs horaires des mesures de temp rature effectu es en 1999 relatives aux ponts pour l installation Serso o N O1 oO N oO 150 100 Puissance thermique kWh h O1 0 01 01 99 1999 02 03 99 P charge stock P d charge stock 3 so de ti et ti 7 dl See Fe 3 dei ei 8 e 2 wee 6 hee n a alli cht de Fad BY gt ee R s POL DA te ra DE ci Sta lt i u Way e_N ty z j gt A tie o Ko p oe do ue e a x ois F DIRE Di i ne er cy ri LI 2 PET FE r OHREN Kr o s m _ Se 9 ioe R Pia AGI A see oe 3 af SS RNA 3 K aes fs e ES lt SPRL Se 3 ER retata sie al AD ber eae dA z pe Se Re A are fr Liga k RIT I ois DTA 02 05 99 02 07 99 Temps 01 09 99 01 11 99 01 01 00 Figure A2 9 Valeurs horaires des mesures des puissances thermiques effectu es en 1999 relatives aux ponts pour l installation Serso A2 12 La proc dure de calibration ne peut pas tre effectu e sur le mod le de pont comme elle l a t faite sur le mod le de stockage diffusif Dans les mesures il manque des variables m t os comme la temp rature radiative
61. e nerg tique _ Programme de recherche nerg tique sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN Dans la table 7 3 la sensibilit de la longueur sp cifique de sonde la capacit thermique volumique du terrain est indiqu e pour le crit re de temp rature NTs fix 10 Kh a Syst me optimum pour le pont de r f rence simul Longueur de sonde par m tre carr Serso D rlingen de chauss e Capacit thermique volumique 1 7 MJ M8K 5 3 m m 3 du terrain 2 2 MJ m k 5 1 m m 0 2 7 MJ m K 5 0 m m 2 Table 7 3 Sensibilit de la longueur de sonde par m tre carr de chauss e la capacit thermique volumique du terrain pour le syst me simul Serso D rlingen 7 4 Sensibilit l coulement de l eau souterraine La sensibilit l coulement de l eau souterraine est calcul pour deux cas de figure Un coulement dans une couche de terrain de faible paisseur 2 m et localis e vers la surface entre 7 et 9 m et donc encore sous l influence des variations saisonni res des conditions m t orologiques Et un coulement dans une couche de terrain d paisseur extr me 100 m situ e entre 7 et 107 m Les r sultats des simulations sont consid rer de fa on indicative puisque les calculs li s au d placement de l eau souterraine sont bas s sur des approximations dans le mod
62. e errechnet Daraufhin werden die folgenden Gr ssen optimiert der Abstand zwischen den Erdw rmesonden die Regulierung der Solargewinne die L nge der Erdw rmesonden und deren Tiefe Der Einfluss anderer Variablen wird ebenfalls evaluiert dieses sind der thermische Widerstand der Erdw rmesonde der Durchmesser der Bohrl cher und zwei auf die Br cke bezogenen Parameter welches die untere Isolationsschicht der Br cke und der Abstand der in der Fahrbahn verlegten Registern sind Da ein Abstand von 5m zwischen den Erdw rmesonden gew hlt werden kann unabh ngig von der Sondentiefe und von der Erdw rmeleitf higkeit ergibt sich die Gesamtl nge der Erdw rmesonden als der wichtigste Parameter bei der Dimensionierung eines solchen Systems Tiefere Sonden haben einen positiven Effekt allerdings ohne wesentliche Verbesserung der gesamten thermischen Systemleistung Andere sekund re Gr ssen sind der thermische Widerstand der Erdw rmesonden und deren Durchmesser Eine Zunahme des spezifischen Warmebedarfs erfordert eine immer gr ssere Gesamtl nge der Sonden was immer relevanter wird Anfangs kann es notwendig sein den spezifische Heizungsbedarf zu begrenzen entweder durch Isolierung der unteren Seite der Br cke oder durch eine Reduzierung der Rohrabst nde innerhalb der Fahrbahn Im Fall des Serso Systems hat man mit der Isolierung der Br cke um 50 l ngere Erdw rmesonden verhindern k nnen Das ergab eine spezifische W rmetauscherl nge
63. e 2 2 MJ m K vitesse de Darcy coulement eau souterraine 0 m s 4 couche de molasse partie 2 paisseur 1000 m conductibilit thermique 4 5 W mK capacit thermique volum trique 2 2 MJ m K vitesse de Darcy coulement eau souterraine 0 m s Table A1 4 Param tres de simulation relatifs au terrain A1 3 3 Conditions initiales Les conditions initiales sont galement importantes dans la mesure o le stockage doit se trouver dans un tat semblable celui dans lequel il se trouvait au d but de la p riode de mesure En particulier la temp rature moyenne du stockage doit correspondre celle qui est obtenue des mesures Avant de d buter la simulation le mod le de calcul permet de simuler une variation sinusoidale de la temp rature du stockage avec une p riode annuelle et pendant un nombre arbitraire de p riodes cycles de pr chauffage Les conditions initiales de ce calcul sont la temp rature initiale du terrain Les conditions aux bords sont fix es par la temp rature de l air dont l volution suit galement une variation sinusoidale Ce calcul permet d amener l tat du stockage dans des conditions initiales pour la simulation qui sont proches de celles qui sont d sir es dans notre cas c est l tat du stockage au d but de la p riode de mesure L amplitude de variation de la temp rature du stockage est d environ 3 K Le niveau de temp rature moyen du stockage est a
64. e Serso sont num r es dans la table 5 3 Conductivit thermique moyenne du terrain 4 4 W mK Temp rature moyenne initiale du terrain 11 9 C Nombre de sondes g othermiques 40 Longueur d une sonde g othermique 150 m Type de sonde g othermique double U R sistance thermique d une sonde g othermique 0 12 K W m Espacement entre les sondes 5m Surface de chauss e de pont d givrer 1 300 m Courbe de chauffage du pont TS2 10 C et TS3 4 C Contr le des gains solaires EN AT 8K et HORS AT 4K sur les 150 premiers m tres de profondeur Temp rature moyenne du terrain en surface 10 C Table 5 3 Caract ristiques du syst me optimal pour le projet Serso 18 Recherche nerg tique _ Programme de recherche nerg tique mr sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN 6 Optimisation du systeme pour differents sites 6 1 Introduction Le pont simul pour le syst me de Serso cas de r f rence pont isol sur sa face inf rieure et espacement des serpentins de 25 cm dans la chauss e est utilis pour dimensionner le syst me dans d autres endroits g ographiques Dans ce chapitre le syst me est simul pour les sites suivants e Serso D rlingen nord des Alpes e Faido sud des Alpes sur l axe du Gotthard e Wassen nord des Alpes sur l axe du
65. e inlet fluid in the duct store when the duct store is loaded in the case FLMEAN 0 If FLMEAN 1 the temperature level is the average inlet outlet C mean duct store temperature kWh recovered heat from duct storage only negative values C temperature level of the outlet fluid from the duct store when the duct store is unloaded in the case FLMEAN 0 If FLMEAN 1 the temperature level is the average inlet outlet kWh heating in bridge only negative values C temperature level of the inlet fluid in the bridge when the bridge is heated in the case FLMEAN 0 If FLMEAN 1 the temperature level is the average inlet outlet C mean outdoor air temperature A3 16 Third simulation summary tload tunload HHorTot SolEff DuctEff EffSys QLoadSpe PLoadSpe QUnloadSpe PUnloadSpe h duration of the system loading operation solar collection duration h duration of the system unloading operation bridge heating duration kWh m total incident solar radiation on bridge surface per square meter solar heat collection efficiency of the bridge QSolBridge QSolar duct store efficiency QUnloadStk QLoadStk system efficiency QHeatBridg QElecLoad QElecUnloa kWh m injected energy in duct store per meter borehole heat exchanger W m mean injected power in duct store per meter borehole heat exchanger kWh m extracted energy from duct store per
66. e nombre minimum de sondes g othermiques La figure 6 5 ne permet la d termination d un syst me optimal que pour la valeur de conductivit thermique la plus lev e du terrain A noter que la valeur de 4 W mK est souvent rencontr e dans la r gion de Stockholm tant donn que le type de rocher est g n ralement granitique La valeur obtenue est num r e dans la table 6 14 Syst me optimum pour le pont de r f rence simul Longueur de sonde par m tre carr Stockholm de chauss e conductivit thermique du terrain 4 W mK 8 9 m m Table 6 11 Longueur de sonde par m tre carr de chauss e pour le syst me simul Stockholm en fonction de la conductivit thermique du terrain DO Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique o sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN 6 7 Synthese des resultats La simulation du systeme de Serso dans diff rents sites a montr que la longueur de sonde n cessaire d pend non seulement fortement de la conductivit thermique du terrain mais aussi de la demande sp cifique d nergie de chauffage annuelle pour le d givrage du pont Dans le graphe de la figure 6 6 la longueur de sonde n cessaire par unit de surface de pont d givrer est report e en fonction des besoins sp cifiques de chauffage d finis par le rapport entre l nergie an
67. e whose temperature is the average bridge temperature in the pipe plane The heat transfer from the zone pipe plane to the environment occurs by transmission only through the top part and the bottom part of the bridge i e through two horizontal walls The heat transfer from the fluid circulating in the pipes and the zone is calculated with a thermal resistance whose calculation is detailed in annex 2 This heat transfer is calculated in BRIDGESIM on the basis of the zone pipe plane temperature inlet fluid temperature and flow rate and given as input to the zone model as a convective heat gain For this reason the thermal conductivity of the material in which the pipes are imbedded mortar is an input parameter to BRIDGESIM and must correspond to the value given in PREBID The bridge input parameters are shown in figures A3 7 to A3 11 with BREBID input parameter screen A3 24 PREBID interface for the bridge definition PREBID Manager ae Only one zone is defined The zone is called PONT 3 Two orientations are defined for solar radiation Project Project ile IMOD LEDEPONTPOURSERSO 0 description ZONE A TEMPERATURE FLOTTANTE POUR LE PLA created by HORIZONTAL UNDER unlike the HORIZONTAL orientation the UNDER orientation corresponds to the bottom face of the bridge and no solar radiation is received address city Comments Orientations Figure
68. ed and used for the simulation They are NEPF total number of borehole heat exchangers HEPF m average active length of all the borehole heat exchangers BBore m average spacing between the borehole heat exchangers FloEPF kg h total mass flow rate through the bridge and the duct store flow circuits SRoad m total heated bridge area VolTank m short term water tank volume FLMEAN parameter for average inlet outlet FLMEAN 1 or not FLMEAN 0 when the mean temperature levels are computed Maximum or minimum values of some selected quantities are calculated on a regular time interval month or year PMaxSolBri kW maximum hourly thermal power recovered from the bridge solar thermal power PMaxLoaDST kW maximum hourly thermal power injected into the ground duct store PMinUnload kW as extracted heat is negative the minimum corresponds to the maximum hourly thermal power extracted from the ground duct store PMinHeatBr kW as heating energy delivered to the bridge is negative the minimum corresponds to the maximum hourly thermal power injected into the bridge TfMinStk degree C minimum inlet fluid temperature in the ground duct store during operation TfMaxStk degree C maximum inlet fluid temperature in the ground duct store during operation A3 15 Integrated or average quantities of various quantities are calculated on a regular time interval month or year They a
69. ence de temp rature Cette derni re doit avoir une valeur plus lev e pour l enclenchement que pour le d clenchement afin de limiter un fonctionnement instable du systeme caracterise par une alternance d enclenchements et de d clenchements des pompes de circulation La figure 5 2 permet de montrer la sensibilit du crit re de temp rature NTs et de l efficacit annuelle du systeme aux diff rences de temp rature d enclenchement et de d clenchement du contr leur solaire L efficacit annuelle du syst me est d finie comme la quantit d nergie thermique inject e dans le pont pour son d givrage rapport e l nergie lectrique absorb e par les pompes de circulation durant un cycle annuel oO Differences de temperature ON OFF pour le captage des gains solaires de 10 4 K 8 4 K N oO O O O1 oO Diff pour enclenchement Critere de temp rature Kh a N oO Efficacite annuelle du systeme 10 8et6K 30 NTsurface pont lt 0 C E Efficacit syst me 20 10 0 0 1 2 3 4 5 Diff rence pour d clenchement K Figure 5 2 Sensibilit du crit re de temp rature et de l efficacit annuelle du systeme aux crit res d enclenchement et de d clenchement du contr leur solaire Le crit re de temp rature est mieux satisfait si les diff rences de temp rature pour le captage des gains solaires sont abaiss es Tou
70. epr sentatifs et gale distance des sondes les plus proches de mani re ne pas tre influenc e par les variations de temp rature court terme au voisinage des sondes La visualisation de l volution de chacune des mesures de temp rature permis de d terminer les mesures d fectueuses pendant les deux ann es analys es Sur les 45 mesures de temp rature enregistr es 34 ont pu tre utilis es La temp rature moyenne du stockage est par d finition la temp rature moyenne du terrain dans le volume de stockage Ce dernier est simplement d fini en sachant que les sondes de l changeur souterrain sont verticales de m me longueur et r guli rement espac es Ainsi chaque sonde occupe la m me surface de terrain En multipliant cette surface par la longueur d un forage et par leur nombre le volume obtenu quivaut au volume touch par l changeur souterrain Ce volume est d fini comme le volume du stockage Le calcul de la temp rature moyenne du stockage a t fait en d coupant son volume en couches horizontales superpos es et en cylindres creux embo t s A chaque portion de volume ainsi d coup correspond une temp rature constante qui est d termin e par une ou plusieurs mesures La temp rature moyenne du stockage est ensuite calcul e en pond rant les temp ratures de chaque portion de volume par leur taille La temp rature moyenne du stockage est le r sultat des conditions pass es de charge et
