Stocker la chaleur de l’été vers l’hiver

mardi 19 août 2008

Le chauffage représente plus de la moitié des dépenses énergétiques de l’habitat. Alors pourquoi ne pas essayer de se chauffer uniquement avec de l’énergie gratuite, celle du soleil, et ce tout au long de l’année. Mais comme le soleil chauffe l’été alors qu’on ne se chauffe que l’hiver, il faudrait stocker les calories pendant 6 mois.

L’article suivant constitue un sujet de projet de fin d’étude qui sera confié à des étudiants de grandes écoles en 2008/09 et qui vise à valider ou invalider le dispositif qui pourrait permettre ce report de consommation d’énergie.

Les élèves et les directeurs des études qui le souhaitent peuvent me contacter s’ils veulent prendre ce sujet et avoir un suivi de ma part.

Introduction

Peut-on stocker de la chaleur l’été pour la consommer l’hiver et réciproquement pour le froid?Ce sujet se découpe en deux :

  • A) stockage de l’été pour l’hiver
  • B) Corolaire : stockage sur trois semaines

Chaque sujet peut être confié à un élève différent.

  • Les exercices 1 et 6 peuvent être fais en commun par les deux élèves.
  • Les exercices 2, 3 et 4 constituent le thème A.
  • L’exercice 5 constitue le thème B

Fonctionnement du dispositif

L’idée est d’utiliser comme capacité calorifique une cuve enterrée, thermiquement isolée du sol, et contenant des pierres (forte capacité calorifique) et de l’eau (ou tout autre liquide caloporteur). Une pompe permet de faire circuler de l’eau dans la cuve. On fait l’hypothèse que l’eau ressort à la température moyenne de la cuve.Un système de chauffage basse température équipe la maison. Entre le liquide caloporteur du réservoir de calories et le liquide du plancher chauffant, on place un échangeur thermique qui a pour fonction de réguler la quantité de chaleur fournie en ajustant les vitesses de passage des deux fluides pour :

  • a) tenir compte des besoins en calorie (Quand il fait très froid, les deux fluides passent plus vite pour transmettre le plus de calories possibles)
  • b) prendre en compte la température de la réserve de calories (Toute chose égale par ailleurs, quand l’eau de la réserve est très chaude, elle circule lentement et quand elle est plus froide, elle circule plus vite). On palie ainsi partiellement à la mauvaise utilisabilité des calories de la réserve à basse température.

La maison est également équipée de panneaux chauffants.L’été, les panneaux chauffants réchauffent la réserve calorifique. L’hiver, on utilise la chaleur contenue dans la réserve pour chauffer la maison. A la fin de l’hiver, on laisse la température de la réserve baisser encore pour constituer un stock de « froid ».

Scénario type

  • Maison de 100m² avec un terrain de 500m².
  • Performance énergétique de la maison : 200 kWh/m².an.
  • Déperditions de chaleur : à définir pour être cohérent avec la performance énergétique
  • Climat : Région parisienne.

Exercices

Cette liste d’exercices est ouverte. L’étudiant aura le loisir de proposer d’autres scénarios à étudier, d’approfondir les points qui lui semblent les plus importants et de laisser ceux qu’il estime moins urgents.

Exercice 1

  • Faire une recherche bibliographique pour savoir si des études dans ce sens ont déjà été menées.
  • Faire une étude de marché des principales pierres de construction disponibles en France, leur région de production, leur prix, leur masse volumique, leur capacité calorifique.
  • Etudier d’autres matériaux qui ont une forte capacité calorifique et qui pourraient être disponible pour un prix modique, éventuellement par un circuit de récupération (pylônes téléphoniques, matériel de construction).
  • Obtenir la courbe corrigée des températures jour par jour d’une année donnée pour la région parisienne.
  • Identifier une pompe à eau adaptée à l’usage de ce dispositif et connaître son débit maxi et sa consommation électrique par rapport au débit (au besoin : modéliser ou simplifier cette courbe). Quel est le prix de cette pompe ?
  • Quelle est la forme la plus adaptée à la fois en terme d’efficacité (faible surface de déperdition / volume) et de facilité de conception (on oublie donc la sphère !)
  • Quelle doit être l’