71. essLayer Active Lave Massive Layer MasslessLayer Active Layer conductivity 144 kJ hmK conductivity 884 kJ hmk capacity fessi kJ kgK capacity Fr kJ kaKk density 2000 kg n density 2400 kg m Cancel Cancel Layer Type Manager Layer Type Manager IN sese ss ID vec ECTS Massive Layer Massless Layer active Layer Massive Layer C Massless Layer Active Laver conductivity 756 kJ hmkK conductivity Er kl hmK capacity a kJ kg Kk capacity Fi kJ kgK density 2400 kg m density 200 kg m Figure A3 10 Input parameters in BREBID for the thermal characteristics of the various material layers No window no infiltration no ventilation no heating and no cooling is defined Only a convective heat gain for the zone PONT see figure A3 11 A3 28 Gains Zone PONT Persons F1 fe off Cancel Computer Artificial Lighting Other Gains Type Scale Geo Position SERPENTINS 1 Add Delete gaintype SERPENTINS EN scale n fi A heat gain called SERPENTINS is defined in zone PONT The heat gain SERPENTINS is purely convective and is an input variable called QSER Gain Type Manager A i gain type Sa radiative power a fo kJ hr convective power W fi 1 QSER kJ hr abs humidity a fo kg hr Figure A3 11 Input parameters in BREBID for the definition of the input convective heat gain in the zone PONT A3 29
72. et proc dure de calibration La temp rature du pont a t mesur e a plusieurs endroits dans le plan des tubes et complete les mesures de temp rature du fluide caloporteur a l aller et au retour des serpentins et les mesures des puissances thermiques chang es Une synth se des mesures est donn e dans la table A2 4 et les figures A2 6 et A2 7 pour 1998 et la table A2 5 et les figures A2 8 et A2 9 pour 1999 A2 9 Mesures de Temp rature Energie solaire Temp rature Energie 1998 moyenne du stock e dans le moyenne du thermique fluide en mode stockage diffusif fluide en mode d stock e pour captage d givrage d givrer les ponts C kWh C kWh Janvier 7 1 23 780 F vrier 7 0 227300 Mars 13 9 880 6 8 5 490 Avril 13 2 4 430 6 9 200 Mai 17 6 19 140 Juin 18 8 35 060 Juillet 20 1 27 840 Ao t 21 5 9 210 Septembre Octobre Novembre 1 2 17 960 D cembre 6 7 30 270 Ann e 19 0 96560 7 1 100 000 Dur e de marche annuelle 560 heures 1 050 heures Table A2 4 Valeurs mensuelles des mesures effectu es en 1998 relatives aux ponts pour installation Serso T plan tubes 30 T fluide moyen Temp rature C a 10 01 01 98 02 03 98 02 05 98 02 07 98 Date 01 09 98 01 11 98 01 01 99 Figure A2 6 Valeurs horaires des mesures de temp rature effectu
73. ezza specifica delle sonde geotermiche che vale 4 6 m m per definizione la lunghezza di sonda necessaria per ogni metro quadrato di carreggiata riscaldata Corrisponde a quella del sistema reale Il sistema simulato in diversi siti risultati mostrano che la lunghezza di sonda necessaria dipende non solo in modo molto forte dalla conduttivit termica del terreno ma anche dal fabbisogno specifico di riscaldamento per lo sbrinamento del ponte Per il caso di Serso una variazione della conduttivit termica da 4 a 1 W mK induce un aumento della lunghezza specifica delle sonde geotermiche da 4 7 8 9 m m Le diverse varianti di ponte simulate richiedono un fabbisogno specifico di riscaldamento che varia da 100 a 130 kWh m a Questo con un terreno di conducibilit termica di 4 4 W mK induce una variazione della lunghezza specifica delle sonde da 3 9 a 6 9 m m Per tutti i casi simulati nei vari siti la lunghezza specifica di sonda geotermica varia da 2 5 a 8 9 m m In certi casi nessuna soluzione stata trovata perch la lunghezza di sonda dovrebbe essere molto pi elevata Impressum La sensibilit della lunghezza di sonda ai principali parametri del terreno stata valutata La conducibilit termica del terreno rimane un parametro preponderante se un movimento dell acqua di falda non presente in uno strato di terreno di spessore grande e con una velocit di Darcy elevata L effetto di un movimento dell acqua
74. garantir en tout temps la condition 4 1 sans devoir injecter une puissance thermique importante un niveau de temp rature lev Un compromis doit tre trouv Afin de pouvoir chauffer le pont la temp rature la plus basse possible il est n cessaire d accepter que de temps en temps la temp rature de surface du pont passe l g rement en dessous de 0 C Un seuil de tol rance doit tre choisi bas sur un crit re qui permette de mesurer combien le syst me s carte de la prestation de base qu il doit satisfaire d finie par le crit re 4 1 Le non respect du crit re 4 1 est mesur avec des degr s heures annuels d finis comme suit NTs f na 0 Ts dt si Ts lt 0 C et si Tair gt 4 C 4 2 NTs est la somme des degr heures annuels de la diff rence entre 0 C et Ts lorsque cette derni re est n gative et lorsque la temp rature de lair ext rieur est sup rieure 4 C NTs est une mesure du non respect du crit re de temp rature fix pour la surface du pont d fini par la condition 4 1 Cette mesure int gre aussi bien l cart de temp rature a la temp rature de r f rence 0 C que sa dur e d occurrence Elle est mesur e en Kelvin heure par an Kh a La courbe de chauffage doit tre choisie pour avoir NTs quasiment nul tout en maintenant l nergie de chauffage annuelle aussi basse que possible La courbe de chauffage est d finie par le diagramme de la figure 4 1 N oO
75. hauffage recalcul e pour le site de Wassen est montr e dans la table 6 8 Pont de r f rence isolation sous la face inf rieure du pont espacement tubes 25 cm Pour Ts lt 0 C et Ta gt 4 C NTs 2 5 Kh an Energie de chauffage Qch 238 MWh an Table 6 8 Courbe de chauffage pour le pont de r f rence situ Wassen Les r sultats des simulations sont montr s dans la figure 6 8 D4 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique su sur mandat de Projetn 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN Conductivit thermique terrain 1 2 3 et 4 W mK NTsurface pont lt 0 C Energie de chauffage Critere de temperature Kh a 5 oO Profondeur des sondes 150 m D O Energie de chauffage MWh an 20 30 40 50 60 70 80 Nombre de sondes Figure 6 3 Sensibilit du crit re de temp rature la conductivit thermique du terrain pour le syst me de r f rence simul Wassen Le syst me optimal est celui qui permet de satisfaire la valeur maximum tol r e du crit re de temp rature avec le nombre minimum de sondes g othermiques La figure 6 3 ne permet pas de d terminer de syst me optimal m me pour une conductivit thermique du terrain lev e Une augmentation de la longueur des sondes ne permet pas d aba
76. he insulation FRISO layer given as a fraction of store height Hl Average active length of BHE type 1 m m HG11 Thickness of ground layer 1 m m HG2 Thickness of ground layer 2 m m HG3 Thickness of ground layer 3 m m HTANK Water tank heat loss coefficient kJ h m K W m K x 3 6 LCOEPF Length of the horizontal pipes on top of en er the duct store LGI Thermal conductivity of ground layer 1 kJ hmK W mK x 3 6 LG2 Thermal conductivity of ground layer 2 kJ hmK W mK x 3 6 LG3 Thermal conductivity of ground layer 3 kJ h m K W mK x 3 6 LISO Thermal conductivity of the insulation kJ h mK W mK x 3 6 material LPIP Thermal conductivity of the pipe material W mK W mK NI Number of BHE type 1 NSERIE Number of BHE coupled in series Nusselt number for the convective heat NEO transfer from the fluid to the pipe wall i DA PELPUMP Total nominal electric power of the kWh KW x 3600 circulation pumps RAI Internal thermal resistance of BHE type 1 K kJ hm K W m x 1 3 6 RBI Thermal resistance of BHE type 1 K kJ hm K W m x 1 3 6 SROAD Heated bridge area m n Table A3 1 List of the parameters that can be varied in a multiple simulation continued A3 13 Parameter Short description Primary unit sec unit x factor STANK Water tank surface m m TAIRTANK Mean ambient temperature around the C C water tank TEI Outdoor air temperature
77. he simulation starts in January If the simulation starts another month the maximum duration is shorter as the maximum of 25 years is counted from January of the first operational year Time interval for output results quantities can be calculated on a monthly basis or a yearly basis They are integrated heat rates or average values See chapter A3 6 for a complete description of the output results Calculate temperature levels with inlet outlet average this parameter determines if the average temperature levels are calculated with the inlet outlet means in bridge and store yes or not no Print hourly values for last year this parameter determines if the hourly values of some selected quantities are written yes or not no for the last operational year see chapter A3 6 for more details A3 4 2 Weather parameters The four entries are Latitude of the location the latitude of the location where the project is evaluated Longitude difference of the location longitude difference of the location where the project is evaluated It is Lst Lloc where Lst is the standard meridian for the local time zone and A3 4 Lloc is the longitude of the location in question For example Lst 15 for Switzerland and Lloc 8 33 for Z rich East is negative Altitude of the location the altitude of the location where the project is evaluated m Weather data file look in BridgeData directory this file contains weather data on a h
78. i varie de 100 130 kWh m an ce qui pour un terrain avec une conductivit thermique de 4 4 W mK fait varier la longueur sp cifique de sonde de 3 9 6 9 m m Pour tous les cas simul s dans les divers sites la longueur sp cifique de sonde g othermique varie de 2 5 8 9 m m Dans certains cas aucune solution n a t trouv e car la longueur de sonde devrait tre beaucoup trop lev e Impressum La sensibilit de la longueur sp cifique de sonde aux param tres principaux du terrain a t valu e La conductivit thermique du terrain reste le param tre pr pond rant si un coulement de l eau souterraine n est pas pr sent dans une couche de terrain de forte paisseur et avec une vitesse de Darcy lev e L effet d un coulement de l eau souterraine est positif si l arriv e d eau n a pas une temp rature inf rieure la temp rature moyenne du terrain dans le volume de stockage avant la mise en service du syst me L outil de simulation BRIDGESIM est galement accessible aux professionnels du secteur puisqu il a t d velopp comme une application TRNSED de fa on ce que son usage ne requiert pas de connaissances sp cifiques et pr alables de TRNSYS Impressum Summary The Serso project started with the idea of defrosting a bridge with solar heat It does result an energy concept which involves a seasonal ground heat storage in the ground Solar energy is collected during s
79. iantes a montr que l isolation du pont permet de r duire l nergie de chauffage annuelle de m me qu un espacement r duit entre les serpentins du pont Ainsi l effet de la couche de 10 cm d isolation sous le pont est plus ou moins compens par un espacement des serpentins r duit de 25 15 cm Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN 5 Optimisation du systeme pour le cas de Serso 5 1 Tol rance La proc dure tablie pour la d termination de la courbe de chauffage ne permet pas de satisfaire 100 le critere de temperature d fini par la relation 4 1 Ceci est in vitable si l nergie thermique inject e dans le pont ne doit pas tre disproportionnellement lev e Il en va de m me pour l optimisation du syst me Il s agit de dimensionner le champ de sondes g othermiques afin que le crit re de temp rature soit satisfait compte tenu d une certaine tol rance Cette tol rance sera forc ment plus importante que celle adopt e pour l tablissement de la courbe de chauffage En d autres terme il s agit de dimensionner un stockage de chaleur saisonnier dans le terrain avec le moins possible de sondes g othermiques et ceci tout en satisfaisant le crit re de temp rature et la tol rance associ e Il est important de souligner que le concept de tol rance es
80. iau de remplissage 0 8 W mK espacement axe axe de deux tubes oppos s 75 mm d bit de fluide par sonde 440 litres h type de fluide thyl ne glycol point de cong lation du fluide 21 C Table A1 1 Param tres de simulation relatifs l changeur souterrain Couplage hydraulique fluide Couplage hydraulique des sondes En parall le Longueur estim e des raccordements horizontaux 315 m sans les retours donc moiti de la longueur totale Diam tre externe des raccordements horizontaux 90 mm Densit du fluide caloporteur 1070 kg m Capacit thermique du fluide 3 5 KJ kgK Table A1 2 Param tres de simulation relatifs au couplage hydraulique et au fluide caloporteur A1 5 Les raccordements hydrauliques horizontaux entre les sondes sont noy s dans une couche de sable de 20 cm d paisseur Cette couche est sous l isolation et fait donc encore partie du stockage La couche d isolation est constitu e par des morceaux de mousse de verre et fait une paisseur de 25 cm Elle est recouverte par une couche de 30 cm d paisseur avec des mat riaux de tr s faible perm abilit pour limiter les infiltrations d eau travers la couche d isolation Puis une couche de drainage de 30 cm d paisseur et finalement une couche de terre recouvre le tout La surface occup e par le stockage peut nouveau tre cultiv e Dans les calculs l effet de l isolation sur le toit du stockage est pris
81. ig Al 5 Puissance thermique calcul e et mesur e en extraction de chaleur au cours d une p riode avec une utilisation partielle des sondes du stockage A1 10 Mesure Calcul Fraction de sondes utilis es 300 200 2 0 9 5 ce n 100 12 gt S A S LL 0 0 7 8 98 Oh 7 8 98 12h 8 8 98 Oh 8 8 98 12h 9 8 98 Oh Fig Al 6 Puissance thermique calcul e et mesur e en injection de chaleur On observe une utilisation partielle des sondes le 8 ao t 1998 Lorsque la totalit des sondes sont utilis es la correspondance calcul mesure est tout fait satisfaisante et montre que les effets dynamiques court terme sont bien reproduits par le modele Les graphes des figures A1 7 et A1 8 permettent de le confirmer pour diff rents jours au cours des deux ans de mesure ann Mesure Calcul Fraction de sondes utilis es i I 200 Aa MURS 2 9 5 ir f s c N 5 100 12 gt o ii LL 0 0 30 6 98 Oh 30 6 98 12h 1 7 98 Oh 1 7 98 12h 2 7 98 Oh Fig A1 7 Puissance thermique calcul e et mesur e en injection de chaleur durant l t 1998 Al 11 _ Mesure Calcul Fraction de sondes utilis es 0 2 100 2 9 8 5 c a 8 20 yy 18 5 O A L 1 8 LL 300 0 1 2 99 Oh 1 2 99 12h 2 2 99 Oh 2 2 99 12h 3 2 99
82. ion identit en p riode d extraction nergie journali re negative sont ceux pour lesquels le nombre de sondes g othermiques utilis es a t r duit Inversement ces points se d tachent au dessus de la fonction identit en p riode d injection nergie journali re positive A1 9 Calcul MWh jour oO Energie journali re transf r e Fonction identit Fig Al 4 puissance transf r e lorsque seule une fraction des sondes est utilis e 2 0 1 2 3 Mesure MWh jour Comparaison calcul mesure des nergies journalieres transf r es par l changeur souterrain pour les deux ann es de mesures Le nombre de sondes utilis es est fonction du nombre de branches en fonction Chacune des 4 branches du stockage a sa propre pompe dont l tat de marche est mesur En cons quence la fraction de sondes utilis es est connue au cours du temps La figure A1 5 permet de visualiser des p riodes de 2 jours o parfois seule une fraction des sondes est utilis e Les graphes des figures A1 5 et A1 6 permettent de confirmer la surestimation de la 4 Mesure Calcul Fraction de sondes utilis es NI EIER FIELEN II En 100 i ABARTH 2 g il IEY EE f EGY S 9 sis RESSE Ed 5 j Dee e he x c movi TI Mode nat 4 v i 9 200 n i 7 a D O LL 300 0 10 1 98 Oh 10 1 98 12h 11 1 98 Oh 11 1 98 12h 12 1 98 Oh F
83. isser sensiblement le crit re de temp rature Il est possible que la limite fix e pour le crit re soit trop basse et reste en dessous de l asymptote horizontale vers laquelle tendent les courbes simul es Dans ce cas si un tel syst me est malgr tout souhait il est n cessaire d augmenter significativement le niveau de tol rance et d accepter une longueur des sondes g othermiques importantes 25 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique o sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN 6 5 Systeme simul a Z rich Les caract ristiques g ographiques et m t orologiques du site de Z rich obtenues avec le logiciel Meteonorm 5 1 Remund et Kunz 2004 sont r sum es dans la table 6 9 Site Z rich Altitude 413m Latitude 47 2 Longitude 8 3 Est Situation lac Temp rature moyenne annuelle de l air 9 390 moyenne journali re minimum de l air 8 5 C moyenne journali re maximum de l air 24 4 C Ensoleillement horizontal annuel 1 090 kWh m a Ensoleillement horizontal annuel avec effet de l horizon lointain 1 090 kWh m a les simulations sont effectu es avec la prise en compte de l horizon lointain Table 6 9 Caract ristiques g ographiques et m t orologiques du site de Z rich La courbe de chauffage recalcul e pour le site de Z rich est montr e dans la
84. just pour obtenir une temp rature moyenne de stockage comparable a celle du d but des 2 ans de mesures L ajustement livre une temp rature moyenne de 13 C Les param tres relatifs aux cycles de pr chauffage sont num r s dans la table A1 5 A1 7 Cycles de pr chauffage du stockage Nombre de cycles 1 cycle dure 1 ann e 4 Temp rature du stockage temp rature moyenne 13 C amplitude de variation 1 5 K Min 11 5 C max 14 5 C d phasage 180 jours Temp rature de I air temp r ature moyenne 9 C amplitude de variation 10 K Min 1 C max 19 C d phasage 120 jours Table A1 5 Param tres de simulation relatifs au pr chauffage du stockage A1 4 Comparaison simulation mesure Le d bit total et la temp rature du fluide caloporteur sont donn s comme variables d entree au mod le de simulation de m me que la temp rature de l air ext rieur Parmi les variables calcul es par le mod le la temp rature moyenne du stockage et la puissance thermique transf r e par l changeur souterrain peuvent tre directement compar es aux valeurs issues des mesures cf figures A1 2 et A1 3 14 Pey ha Pay 14 13 12 11 10 Temp rature du stockage C 8 1 1 98 2 4 98 2 7 98 1 10 98 1 1 99 2 4 99 2 7 99 1 10 99 1 1 00 8 Fig Al 2 Mesure et calcul de la temp rature
85. le de stockage diffusif utilis dans BRIDGESIM voir Pahud et al 1996 Les deux cas de figure sont pr sent s dans les figures 7 4 et 7 5 Le crit re de temp rature est montr en fonction de la longueur de sonde pour diverses valeurs de vitesse d coulement de l eau souterraine 0 0 01 0 1 0 5 1 0 1 5 10 et 100 m jour 35 Recherche nerg tique _ Programme de recherche nerg tique su sur mandat de Projetn 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN et 40 35 _ _ Crit re Tsurface pont 140 m Energie de chauffage 120 Vitesse de Darcy dans couche de terrain de 2 m d paisseur entre 7 et 9m 100 0 0 01 0 1 0 5 1 1 5 10et 100 m jour N O1 Degr heures par an Kh a S Energie de chauffage MWh an 15 10 5 Profondeur des sondes 150 m 0 20 30 40 50 60 70 80 Nombre de sondes Figure 7 4 Sensibilit du crit re de temp rature a la vitesse d coulement de l eau souterraine dans une couche de 2 m d paisseur pour le syst me de r f rence simul a Serso D rlingen Crit re Tsurface pont m Energie de chauffage Vitesse de Darcy dans couche de terrain de 100 m d paisseur entre 7 et 107 m 0 0 01 0 1 0 5 1 1 5 10 et 100 m jour N O1 O1 Degr heures par an Kh a S S
86. le des sondes g othermiques de 5 ce qui correspond l conomie de 2 sondes de 150m sur les 40 du cas analyse Il s agit donc de savoir si le co t suppl mentaire caus par l utilisation d une machine plus puissante pour forer avec un diam tre plus grand est inf rieur a l conomie r alis e par la r duction de la longueur totale des sondes g othermiques 16 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN 5 9 Isolation du pont et espacement des serpentins Dans cette section l influence de l isolation sous le pont et de l espacement des serpentins dans la chauss e du pont est valu e sur la longueur totale des sondes g othermiques Le cas de r f rence cas optimis de la section 5 5 est un pont isol avec 10 cm d isolation sous sa face inferieure et un espacement de 25 cm des serpentins Trois cas suppl mentaires sont simul s ce qui permet de comparer les 4 situations suivantes e cas 1 pont isol avec 10 cm d isolation dessous espacement de 25 cm des serpentins e cas 2 pont isol avec 10 cm d isolation dessous espacement de 15 cm des serpentins e cas 3 pont sans isolation espacement de 25 cm des serpentins e cas 4 pont sans isolation espacement de 15 cm des serpentins La figure 5 7 permet de montrer la sensibilit du critere de temp rature NTs a
87. le toit du stockage D autre part les conditions initiales doivent tre repr sentatives des conditions A1 4 dans lesquelles se trouvait le stockage au d but de la p riode de mesure soit 4 ans apr s la mise en service de l installation A1 3 1 Param tres relatifs au stockage Les param tres donn s dans les tables A1 1 a A1 3 sont les param tres n cessaires a la simulation du stockage La liste des param tres tablie pour la simulation d un syst me avec pieux changeurs Fromentin et al 1997 permet de prendre en compte les transferts de chaleur principaux pour ce type d application Echangeur souterrain Nombre de sondes g othermiques N 91 Longueur active des sondes H 65m Espacement des sondes B 3 m arrangement hexagonal Surface de terrain occup e par sonde B x 3 2 7 8 m sonde Volume de stockage B x V3 2xNxH 46 100 m Diam tre des sondes forage 11 5 cm Type de sonde Double U Diam tre int rieur des tubes formant les U 26 mm Mat riau de remplissage Bentonite et ciment R sistance thermique d une sonde R 0 0 12 K W m R sistance thermique interne d une sonde R 0 44 K W m 1 calcul avec le programme EED Hellstr m and Sanner 2000 et les parametres suppl mentaires suivants diam tre externe interne du tube en plastique 32 26 mm conductibilit thermique du tube en plastique 0 42 W mK conductibilit thermique du mat r
88. limit below which C _ C bridge heating is stopped Outdoor air temperature below which the 3 5 TE2 i C C forward fluid temperature is constant Outdoor air temperature below which 3 rE bridge heating is allowed S aC TGRDIN Mean undisturbed ground temperature at C C the surface TS2 Set point fluid temperature in bridge at C _ C TE2 normally is the maximum value a TS3 Set point fluid temperature in bridge at C _ C TE3 normally is the minimum value u VOLTANK Water tank volume m m Table A3 1 List of the parameters that can be varied in a multiple simulation continued If a parametric study is performed with the borehole parameters RB1 RAI N1 H1 it is best to define only one type of BHE A multiple simulation is started once a parameter table has been created using the command Run Table in the menu TRNSYS A3 6 Output data from BRIDGESIM The output data from BRIDGESIM are written in four different files Two files contain the input information given to BRIDGESIM and possible error messages and two files contains the calculated quantities by BRIDGESIM Assuming that the file containing the input data is called BRIDGESIM TRD the following files are written e BRIDGESIM LST listing file e DST DAT input data related to TRNVDSTP BRIDGESIM OUT output data calculated parameters integrated quantities e BRIDGESIM PLT output data evolution of selected variables When a simulation is
89. longueur totale conserv e W oO Critere de temperature Kh a S 5 Energie de chauffage MWh an oO oO Espacement des sondes m Figure 5 1 Sensibilit du crit re de temp rature et de l nergie annuelle de chauffage a l espacement entre les sondes La sensibilit est calcul e pour deux profondeurs de sonde diff rentes pour lesquelles la longueur totale des sondes est Egale Un espacement de 5 m entre les sondes peut tre adopt aussi bien avec les sondes de 65 m que celles de 148 m Comme le critere de temperature est mieux satisfait avec des 41 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique o sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN sondes plus profondes la longueur des sondes est fix e 148 m ce qui r duit le nombre de sondes de 91 40 Des simulations ont montr que l allure des courbes de la figure 5 1 restent les m mes si la conductivit thermique du terrain est vari e de 2 a 4 W mk Il s ensuit seulement un d placement vertical qui va vers le bas pour une conductivit thermique du terrain plus lev e En cons quence l espacement de 5 m est galement appropri pour d autres valeurs de conductivit thermique du terrain 5 4 Contr le des gains solaires Le captage des gains solaires est contr l par un r gulateur qui fonctionne sur une differ
90. ls NTs qui ne respectent pas le crit re de temp rature pour la surface du pont est inf rieur 3 Kh a Une repr sentation graphique des temp ratures de la surface de la chauss e du pont en fonction de la temp rature de lair ext rieur est montr e dans le graphique 4 4 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique su sur mandat de Projetn 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN Chauffage du pont Temperature de surface de Temperature de l air ext rieur C Figure 4 4 Temp rature de surface du pont en fonction de la temp rature ext rieure avec effet de la courbe de chauffage En pratique le graphique de la figure 4 2 qui permet de visualiser la sensibilit de la courbe de chauffage au param tre TS2 est r p t pour diverses valeurs de TS3 afin de correctement fixer TS2 L intervalle de variation de TS3 doit bien entendu inclure la valeur optimale qui sera choisie une fois le param tre TS2 fixe 4 3 Courbe de chauffage pour quelques variantes de pont La courbe de chauffage a t tablie pour quatre cas e le pont comme ila t construit c est dire avec une isolation thermique de 10 cm d paisseur sous le pont et un espacement de 25 cm entre les tubes des serpentins de la chauss e cf section pr c dente e pont isol et un espacement de 15 cm entre les tubes e pont non isol et un espacement de 25 cm ent
91. lue is set to TS2 Outdoor air temperature below which the bridge surface is heated TE3 outdoor air temperature below which the bridge is heated C Corresponding set point for the forward fluid temperature in the bridge TS3 set value of the forward fluid temperature to the bridge when the outdoor air temperature is equal to TE3 C Outdoor air temperature below which the forward fluid temperature is constant TE2 outdoor air temperature below which the forward fluid temperature is constant C Corresponding set point for the forward fluid temperature in the bridge TS2 set value of the forward fluid temperature to the bridge when the outdoor air temperature is equal to TE2 When the air temperature is between TE2 and TE3 the forward fluid temperature is linearly interpolated between TS2 and TS3 in function of the air temperature C Outdoor air temperature limit below which bridge heating is stopped TE1 outdoor air temperature below which bridge heating is stopped Between TE1 and TE2 the forward fluid temperature is constant and set to TS2 C A3 4 9 Solar controller parameters The 2 entries are Higher dead band temperature for the solar heat controller DT1CST higher dead band temperature for the solar heat controller The temperature difference between the average bridge temperature in the imbedded pipe plane and the outlet fluid from the water tank has to be greater than DTICST before the circulation pu
92. m t orologiques du site de Serso D rlingen obtenues avec le logiciel Meteonorm 5 1 Remund et Kunz 2004 sont r sum es dans la table 6 1 Site Serso D rlingen Altitude 560 m Latitude 46 4 Longitude 75 Est Situation voisinage d un lac Temp rature moyenne annuelle de l air 8 990 moyenne journali re minimum de l air 6 7 C moyenne journali re maximum de l air 23 4 C Ensoleillement horizontal annuel 1 170 kWh m a Ensoleillement horizontal annuel avec effet de l horizon lointain 1 120 kWh m a les simulations sont effectu es avec la prise en compte de l horizon lointain Table 6 1 Caract ristiques g ographiques et m t orologiques du site de Serso D rlingen La courbe de chauffage d j calcul e dans le chapitre 4 est montr e nouveau dans la table 6 2 Pont de r f rence isolation sous la face inf rieure du pont espacement tubes 25 cm 15 Pour Ts lt 0 C et Ta gt 4 C TS2 10 C NTs 2 6 Kh an Energie de chauffage Qch 153 MWh an 10 5 0 5 Ta C Table 6 2 Courbe de chauffage pour le pont de r f rence situ a Serso D rlingen Les r sultats des simulations sont montr s dans la figure 6 1 20 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique o sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN gt
93. meter borehole heat exchanger W m mean extracted power from duct store per meter borehole heat exchanger Fourth simulation summary TBSol QBSol TBHeat QBHeat QLosses TSLoad QSLoad TSUnload QSUnload ErrSys C temperature level of the inlet fluid in the bridge when the solar gains are collected in the case FLMEAN 0 If FLMEAN 1 the temperature level is the average inlet outlet kWh collected solar heat from bridge C temperature level of the outlet fluid from the bridge when the bridge is heated in the case FLMEAN 0 If FLMEAN 1 the temperature level is the average inlet outlet kWh heating energy injected into the bridge KWh water tank thermal losses gt 0 losses lt 0 gains C temperature level of the outlet fluid from the ground duct store when the store is loaded in the case FLMEAN 0 If FLMEAN 1 the temperature level is the average inlet outlet kWh stored heat in ground duct store C temperature level of the inlet fluid in the ground duct store when the store is unloaded in the case FLMEAN 0 If FLMEAN 1 the temperature level is the average inlet outlet kWh recovered heat from ground duct store error in percent of the system heat balance The system heat balance is calculated with QBSol QBHeat QSLoad QSUnload QLosses deltaQ 0 deltaQ is the variation of the internal energy of the water tank A
94. meter determines if the global effect of the forced convection is taken into account see below YES global effect of forced convection taken into account NO global effect of forced convection not taken into account Simulate forced convection on local process this parameter determines if the local effect of the forced convection is taken into account see below YES local effect of forced convection taken into account NO local effect of forced convection not taken into account The effect of forced convection is treated as the superposition of two effects e the global process a heat balance of the heat transfer by forced convection is performed on the boundary of the ground volume that is ascribed to the BHE The heat quantity transferred by forced convection to or from the ground volume is treated as a global temperature change of the ground temperature in the volume The global process takes into account long term effects which in particular determine the magnitude of a natural thermal recharge of the ground by aregional ground water flow e the local process for the case of pure heat conduction a temperature gradient takes place around the BHE when they are used to transfer heat with the ground As a result the heat transfer is limited by the presence of a local temperature difference between the BHE and the mean ground temperature If ground water flows across the BHE the temperature field will be shifted For a sufficiently
95. mp can be switched on to collect solar gains K Lower dead band temperature for the solar heat controller DTOCST lower dead band temperature for the solar heat controller The temperature difference between the average bridge temperature in the imbedded pipe plane and the outlet fluid from the water tank has to be smaller than DTOCST before the circulation pump is switched off to stop collecting solar gains K A3 11 A3 5 How to run BRIDGESIM Once the data are defined as desired it is recommended to save the data before a simulation is started The input data are saved in the file BRIDGESIM TRD It is done in the File Save menu of the TRNSED programme A simulation is started in the menu TRNSYS Calculate A series of simulations can also be defined and then simulated The user is advised to read the help provided with the TRNSED programme It is found in the menu Help TRNSED Help and then look for the topic Parametrics Menu When a series of simulations is performed a New Table is created in the menu Parametrics All the parameters that can be varied are listed The user selects the desired parameter to be varied and defines the ranges of variations The units of the parameters must correspond to the primary units In table A3 1 are listed all the parameter that can be varied together with their primary units and the conversion factor from secondary units Parameter Short descrip
96. mpo la curva di riscaldamento calcolata In un secondo tempo le seguenti grandezze sono ottimizzate la distanza tra le sonde il controllo dei guadagni solari la lunghezza delle sonde geotermiche e la loro profondit Le influenze di altri variabili sono ugualmente valutate queste sono la resistenza termica delle sonde il diametro della perforazione senza dimenticare due parametri importanti relativi al ponte l isolamento inferiore del ponte e la distanza tra i tubi nella carreggiata Una distanza di 5 m tra le sonde pu essere scelta indipendentemente della profondit delle sonde e della conduttivit termica del terreno Di conseguenza il principale parametro di dimensionamento la lunghezza totale delle sonde Sonde pi profonde hanno un effetto positivo ma senza tuttavia produrre un miglioramento significativo delle prestazioni termiche del sistema La resistenza termica e il diametro delle sonde sono ugualmente parametri di importanza secondaria Un aumento dei fabbisogni specifici di riscaldamento richiede un aumento della lunghezza delle sonde che diventa sempre pi importante In un primo passo pu essere necessario ridurre i fabbisogni specifici di riscaldamento isolando il ponte sotto la sua faccia inferiore o diminuendo la distanza tra i tubi immessi nella sua carreggiata Nel caso del sistema di Serso l isolamento del ponte ha permesso di evitare un aumento massiccio di 50 della lunghezza delle sonde Ne risulta una lungh
97. n pont isol sous sa face inf rieure alors on pourrait utiliser une ligne de sondes le long de la route avec un espacement de 5m En admettant un dimensionnement extr amp me qui requiert une longueur sp cifique de sonde de 10m m il faudrait des sondes de 250m pour une route de 5m de large Si la route est plus large on peut disposer les sondes sur deux lignes Il suffit de maintenir un espacement entre les deux lignes de 5m au moins af Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique o sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN 7 Sensibilite aux parametres thermiques du terrain Dans ce chapitre la sensibilite de la longueur sp cifique de sonde aux principaux param tres thermiques du terrain est calcul e L influence de la conductivit thermique a d j t mise en vidence dans les chapitres pr c dents Trois autres param tres li s aux caract ristiques du milieu souterrain sont consid r s Ce sont la temperature initiale moyenne la vitesse de Darcy d un coulement souterrain et la capacit thermique volumique Le cas de Serso est s lectionn mais avec une conductivit thermique du terrain de 3 W mK Le syst me optimis avec le pont r alis est utilis comme r f rence pour l tude de sensibilit 7 1 Sensibilit a la conductivit thermique du terrain En reprenant les calculs du chapitre pr
98. nce thermique de la partie inf rieure du pont K W m L expression de la r sistance thermique R est donn e par la relation A2 1 qui est la somme de trois composantes la r sistance de contact fluide paroi int rieure des tubes r sistance des tubes de la paroi int rieure a la paroi ext rieure et la r sistance effective de la paroi ext rieure des tubes la zone fictive temp rature Tm Les r sistances thermiques se rapportent a la surface dans laquelle se trouvent les serpentins soit la surface de la chauss e du pont et 2 a A2 1 nA NU 2m Ap dpi Avec Ar conductivit thermique du fluide W mK Nu nombre de Nusselt d pend du r gime d coulement Ap conductivit thermique de la paroi du tube W mK dpi diam tre int rieur du tube m Tr temperature du fluide dans les tubes C R r sistance thermique entre la temp rature de surface de la paroi ext rieure des tubes et Tm K W m Koschenz et Dorrer 1996 donnent une expression pour R cf relation A2 2 si les conditions A2 3 et A2 4 sont remplies L L Ra nf A2 2 si d 0 gt 0 3 i 1et2 A2 3 si 8 0 lt 0 2 A2 4 Avec conductivit thermique du mat riau dans lequel sont noy s les tubes W mK La relation A2 1 permet d avoir une relation entre la temp rature locale du fluide T x et la temp rature moyenne quivalente du pont dans le plan des tubes Tm En supposant que Tm est co
99. ng au fluide plus froid qui entre en haut En cons quence la temp rature du fluide qui sort en haut pour d charger le stock diffusif est gale la temp rature du fluide qui sort en bas pour d givrer le pont Cela signifie que la temp rature de fluide la sortie du pont est plus basse que la temp rature du fluide en entr e dans le stockage diffusif Les mesures de temp ratures montrent au contraire que ces deux temp ratures sont tr s proches l une de l autre et le m lange simul dans le mod le n a en r alit pas lieu D autre part comme les deux pompes de circulation fonctionnent pratiquement toujours simultan ment une seule pompe est simul e dans le modele de l installation Le syst me effectivement simul est montr dans la figure A2 5 Il est quivalent au syst me r el du point de vue des performances thermiques pompe de R pont capteur aol stock eau d givreur 4 4 m stockage diffusif 91 sondes g othermiques de 65 m et espac es de 3 m Figure A2 5 Sch ma de principe simplifi de l installation simul e Le stock a eau est simul avec le modele standard de tuyau le TYPE31 A2 2 2 Variables m t orologiques Le fichier m t o est cr avec METEON 5 0 Remund J und Kunz S 2003 et le format user defined Les variables s lectionn es sont enregistr es en valeurs horaires Chaque ligne contient les variables s lectionn es ci dessous dans l ordre suivant heu
100. ns le chapitre 7 Recherche nerg tique _ Programme de recherche nerg tique sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN 2 Objectifs Les buts principaux du projet sont de simuler l installation complete du syst me de Serso et de cr er un mod le de calcul calibr amp sur les mesures effectu es Les objectifs de l etude peuvent se r sumer e analyser les mesures du systeme de Serso et d terminer les performances thermiques sur une p riode de 2 ans e d velopper un outil de calcul pour la simulation du syst me de Serso et le valider sur les deux ans de mesure e optimiser le syst me de Serso l aide de l outil de calcul calibre e d terminer les param tres clefs pour un dimensionnement et tablir des r gles simples pour le pr dimensionnement d un syst me semblable e illustrer le dimensionnement d un syst me avec l outil de calcul d velopp e mettre la disposition des professionnels l outil de calcul pour le dimensionnement d autres syst mes du m me type Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique mr sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN 3 Modele de simulation Le mod le de simulation a t cr avec TRNSYS 15 3 Klein et al 2005 Il utilise le type non standard
101. nstant dans tout le plan des tubes on peut crire une relation pour la puissance transf r e du fluide au pont cf relation A2 5 a x T Tm A2 5 A2 2 q x puissance thermique transf r e du fluide au pont W m La puissance thermique transf r e par les tubes provient de la capacit thermique du fluide Ceci permet d crire une quation diff rentielle pour la puissance transf r e par le fluide en fonction du chemin parcouru cf relation A2 6 q x N dx m A C dT x A2 6 l espacement des tubes dans la chauss e du pont rappel m L longueur d un tube dans le pont m N nombre de tubes connect s en parall le dans le pont A surface du pont quip e avec des tubes A N L m mr d bit massique sp cifique du fluide caloporteur dans le pont kg s m mr Mg A Mr d bit massique total dans le pont kg s Cr chaleur sp cifique du fluide caloporteur J kgK En combinant A2 5 dans A2 6 et en int grant le long du chemin parcouru de x 0 a x L on obtient une expression pour la temp rature de sortie du fluide Tru cf relation A2 7 Trout mt Tin mer A2 7 Rm Ci Ten T x 0 temp rature d entr e du fluide dans le pont C Trout Tx L temp rature de sortie du fluide du pont C La puissance thermique Q chang e par le fluide dans le pont est calcul e par la relation A2 8 Q m AC Tan Tru A2 8
102. nuelle de chauffage et la surface de pont a d givrer Pour rappel le pont simul pour les diff rents sites est le pont de r f rence c est dire un pont isol avec une paisseur de 10 cm d isolation sous sa face inf rieure et un espacement de 25 cm entre les tubes implant s dans la chauss e du pont Les r sultats obtenus pour les diff rentes variantes de pont Serso sont galement montr es Ces cas ont t simul s avec un terrain dont la conductivit thermique moyenne est de 4 4 W mK 10 N E E 9 L E 8 E Serso pont xe E pas isol 25cm c 7 je C v H alt 2 6 EX F E 5 5 2 Serso pont S C pas isol 15cm H 5 or Serso o 4 5 ref E 5 EN Serso pont D 3 t S isol 15cm ie aa sS a D 2 1 v 1 C a E 0 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Energie sp cifique de chauffage kWh m2an Figure 6 6 Longueur sp cifique en fonction de l nergie sp cifique de chauffage pour le d givrage du pont pour diff rentes valeurs de la conductivit thermique du terrain Pour le site de Wassen aucune solution n a t trouv e avec une longueur sp cifique de sonde inf rieure 10 m m L nergie de chauffage sp cifique a t calcul e 180 kWh m an Ceci montre la limite de ce genre de syst me puisque la surface de captage du pont est galement la surface de chauffage Si les conditions climatiq
103. olydynamics Ltd Z rich Schweiz Klein S A et al 2000 TRNSYS A Transient System Simulation Program Version 15 Solar Energy Laboratory University of Wisconsin Madison USA Mazzarella L 1993 Duct Thermal Storage Model Lund DST TRNSYS 13 1 Version 1993 ITW Universit t Stuttgart Germany Dipartimento di Energetica Politechnico di Milano Italy Pahud D 1993 Etude du Centre Industriel et Artisanal Marcinh s Meyrin GE Rapport final GAP et CUEPE Univ de Geneve A1 13 Pahud D 1999 PILESIM LASEN Simulation Tool for Heating Cooling Systems with Heat Exchanger Piles or Borehole Heat Exchangers User Manual Swiss Federal Office of Energy Switzerland Pahud D and Hellstr m G 1996 The New Duct Ground Heat Model for TRNSYS EUROTHERM Physical Models for Thermal Energy Stores A A van Steenhoven and W G L van Helden eds March 25 27 pp 127 136 Eindhoven The Netherlands Pahud D Fromentin A and Hadorn J C 1996 The Duct Ground Heat Storage Model DST for TRNSYS Used for the Simulation of Heat Exchanger Piles User Manual December 1996 Version Internal Report LASEN DGC EPFL Switzerland A1 14 Annexe 2 Simulation du systeme complet et calibrage sur les mesures Table des mati res A2 Simulation du syst me complet et calibrage sur les mesures p A2 1 A2 1 Mod le de pont capteur et d givreur ILL p A2 1 A2 2 Mod le de simulation pour le syst me complet f p A2 5 AD J
104. on soit obtenue A2 3 Les caract ristiques du pont sont num r es dans la table A2 1 Elles sont tir es de Hopkirk et al 1994 Surface chauff e du pont c t lac Surface chauff e du pont c t montagne Diam tre ext rieurs des tubes Mat riau des tubes Espacement moyen des tubes Longueur moyenne d un tube Nombre total de tubes Couches formant le pont de haut en bas asphalte paisseur couche contenant les tubes dalle en b ton arm e isolation polistyrol 760 m 540 m 26 9 mm Chrome nickel 25 cm 32 m 160 50 mm 80 mm 400 mm 100 mm Table A2 1 Principales caract ristiques du pont Un seul pont est simul Les param tres de simulation sont donn s dans la table A2 2 et la figure A2 2 valeurs calibr es Surface chauff e du pont D bit total fluide caloporteur D bit par m de pont R sistance thermique R fluide pont Absorption solaire de la chauss e Coefficient de transfert convectif chauss e 1 300 m 41 m h 32 litre m h 0 03 K W m 0 7 10 W m K constant valeur calibr e environ 20 plus basse meilleur amp change que le calcul avec les formules ci dessus Table A2 2 Principales caract ristiques du pont Le coefficient de transfert convectif de la chauss e ne contient pas les transferts par radiation qui sont calcul s s par ment avec la temp rature radiative quivalente du ciel et une missivit de 1 A2 4
105. ont de r f rence simul Longueur de sonde par m tre carr Faido de chauss e conductivit thermique du terrain 1 W mK 8 4 m m conductivit thermique du terrain 2 W mK 5 7 m m conductivit thermique du terrain 3 W mK 4 9 m m conductivit thermique du terrain 4 W mK 4 5 m m Table 6 6 Longueur de sonde par m tre carr de chauss e pour le syst me simul a Faido en fonction de la conductivit thermique du terrain D Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique o sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN 6 4 Systeme simul a Wassen Les caract ristiques g ographiques et m t orologiques du site de Wassen obtenues avec le logiciel Meteonorm 5 1 Remund et Kunz 2004 sont r sum es dans la table 6 7 Site Wassen Altitude 931 m Latitude 46 4 Longitude 8 4 Est Situation fond de vall e Temp rature moyenne annuelle de l air 7 0C moyenne journali re minimum de l air 8 9 C moyenne journali re maximum de l air 20 7 C Ensoleillement horizontal annuel 1 250 kWh m a Ensoleillement horizontal annuel avec effet de l horizon lointain 1 070 kWh m a les simulations sont effectu es avec la prise en compte de l horizon lointain Table 6 7 Caract ristiques g ographiques et m t orologiques du site de Wassen La courbe de c
106. ourly basis for the location where the project is evaluated The weather data files are grouped in the BRIDGEDATA directory The weather file to be chosen has the extension PIL This is a listing file containing the key word FILES on the first line followed by the path name of the data file with the extension TXT repeated 25 times on the next lines For example weather data contained in the WEATHER TXT file require the creation of a WEATHER PIL file in the BRIDGEDATA directory The WEATHER PIL file is a text file that contains FILES bridgedata weather txt bridgedata weather txt bridgedata weather txt The weather data file with the extension TXT contains hourly values of one year meteorological data The first line must correspond to the first hour of the year Each line must contain in the order given below the following quantities separated by a space or a tab character It can be created with the programme METEONORM 5 1 Remund und Kunz 2004 using the user defined format e hour of the year e global horizontal radiation W m e diffuse horizontal radiation W m e global radiation in the tilted plane W m e diffuse radiation in the tilted plane W m e normal beam radiation W m e outdoor air temperature C e relative humidity of the air e dew point temperature C e cloud cover fraction The tilted plane is the horizontal plane azimuth 0 and inclination 0 but with
107. pe 1 N1 number of borehole heat exchangers for BHE type 1 Average active length of BHE type 1 H1 average length of the borehole heat exchangers type 1 The active length of a BHE is defined by the bore length for which a radial heat transfer with the surrounding ground may occur In other terms it is the length of the borehole that is equipped with pipes m Thermal resistance of BHE type 1 RB1 thermal resistance of BHE type 1 The thermal resistance of a BHE determines the temperature difference between the fluid and the ground in the immediate vicinity of the BHE under a given heat transfer rate A typical value for a double U pipe BHE is 0 1 K W m Such a value will induce a temperature difference of 5 K between the fluid temperature and the ground temperature at the borehole wall when a heat transfer rate of 50 W m takes place in steady flux conditions in the BHE K W m Internal thermal resistance of BHE type 1 RA1 internal thermal resistance of BHE type 1 A typical value for a double U pipe BHE is 0 4 K W m Diameter of BHE type 2 diameter of the borehole for the BHE type 2 m Number of BHE type 2 number of borehole heat exchangers for BHE type 2 Average active length of BHE type 2 average length of the borehole heat exchangers type 2 m Thermal resistance of BHE type 2 thermal resistance of BHE type 2 K W m Internal thermal resistance of BHE type 2 internal thermal resistance of BHE type
108. prise en compte de l horizon lointain Table 6 12 Caract ristiques g ographiques et m t orologiques du site de Stockholm La courbe de chauffage recalcul e pour le site de Stockholm est montr e dans la table 6 13 Pont de r f rence isolation sous la face inf rieure du pont espacement tubes 25 cm 15 Pour Ts lt 0 C et Ta gt 4 C TS2 10 C 10 NTs 1 4 Kh an 5 Energie de chauffage 0 Qch 256 MWh an 10 5 0 Ta C Table 6 13 Courbe de chauffage pour le pont de r f rence situ a Stockholm Les r sultats des simulations sont montr s dans la figure 6 5 DB Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN 240 240 210 210 180 180 150 i gt NTsurface pont lt 0 C 150 E Energie de chauffage Conductivit thermique terrain 90 1 2 3 et 4 W mK 90 Profondeur des 60 sondes 150 m 60 Crit re de temp rature Kh a Energie de chauffage MWh an 30 0 20 30 40 50 60 70 Nombre de sondes Figure 6 5 Sensibilit du crit re de temp rature la conductivit thermique du terrain pour le syst me de r f rence simul Stockholm Le syst me optimal est celui qui permet de satisfaire la valeur maximum tol r e du crit re de temp rature avec l
109. r diameter of the imbedded pipes DINTPIPE inner diameter of the pipes that are imbedded under the bridge surface mm Thermal conductivity of the pipe material LPIP thermal conductivity of the material used for the pipes imbedded under the bridge surface W mK Thermal conductivity of the material in which the pipes are imbedded thermal conductivity of the material layer in which the pipes are imbedded It must correspond to the value used in BREPID for the bridge definition W mK Thermal conductivity of the heat carrier fluid thermal conductivity of the fluid that circulates in the pipes W mK Nusselt number for the convective heat transfer from the fluid to the pipe wall NUFLUID a constant number is given for the convective heat transfer from the heat carrier fluid to the inner pipe wall and is defined here Fluid flow rate per square meter of heated bridge surface FLOWSPEC it is the total nominal flow rate flowing through the bridge divided by the heated bridge surface SROAD litre h m Heat carrier fluid density density of the heat carrier fluid that circulates in the imbedded pipes kg m Heat carrier fluid heat capacity specific heat capacity of the heat carrier fluid that circulates in the imbedded pipes kJ kg K A3 6 A3 4 4 Duct store parameters The 19 entries are Diameter of borehole heat exchanger BHE type 1 DP1 diameter of the borehole for BHE type 1 m Number of BHE ty
110. r le calibrage du modele de stockage ont t enregistr es en valeurs de 15 minutes du 1 1 1998 au 31 12 1999 soit deux ann es compl tes de mesures La mise en route de l installation a d but en 1994 soit pr s de 4 ans auparavant Bien que l installation a t mesur e depuis le d but de sa mise en service il n a pas t n cessaire de disposer de la totalit des mesures effectu es Les mesures relatives au stockage sont les puissances thermiques transf r es par son changeur souterrain mesures de temp ratures de fluide et de d bit et des temp ratures de terrain effectu es diff rents endroits dans la zone du stockage Hopkirk et al 1995 La premiere tape avant de pouvoir utiliser les mesures est de contr ler si possible leur exactitude de d terminer quels sont les capteurs de mesure erron s d effectuer des corrections ventuelles et de remplir les trous de mesures A1 2 1 Puissances thermiques transferees Fort heureusement les puissances thermiques transf r es sont mesur es de mani re redondantes Ainsi l nergie thermique extraite et inject e dans le stockage est connue par deux groupes de mesures ind pendants par une mesure globale de la puissance thermique transf r e et par 4 mesures de puissance dans chacune des 4 branches du stockage les 4 branches taient coupl es en parallele durant les deux ans de mesure L analyse de ces puissances montre que la puissance globale mesur e e
111. r lors du d givrage Elle ne m lange pas en t lorsque le stockage diffusif est charg La temp rature de consigne est d finie en fonction de la temp rature de lair ext rieure en fonction du graphique de la figure A2 4 Sommer 1999 Le d givrage du pont n a lieu que lorsque la temp rature de l air ext rieur passe sous 4 C N oO 00 4 temp rature de consigne de d part dans le pont en mode d givrage 2 0 12 8 4 0 4 8 12 Temp rature de consigne C O Temp rature de l air ext rieur C Figure A2 4 Temp rature de consigne pour le fluide au d part du circuit des serpentins des ponts Si la temp rature de l air ext rieur est sup rieure 4 C le fonctionnement du syst me en mode d givrage est arr t A2 6 Une difference importante pour la simulation du syst me est que les raccords hydrauliques du syst me r el sont faits de mani re que seul la difference de d bit entre le circuit du pont et le circuit du stockage diffusif traverse le stock eau La simulation du sch ma de principe de la figure A2 3 implique que tout le d bit traverse le haut ou le bas du stock eau Ceci ne pose pas de probl me en en t car la temp rature du fluide entrant dans le haut du stock eau est toujours plus lev e que celle qui entre en bas En revanche en hiver la situation est invers e ce qui signifie que le fluide plus chaud qui entre en bas est toujours enti rement m la
112. r m tre carr de chauss e pour le syst me simul a Serso D rlingen en fonction de la conductivit thermique du terrain 21 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique o sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN 6 3 Systeme simule a Faido Les caracteristiques g ographiques et m t orologiques du site de Faido obtenues avec le logiciel Meteonorm 5 1 Remund et Kunz 2004 sont r sum es dans la table 6 4 Site Faido Altitude 715m Latitude 46 3 Longitude 8 5 Est Situation vall e foehn Temp rature moyenne annuelle de l air 9 990 moyenne journali re minimum de l air 4 9 C moyenne journali re maximum de l air 23 7 C Ensoleillement horizontal annuel 1 260 kWh m a Ensoleillement horizontal annuel avec effet de l horizon lointain 1150 kWh m a les simulations sont effectu es avec la prise en compte de l horizon lointain Table 6 4 Caract ristiques g ographiques et m t orologiques du site de Faido La courbe de chauffage recalcul e pour le site de Faido est montr e dans la table 6 5 Pont de r f rence isolation sous la face inf rieure du pont espacement tubes 25 cm 15 Pour Ts lt 0 C et Ta gt 4 C TS2 11 C 10 NTs 2 0 Kh an 5 Energie de chauffage 0 Och 150 MWh an 10 5 0 Ta C Table 6 5 Cou
113. r meter borehole 23 kWh m y 1 795 hours y Duct store charge Max Mean Heat injection rate per meter borehole 69 35 W m Charge duration Annual injected energy per meter borehole 24 kWh m y 682 _Jhoursy Duct store efficiency 98 Road surface temperature Ts Number of hours with temperature Ts below 0 C for the last simulated year hours y Number of hours with Ts lt 0 C and Taria gt 4 C for the last simulated year hours y Degree hours NTs for Ts lt 0 C and Taria gt 4 C for the last simulated year 22 Kh y Figure A3 5 Example of output result produced with BRIDGESIM XLS continued A3 21 Inlet outlet fluid temperatures in duct store D 2 ao D D D m 2 ao Ber TD E le gt O O m O 2 7 O 5 TD TD 5 O O O LD WW gt 9 91nje219duu8 pin 20 33 19 83 20 08 20th operation year 19 58 19 33 Heat rate transferred in bridge road Jamod jeuieuL 20 33 19 83 20 08 20th operation year 19 58 19 33 Figure A3 5 Example of output result produced with BRIDGESIM XLS continued A3 22 Ground duct store monthly heat balance and temperature levels 50 20 fluid loading c 40 mean duct store 18 gt 30 fluid unloading 16 20 14 3 gt R 2 10 sd 12 v pedi 0 105 cb n T gt 10 8 gt o D T 20 store
114. rbe de chauffage pour le pont de r f rence situ a Faido Les r sultats des simulations sont montr s dans la figure 6 2 52 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique o sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN gt oO CO ol gt oO o oO N oO e NTsurface pont lt 0 C m Energie de chauffage o N O1 100 Conductivit thermique terrain 80 1 2 3 et 4 W mK O1 60 oO 40 Critere de temperature Kh a S Energie de chauffage MWh an Profondeur des 20 sondes 150 m Sz oO 20 30 40 50 60 Nombre de sondes Figure 6 2 Sensibilit du crit re de temp rature la conductivit thermique du terrain pour le syst me de r f rence simul Faido Le syst me optimal est celui qui permet de satisfaire la valeur maximum tol r e du crit re de temp rature avec le nombre minimum de sondes g othermiques La figure 6 2 permet de d terminer le syst me optimal en fonction de la conductivit thermique du terrain Comme pour Serso la longueur de sonde par m tre carr de surface de pont chauff d pend fortement de cette derni re et de facon tr s forte pour les faibles valeurs Les r sultats obtenus sont num r s dans la table 6 6 Syst me optimum pour le p
115. re de l ann e rayonnement global horizontal W m rayonnement diffus horizontal W m rayonnement global plan inclin W m rayonnement diffus plan inclin W m rayonnement direct incidence normale W m A2 7 temp rature de l air C humidit relative point de ros e C n bulosit Le plan inclin est le plan horizontal azimut 0 et inclinaison 0 mais calcul avec l horizon lointain d termin par METEON avec les coordonn es du site coordonn e suisse X 627 869 km coordonn e suisse Y 168 114 km altitude 570m latitude 46 399 longitude 7 482 L horizon a pour effet de r duire l ensoleillement global horizontal annuel de 5 La table A2 3 contient les valeurs mensuelles des principales variables m t orologiques Mois Ensoleillement global Ensoleillement global Temp rature horizontal sans effet horizontal avec effet de air horizon d horizon ext rieur KWh m kWh m C Janvier 35 28 0 8 F vrier 54 47 1 0 Mars 95 89 4 3 Avril 115 113 7 1 Mai 151 149 11 5 Juin 155 154 14 5 Juillet 178 176 18 2 Ao t 149 147 17 9 Septembre 106 102 14 6 Octobre 69 63 10 1 Novembre 39 30 4 5 D cembre 29 20 2 2 Annee 1 171 1 118 8 9 Table A2 3 Valeurs mensuelles d ensoleillement et de temp rature pour Serso source METEON 5 0 La n bulosit le point de ros e la temp rature de
116. re les tubes e pont non isol et un espacement de 15 cm entre les tubes Les courbes de chauffage sont d termin es pour chaque variante et les r sultats sont montr s dans la table 4 1 Les donn es m t orologiques correspondent a Serso Elles ont t obtenues avec Meteonorm 5 1 Remund et Kunz 2004 et incluent l effet de l horizon lointain pour les donn es d ensoleillement Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN Variantes de pont avec isolation sans isolation espacement tubes 25 cm 13 TS2 10 C 10 5 0 10 5 0 5 Ta C Ta C Pour Ts lt 0 C et Ta gt 4 C Pour Ts lt 0 C et Ta gt 4 C NTs 2 6 Kh an NTs 3 1 Kh an Energie de chauffage Energie de chauffage Qch 153 MWh an Qch 177 MWh an 118 kWh m an 136 kWh m an espacement tubes 15 cm Ta C Pour Ts lt 0 C et Ta gt 4 C Pour Ts lt 0 C et Ta gt 4 C NTs 3 4 Kh an NTs 2 9 Kh an Energie de chauffage Energie de chauffage Och 135 MWh an Qch 159 MWh an 104 kWh m an 122 kWh m an Table 4 1 Courbes de chauffage pour les quatre variantes valu es Ainsi la courbe de chauffage doit tre ajust e pour chaque objet analys avant d effectuer les simulations d un syst me complet L tablissement des courbes de chauffage pour les quatre var
117. re produced with the help of 6 simulation summary type components The labels of each calculated quantity are explained below for each of the simulation summary First simulation summary Osolar QSolBridge QLoadStk QLossStk QEDSTin QUnloadStk QHeatBridg QLossTank QElecLoad QElecUnloa kWh kWh kWh kWh kWh kWh kWh kWh kWh kWh incident solar radiation on bridge surface collected solar heat from bridge stored heat in ground duct store duct store heat losses duct store stored energy variation of its internal energy recovered heat from ground duct store heating energy injected into the bridge heat losses from the short term water tank circulation pump electric energy for solar gain collection u Li GL ll dd dd nd nd circulation pump electric energy for bridge heating A system heat balance can be performed with the following relation QSolBridge QLossTank QHeatBridg QLossStk QEDSTin Second simulation summary QSolBridge TSolBridge QLoadStk TLoadStk TMDST QUnloadStk TUnloadStk QHeatBridg THeatBridg TAirExtM kWh collected solar heat from bridge only positive values C temperature level of the outlet fluid from the bridge when solar gains are collected in the case FLMEAN 0 If FLMEAN 1 the temperature level is the average inlet outlet kWh stored heat in duct store only positive values C temperature level of th
118. spond au dessous du pont Le plan dans lequel se trouvent les tubes est la profondeur d depuis la face sup rieure et d depuis la face inf rieure La r sistance R permet de calculer le transfert de chaleur du fluide circulant dans les tubes temp rature Tr la zone fictive temp rature Tm La temp rature de cette zone fictive correspond a la temp rature moyenne quivalente du pont dans le plan des tubes Tair ext rieur Partie RI sup rieure pont Tube Partie inf rieure pont Tair ext rieur Figure A2 1 Coupe transversale du pont Le plan des tubes serpentins dans la chauss e est repr sent par la temp rature moyenne quivalente Tm Elle permet de ramener le calcul des transferts de chaleur entre les tubes et les surfaces sup rieure et inf rieure du pont un probl me une dimension d d paisseur totale du pont m d profondeur des tubes depuis la face sup rieure du pont chauss e m dz profondeur des tubes depuis la face inf rieure du pont m l espacement des tubes m diam tre ext rieur des tubes m Tm temp rature moyenne quivalente du pont dans le plan des tubes C A2 1 Tr temperature du fluide circulant dans les tubes C Tair ext rieur temp rature de l air ext rieur C R r sistance thermique entre T et Tm K W m R r sistance thermique de la partie sup rieure du pont K W m R r sista
119. ssenoberfl chen Technischer Bericht Bundesamt f r Strassenbau und Tiefbauamt des Kantons Bern Bern Hopkirk R Hess K und Eugster W 1995 Erdw rmesonden Speicher zur Strassenheizung bei D rlingen Schweiz Polydynamics Ltd Z rich Schweiz Klein S A et al 2005 TRNSYS A Transient System Simulation Program Version 15 3 Solar Energy Laboratory University of Wisconsin Madison USA Koschenz M and Dorer V 1996 Design of Air Systems with Concrete Slab Cooling Roomvent 96 5 International Conference on Air Distribution in Rooms Yokohama Japan Mazzarella L 1993 Duct Thermal Storage Model Lund DST TRNSYS 13 1 Version 1993 ITW Universit t Stuttgart Germany Dipartimento di Energetica Politechnico di Milano Italy Pahud D 1993 Etude du Centre Industriel et Artisanal Marcinh s a Meyrin GE Rapport final GAP et CUEPE Univ de Gen ve Pahud D 1999 PILESIM LASEN Simulation Tool for Heating Cooling Systems with Heat Exchanger Piles or Borehole Heat Exchangers User Manual Swiss Federal Office of Energy Switzerland Pahud D 2007 PILESIM2 Simulation Tool for Heating Cooling Systems with Energy Piles or multiple Borehole Heat Exchangers User Manual ISAAC DACD SUPSI Switzerland Pahud D 2007 BRIDGESIM Simulation Tool for the System Design of Bridge Heating for Ice Prevention with Solar Heat Stored in a Seasonal Ground Duct Store User Manual ISAAC DACD SUPSI Switzerlan
120. st en moyenne plus de 20 inf rieure la somme des puissances des 4 branches du stock aussi bien en injection qu en extraction D autre part de l autre c t des installations techniques l Energie thermique collect e ou diffus e par les chauss es des deux ponts est mesur e s par ment pour chacun des ponts La totalit de cette Energie est galement mesur e l entr e du local technique L analyse de ces trois puissances thermiques montre une tr s bonne concordance de mesure Les installations techniques ont deux stockages a eau de 2 200 litres chacun pour d coupler le circuit hydraulique des ponts de celui du stockage diffusif Compte tenu du d bit nominal de l installation un tel volume d eau est d plac en moins de 10 minutes La comparaison des puissances thermiques transf r es par le stockage et les ponts est donc possible pour des dur es de marche du syst me sup rieures au pas de temps de mesure 15 minutes La comparaison avec la somme des puissances transf r es dans les 4 branches du stockage montre que cette derni re est en moyenne 5 inf rieure la puissance transf r e par les ponts aussi bien en injection qu en extraction Ceci permet de confirmer un probl me de pr cision dans la mesure de puissance globale chang e par le stockage qui est environ 25 plus faible que les valeurs mesur es du c t des ponts Compte tenu de la bonne concordance des mesures des puissances thermiques a
121. syst me car il en r sulte une puissance de transfert r duite qui peut galement tre obtenue avec par exemple un d bit plus faible D autre part l utilisation d une partie des sondes plut t que la totalit permet en p riode d extraction d extraire la chaleur dans la zone p riph rique du stockage et de conserver la zone centrale du stockage plus chaude La comparaison mesure calcul ne permet pas de mettre en vidence un avantage proc der de la sorte et la complexit suppl mentaire engendr e au niveau du concept du sch ma de principe et de la r gulation du stockage ne sont pas dans ce cas justifi s R f rences Fromentin A Pahud D Jaquier C et Morath M 1997 Recommandations pour la r alisation d installations avec pieux changeurs Empfehlungen f r Energiepfahlsysteme Rapport final d cembre 1997 Office f d ral de l nergie Bern Switzerland Hellstr m G 1989 Duct Ground Heat Storage Model Manual for Computer Code Department of Mathematical Physics University of Lund Sweden Hellstr m G and Nordell B 1988 A Posteriori Study and Redesign of Large Scale Borehole Heat Store in Lule Sweden Proceedings of JIGASTOCK 88 Versailles France Hellstr m G Sanner B 2000 Earth Energy Designer User s Manual version 2 0 http www blocon se earth htm Hopkirk R Hess K und Eugster W 1995 Erdw rmesonden Speicher zur Strassenheizung bei D rlingen Schweiz P
122. t conduction NB the full influence of a ground water flow is only calculated if the two last parameters from the ground parameter block are switched to YES Thermal conductivity of ground layer 2 LG2 thermal conductivity of ground layer 2 W mK Volumetric heat capacity of ground layer 2 CG2 volumetric heat capacity of ground layer 2 MJ m K Thickness of ground layer 2 HG2 thickness of ground layer 2 m Darcy velocity of ground water in layer 2 DA2 Darcy velocity of ground water in ground layer 2 This parameter determines the forced convection in ground layer 2 due to a horizontal regional ground water flow A zero value means no forced convection m day Thermal conductivity of ground layer 3 LG3 thermal conductivity of ground layer 3 W mK Volumetric heat capacity of ground layer 3 CG3 volumetric heat capacity of ground layer 3 MJ m K Thickness of ground layer 3 HG3 thickness of ground layer 3 The thickness of ground layer 3 which is the lowest ground layer is supposed to extend downward as far as necessary for the requirement of the thermal calculations m Darcy velocity of ground water in layer 3 DA3 Darcy velocity of ground water in ground layer 3 This parameter determines the forced convection in ground layer 3 due to a horizontal regional ground water flow A zero value means no forced convection m day A3 9 Simulate forced convection on global process this para
123. t fondamental pour ce type de syst me Il ny a pas de production de chaleur auxiliaire pour compenser une carence d nergie thermique dans le stock saisonnier Le dimensionnement est galement fait pour une ann e m t orologique moyenne type et donc satisfait une tol rance moyenne D une ann e a l autre les conditions m t orologiques varient S il fallait dimensionner le syst me pour une tol rance z ro il faudrait la fois choisir une ann e m t o extr me et sur dimensionner le syst me pour ces conditions m t os Plus la longueur des forages est augment e moins la diminution du crit re de temp rature NTs devient important Pour les cas tudi s le crit re de temp rature NTs a t d fini avec une valeur limite de 10 Kh a Pour un pont dans un lieu donn un syst me est consid r comme tant l optimum s il peut satisfaire le crit re de temp rature avec la longueur la plus courte possible de sondes g othermiques 5 2 Situation de d part Les param tres vari s sont num r s dans la table 5 1 avec leurs valeurs de d part qui correspondent aux valeurs de projet du syst me de Serso Stockage de chaleur nombre de sondes g othermiques N1 91 longueur d une sonde g othermique H1 65 m espacement entre les sondes BBORE 2 792 m Contr le ON OFF solaire charge stock diff rence de temp rature pour enclenchement DT1CST 10 K diff rence de temp rature pour d clenchement DT
124. t montr es dans la table A2 7 et les figures A2 10 et A2 11 A2 14 Simulation Temp rature Energie solaire Temp rature Energie faite avec moyenne du stock e dans le moyenne du thermique m t o fluide en mode stockage diffusif fluide en mode d stock e pour g n r e par captage d givrage d givrer les ponts METEON C kWh C kWh Janvier 6 9 37720 F vrier 6 6 30 040 Mars 6 8 9 180 Avril 15 3 540 Mai 17 2 11 950 Juin 17 9 27770 Juillet 19 6 43 290 Ao t 20 0 24 100 Septembre 19 5 5 360 Octobre Novembre 7 2 12 310 D cembre 6 6 32 800 Ann e 19 0 113 010 6 8 122 050 Dur e de marche annuelle 640 heures 1 330 heures Table A2 7 Valeurs mensuelles obtenues avec le mod le du syst me calibr Meteon T plan tubes T fluide moyen Temp rature C a 10 01 gen 02 mar 02 mag 02 lug Temps 01 set 01 nov 01 gen Figure A2 10 Valeurs horaires des temp ratures simul es avec le mod le calibr du syst me Serso A2 15 Meteon 300 P charge stock 250 P d charge sock gt L lt 74 2 200 I E N SE er A N PH a Sx 3 LA 3 a 50 re ly 2 0 01 gen 02 mar 02 mag 02 lug 01 set 01 nov 01 gen Temps Figure A2 11 Valeurs horaires des puissances thermiques simul es a
125. table 6 10 Pont de r f rence isolation sous la face inf rieure du pont espacement tubes 25 cm Pour Ts lt 0 C et Ta gt 4 C NTs 2 4 Kh an Energie de chauffage Qch 99 MWh an Table 6 10 Courbe de chauffage pour le pont de r f rence situ Z rich Les r sultats des simulations sont montr s dans la figure 6 4 26 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique o sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN 160 gt oO Profondeur des sondes 150 m 140 CO O1 NTsurface pont lt 0 C m Energie de chauffage amp oO N O1 Conductivit thermique terrain 60 1 2 3 et 4 W mK O1 40 Crit re de temp rature Kh a S S oO Energie de chauffage MWh an 20 0 20 30 40 50 60 a i Nombre de sondes Figure 6 4 Sensibilit du crit re de temp rature la conductivit thermique du terrain pour le systeme de r f rence simul a Z rich Le syst me optimal est celui qui permet de satisfaire la valeur maximum tol r e du critere de temp rature avec le nombre minimum de sondes g othermiques La figure 6 4 permet de d terminer le systeme optimal en fonction de la conductivit thermique du terrain La longueur de sonde par m tre carr de surface de pont chauff
126. tefois ceci allonge le temps de marche des pompes de circulation et par cons quence la consommation lectrique du syst me Cet effet 12 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique o sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN n est pas compens par l nergie de chauffage suppl mentaire inject e en hiver dans le pont Un compromis a t trouv en choisissant des crit res d enclenchement et de d clenchement qui conduisent une efficacit annuelle du syst me d au moins 10 Les diff rences de temp rature pour le captage des gains solaires ont t fix es 8K pour l enclenchement des pompes et 4K pour leur d clenchement 5 5 Longueur des sondes g othermiques Le nombre des sondes est vari tout en maintenant leur profondeur constante et fix e 150m La figure 5 3 permet de montrer la sensibilit du crit re de temp rature NTs et de l nergie thermique annuelle inject e dans le pont Qchau la longueur totale des sondes 80 160 70 140 T r g 60 Optimum 40 sondes de 150 m ou 120 D 4 6 m de sonde par m2 de pont 350 100 S D 2 40 80 E E 30 60 NTsurface pont lt 0 C 2 20 Ochauffage 40 5 5 5 10 20 iT 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Nombre de sondes g othermiques Figure 5 3 Sensibilit
127. terreno L energia solare captata dal ponte durante l estate stoccata nel terreno attraverso un insieme di sonde geotermiche poi restituita d inverno per lo sbrinamento del ponte Il ponte equipaggiato di serpentine che permettono la captazione dei guadagni solari estivi e di riscaldare la carreggiata del ponte durante l inverno per impedire la formazione di ghiaccio o di brina All eccezione dell energia elettrica necessaria al funzionamento delle pompe di circolazione il sistema concepito per funzionare senza energia integrativa Le misure delle prestazioni termiche dell impianto su pi anni effettuate nel quadro di un precedente progetto hanno permesso di sviluppare e di convalidare un attrezzo di simulazione per il dimensionamento di un sistema simile Chiamato BRIDGESIM questo attrezzo di simulazione permette di oltrepassare l esperienza realizzata Una procedura per il dimensionamento dell sistema proposta In un primo tempo si tratta di riscaldare il ponte per evitare la formazione di brina con il meno possibile di energia integrativa Una curva di riscaldamento deve essere stabilita Poich il sistema funziona senza energia integrativa non sempre possibile garantire che la superficie del ponte sia abbastanza calda per evitare la formazione di ghiaccio Un concetto di tolleranza definito e utilizzato per il dimensionamento del sistema BRIDGESIM utilizzato per ridimensionare il sistema di Serso In un primo te
128. the store if any m Insulation thickness on top of the duct store DISO thickness of the insulation layer on top of the store if any m A zero value means no insulation layer Thermal conductivity of the insulation material LISO thermal conductivity of the insulation material W m K Horizontal extension of the insulation layer given as a fraction of the store depth FRISO the insulation layer on top of the store may extend beyond the store boundary FRISO give the radial extension of the insulation layer as a fraction of the store depth the store vertical extension Earth layer thickness covering the duct store DHP thickness of the earth layer that may cover the top of the store and the insulation layer if any m A zero value means no top earth layer A3 4 5 Ground parameters Up to 3 different horizontal ground layers can be specified A ground layer is defined by its thickness the thermal conductivity and volumetric heat capacity of the ground and the Darcy velocity of the water contained in the ground layer The 16 entries are Mean undisturbed ground temperature at the surface TGRDIN initial temperature of the ground before the construction of the borehole field This temperature should be close to the annual average value of the ground near the surface A rough estimation is to use the mean annual air temperature at the surface plus about 1 K C Mean temperature gradient in the undisturbed ground DTG
129. tilisation est illustr e dans le chapitre suivant 4 Courbe de chauffage 4 1 D finition de la courbe de chauffage Le module BRIDGEHEAT est une version simplifi e de BRIDGESIM Seuls les param tres li s au pont la m t o et la courbe de chauffage sont n cessaires Il permet pour une courbe de chauffage d finie par l utilisateur de calculer l nergie thermique d livr e dans le pont et de simuler l volution horaire de la temp rature de surface de la chauss e pour une saison de chauffage type Il s agit de maintenir la temp rature de surface de la chauss e sup rieure 0 C et ceci galement quand la temp rature de l air ambiant descend en dessous de 0 C Toutefois lorsque la temp rature de lair ambiant devient tr s basse la formation de givre ou de glace sur la chauss e n est plus craindre Ainsi il est permis d avoir une temp rature de surface du pont inf rieure 0 C lorsque la temp rature de l air ext rieur est inf rieure 4 C Le syst me doit tre en mesure de satisfaire la condition 4 1 en tout temps Ts gt 0 C si Tair gt 4 C 4 1 Ts et Tair sont respectivement la temp rature de surface de la chauss e et la temp rature de l air ambiant Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN Toutefois le syst me ne peut pas
130. tion Primary unit sec unit x factor Average spacing between the BHE _ BRO Borehole Heat Exchanger di vr BPIPE Spacing between the imbedded pipes in s Sa the bridge CGI Volumetric heat capacity of ground layer 1 kJ m K MJ m K x 1000 CG2 Volumetric heat capacity of ground layer 2 kJ m K MJ m K x 1000 CG3 Volumetric heat capacity of ground layer 3 kJ m K MJ m K x 1000 DAI Darcy velocity of ground water in layer 1 m s m day x 1 86 400 DA2 Darcy velocity of ground water in layer 2 m s m day x 1 86 400 DA3 Darcy velocity of ground water in layer 3 m s m day x 1 86 400 DEXTPIPE Outer diameter of the imbedded pipes m mm x 1 1 000 DHP Earth layer thickness covering the duct hi ze store DINTPIPE Inner diameter of the imbedded pipes m mm x 1 1 000 DISO Insulation thickness on top of the duct we store DPI Diameter of BHE type 1 m m Table A3 1 List of the parameters that can be varied in a multiple simulation A3 12 Parameter Short description Primary unit sec unit x factor DTOCST Lower dead band temperature for the solar K K controller DTICST Higher dead band temperature for the K K solar controller DTGRND Mean temperature gradient in the K m K km x 1 1000 undisturbed ground FLOWSPEC Fluid flow rate per square meter of heated litre h m Le m bridge surface Horizontal extension of t
131. tion pump electric energy for solar gain collection circulation pump electric energy for bridge heating A3 7 Output results with BRIDGESIM An excel file has been created with the name BRIDGESIM XLS in order to produce graphical output results from the output files created by BRIDGESIM It contains macros that automatically open the output files copy the content into the BRIDGESIM XLS file and close them The global system heat balance is produced together with various design quantities and files Figure A3 5 shows the various output results that can be produced Fluid temperature C 0 1 2 3 Fluid temperature in bore flow circuit monthly maximum monthly minimum 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Operation year Figure A3 5 Example of output result produced with BRIDGESIM XLS A3 20 Global system heat balance mean operation year kWh year Solar losses Bridge solar collection Solar radiation Bridge sommer 1 444 500 solar eff 10 0 electr ratio 37 4 Store losses 3 800 Electricity pumps 140 200 5 800 Duct store Stored unstored Bridge defreezing Bridge heating Bridge winter electr ratio 14 0 9 900 Electricity pumps Water tank losses Total electric energy for the pumps kWh y Global system ratio Duct store discharge Max Mean Heat extraction rate per meter borehole 55 13 W m Discharge duration Annual extracted energy pe
132. tribution in Rooms Yokohama Japan Remund J und Kunz S 2003 METEON Version 5 0 www meteonorm com Sommer M 1999 Serso Sonnenenergier ckgewinnung aus Strassenoberfl chen Messkampagne und Simulation des saisonalen Erdspeichers Zwischenbericht Bundesamt f r Energie Bern A2 17 Annexe 3 BRIDGESIM a simulation tool for the system design of bridge heating for ice prevention with solar heat stored in a seasonal sround duct store Table des mati res A3 The simulation tool p A3 1 A3 1 BRIDGESIM system layout p A3 1 A3 2 BRIDGESIM system control ou p A3 1 A3 3 BRIDGESIM system simulation t00 sss a p A3 3 A3 4 Input data to BRIDGESIM ss 000 p A3 3 A3 4 1 Simulation parameters ie p A3 4 A3 4 2 Weather parameters ie p A3 4 83 4 BOSE PALIN tn e ein lt p A3 5 A3 4 4 Duct store parameters iii p A3 7 BIEN Daramelers unse erraten a ar ae p A3 8 A3 4 6 Water tank parameters 0 p A3 10 A3 4 7 Circulation pump parameter p A3 11 A3 4 8 Heating curve parameters LI p A3 11 A3 4 9 Solar controller parameters UN p A3 11 A3 5 How to run BRIDGESIM p A3 12 A3 6 Output data from BRIDGESIM ss p A3 14 A3 6 1 The Listing File BRIDGESIM LST 0 p A3 15 83 02 The RE DSEDAT Sir ne remain dns n pi LI p A3 15 A3 6 3 The Output File BRIDGESIM OUT C O Oaaaaa L p A3 15 A3 6 4 The Plot File BRIDGESIM PLT p A3 19 A3 6 5 Heat Balance of the System f f O Oaa L p A3 19 A3 7 Output results with BRIDGESI
133. uct store stored energy variation of its internal energy ERRDS error on the duct store heat balance calculation TmCenter C mean borehole temperature in ground duct store centre TmBorder C mean borehole temperature in ground duct store border QLossTout kWh heat losses through the ground duct store top side QLossSout kWh heat losses through the ground duct store vertical sides QLossBout kWh heat losses through the ground duct store bottom side A3 18 A3 6 4 The Plot File BRIDGESIM PLT This file contains the time evolution of some temperatures and heat rates for the last year of the simulation period Hourly values of these quantities are written in this file only if the input parameter Print hourly values for last year is set to Yes Their labels are explained below The 11 columns of the file are Time hour time in hours from the first hour of the year of the simulation start TairExt degree C outdoor air temperature HHGLO W m incident solar radiation on bridge surface TsBridge degree C surface temperature of the road TinBridge degree C inlet fluid temperature in the bridge flow circuit ToutBridge degree C outlet fluid temperature from the bridge flow circuit TmDuct degree C average temperature of the ground duct store TinDuct degree C inlet fluid temperature in the duct store flow circuit ToutDuct degree C outlet fluid temperature from the duct store flow circ
134. ues et ou le crit re de tol rance requiert une demande de chauffage sp cifique trop lev e il n est pas possible d appliquer ce concept de syst me A noter que pour le site de Stockholm les besoins sp cifiques en chauffage ont t calcul s pr s de 200 kWh m an Pour ce cas un syst me avec une longueur sp cifique de sonde inf rieure 10 m m est malgr tout possible si la conductivit thermique du terrain est 30 Recherche nerg tique Programme de recherche nerg tique FRE sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN x sup rieure a 4 W mK Ce r sultat est en contradiction avec le site de Wassen probablement en raison de la disparit des lieux g ographiques et des conditions climatiques qui y sont rattach es L analyse des r sultats simul s montre que la temp rature moyenne du stock apr s une vingtaine d ann es est toujours tr s proche de la temperature initiale du terrain voire l g rement inf rieure Cela signifie qu il n y a pas un effet de stockage ou de d stockage significatif au cours des ann es et la recharge estivale du stockage permet de compenser le d stockage hivernal Ceci permet de dire que si le syst me fonctionne pour une configuration des sondes en stockage alors il fonctionnera aussi pour une ligne de sondes Si les besoins sp cifiques d une route sont proches de ceux d u
135. ueur des sondes 13 de la longueur totale ou 5 sondes g othermiques suppl mentaires si l espacement des serpentins dans le pont est r duit de 25 cm 15 cm La table 5 2 permet de montrer la longueur n cessaire de sonde g othermique pour le d givrage d un m tre carr de chauss e de fa on ce que le crit re de temp rature NTs d fini dans la section 5 1 soit respect Syst me optimum pour diff rents cas de figure pour Longueur de sonde par m tre carr le pont du projet pilote de Serso de chauss e Cas 1 pont isol serpentins espac s de 25cm 4 6 m m Cas 2 pont isol serpentins espac s de 15cm 3 9 m m Cas 3 pont non isol serpentins espac s de 25cm 6 9 m m Cas 4 pont non isol serpentins espac s de 15cm 5 2 m m Table 5 2 Longueur de sonde par m tre carr de chauss e pour les quatre cas de pont simul Pour un lieu comme Serso D rlingen le d givrage d un pont n cessite 4 7m de sonde g othermique pour chaque m tre carr de chauss e d givr e en fonction de l isolation ou non de la face inf rieure du pont et de l espacement des serpentins dans la chauss e Pour le pont de r f rence tel qu il a t r alis Serso les principales caract ristiques du syst me sont num r es dans la section suivante 5 10 Caract ristiques du syst me optimal pour le projet Serso Les principales caract ristiques du syst me optimis pour le projet d
136. uit PBridge kWh h heat rate transferred by the flow circuit in the bridge PDuct kWh h heat rate transferred by the flow circuit in the ground duct store A3 6 5 Heat Balance of the System The quantities contained in the file BRIDGESIM OUT allows the user to establish an overall heat balance of the system A diagram of the energy fluxes is shown in Fig A3 4 Global system heat balance kWh year Solar losses Qsolar QLoadStk Bridge solar collection Solar radiation Bridge sommer electr ratio QLoadStk QElecLoad Store losses QElecLoad Electricity pumps QLoadStk QLossStk Ground duct store Stored unstored QUnloadStk QEDSTin Bridge defreezing Bridge heating Bridge winter QHeatBridg electr ratio QHeatBridg QElecUnloa QLossTank QElecUnloa Electricity pumps Figure A3 4 System heat balance of the system Water tank losses A3 19 The heat quantities are calculated by the first simulation summary Osolar QLoadStk QLossStk QEDSTin QUnloadStk QHeatBridg QLossTank QElecLoad QElecUnloa kWh kWh kWh kWh kWh kWh kWh kWh incident solar radiation on bridge surface stored heat in ground duct store duct store heat losses duct store stored energy variation of its internal energy kWh recovered heat from ground duct store heating energy injected into the bridge heat losses from the short term water tank circula
137. ummer stored in the ground with the help of a borehole heat exchanger field and recovered in winter for the bridge defrosting Pipes are imbedded in the bridge carriageway for the collection of aestival solar heat and heating to prevent ice or frost formation Apart from the electric energy for the circulation pumps the system is designed to operate without auxiliary energy Measurements of the system thermal performances over a few years realised in the framework of another project have been used to develop and validate a simulation tool for the sizing of a similar system Called BRIDGESIM this simulation tool is providing an opportunity to go beyond the realised practical experience A procedure is proposed for the sizing of the system First of all the bridge has to be heated to prevent frost formation with the least possible heating energy A heating curve has to be established As the system operates without auxiliary energy it is not possible to guaranty that the bridge carriageway is always warm enough to prevent ice formation A tolerance concept is defined and used for the system sizing BRIDGESIM is used to resize the Serso system As a first step the heating curve is calculated Then the following quantities are optimised the spacing between the boreholes the control parameters of the solar collection the total borehole length and the bore depth The influence of other variables is also assessed such as the borehole thermal resistan
138. ung der W rmeenergie im Erdreich Die im Sommer von der Br cke akkumulierte Solarenergie und mit Hilfe von Erdw rmesonden im Boden gespeicherte Energie wird im Winter zur Enteisung der Br cke weitergenutzt In der Br ckenfahrbahn verlegte Register dienen im Sommer zur Einsammlung der Solargewinne und im Winter zur Beheizung der Fahrbahn um die Bildung von Eis oder Frost zu vermeiden Abgesehen von der elektrischen Energie die f r die Umw lzpumpen ben tigt wird ist das System so konzipiert dass es keine zus tzliche Energie beansprucht Die im Rahmen eines Vorg ngerprojektes ber mehrere Jahre durchgef hrte Messungen der thermischen Systemleistung haben es erm glicht ein neues Simulationstool zur Dimensionierung solcher Systeme zu entwickeln und zu validieren Das BRIDGESIM genannte Programm erm glicht es so ber die praktische Erfahrung hinauszugehen Ein Verfahren zur Dimensionierung eines Systems ist vorgeschlagen Zuerst geht es darum mit der geringst m glichen W rmeenergie die Br cke zu heizen und die Bildung von Frost zu vermeiden Eine Heizkurve muss erstellt werden Da das System ohne zus tzliche Energie funktioniert ist es nicht immer m glich zu garantieren dass die Fahrbahn warm genug ist um die Bildung von Eis zu vermeiden Ein Toleranzkonzept ist definiert welches bei der Dimensionierung eines Systems angewendet wird BRIDGESIM ist eingesetzt um das Serso System neu zu dimensionieren Als erstes wird die Heizkurv
139. ut parameters in BREBID for the two walls SURFACE and SOTTO A3 26 Top part of the bridge from the pipe plane to the road surface Bottom part of the bridge from the pipe plane to the bottom face of the bridge Note the convective heat transfer coefficient is fixed to an arbitrary large value on the pipe plane face so that the surface wall temperature is very close to the zone air temperature as these two temperatures according to the bridge simulation model should be equal and have to correspond to the pipe plane temperature in the bridge Figure A3 9 Input parameters in BREBID for the structure of the two walls SURFACE and SOTTO Wall Type Manager A wall type SURFACE Ra No Layer Thickness 1 2 BITUMENDAC 0 050 total thickness 0 090 m u value 5 021 Wnt K r Solar Absorptance of Wall font back DT Convective Heat Transfer Coefficient of Wall front La 720 kJ h n K back a fre kJ h mf K ce Wall Type Manager A wall ype Layer SCHAUMGLAS 0 100 total thickness 0 540 m u value 0 459 Wnt K Solar Absorptance of Wall front EN back EEE Convective Heat Transfer Coefficient of Wall front A 720 kJ h m K back a fre kJ h r K ce _ A3 27 Layer Type Manager Layer Type Manager m layer type BITUMENDAC vl m layer type PIPELAYER vl Massive Layer Massl
140. ux quatre variantes de pont d finies ci dessus 80 cas4 cas3 70 ___Pontsans T isolation 60 e 50 NTsurface pont lt 0 C Pont avec 2 40 isolation Espacement des tubes dans le pont 5 de 0 25 0 15 m o 30 D Vv 20 49 Nombre de sondes 6 ou 15 longueur 0 10 20 30 40 50 60 70 Nombre de sondes g othermiques Figure 5 7 Sensibilit du crit re de temp rature aux quatre variantes de pont Une disposition plus serr e des serpentins 15 cm au lieu de 25 cm permettrait de r duire la longueur totale des sondes g othermiques de 15 ce qui correspond l conomie de 6 sondes de 150m sur les 40 du cas analyse L effet est sensiblement plus important avec un pont non isol Ne pas isoler le pont tout en maintenant l espacement des serpentins 25 cm n cessite une augmentation massive des sondes g othermiques Pour le cas de r f rence il faudrait augmenter la longueur des sondes g othermiques de 50 ce qui correspond 20 sondes 17 Recherche nerg tique _ Programme de recherche nerg tique sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN g othermiques suppl mentaires sur les 40 initiales L effet de l conomie de l isolation du pont pourrait galement tre compens e par une augmentation plus raisonnable de la long
141. vec le modele calibr du systeme Serso A2 4 Conclusion Bien que les processus d change thermique a la surface du pont d pendent de nombreux param tres le mod le de simulation tente de reproduire les principales caract ristiques thermiques de la fa on la plus simple possible Ainsi les pr cipitations ne sont pas prises en compte de m me que la fonte de la neige ou encore l effet du vent du passage des voitures et de la convection naturelle sur le coefficient de transfert de chaleur convectif de la chauss e du pont Toutefois les pertes thermiques de la chauss e par convection et radiation sont calcul es de fa on diff rente la masse thermique du pont est prise en compte de m me que le transfert thermique entre le fluide et le pont par les serpentins Le mod le du syst me complet permet ainsi de reproduire de fa on satisfaisante aussi bien la dynamique court terme que le bilan annuel du syst me A2 16 References Hopkirk R J Hess K Eugster W J und Knobel P 1994 Serso Pilotprojekt zur Sonnenenergier ckgewinnung aus Strassenoberfl chen Technischer Bericht Bundesamt f r Strassenbau und Tiefbauamt des Kantons Bern Bern Klein S A et al 2005 TRNSYS A Transient System Simulation Program Version 15 3 Solar Energy Laboratory University of Wisconsin Madison USA Koschenz M and Dorer V 1996 Design of Air Systems with Concrete Slab Cooling Roomvent 96 5 International Conference on Air Dis
142. with solar heat stored in a seasonal ground duct store Recherche nerg tique _ Programme de recherche nerg tique sur mandat de Projet n 27 006 contrat n 77 268 Solaire actif chaleur et stockage de chaleur l Office f d ral de l nergie OFEN 1 Introduction Le projet Serso est n de l id e de vouloir d givrer un pont avec de l nergie solaire Il en r sulte un concept qui met en uvre un stockage saisonnier de chaleur dans le terrain L nergie solaire est capt e par le pont en t stock e dans le terrain par l interm diaire d un ensemble de sondes g othermiques puis restitu e en hiver pour le d givrage du pont Le pont est quip de serpentins qui permettent de collecter les gains solaires estivaux et de chauffer la chauss e en hiver pour emp cher la formation de glace ou de givre A l exception de l nergie lectrique n cessaire au fonctionnement des pompes le syst me est con u pour fonctionner sans nergie auxiliaire L objectif principal de ce projet est de pouvoir simuler et optimiser l installation pilote de Serso de mani re aller au del de l exp rience gagn e par la r alisation pratique du projet et par les mesures effectu es pendant plusieurs ann es de fonctionnement Un mod le de simulation dynamique de l installation incluant le comportement thermique de la chauss e du pont est d velopp et calibr sur deux ann es de mesures du syst me r el Il est ensuite utilis pour

Serso, stockage saisonnier solaire pour le dégivrage d`un pont

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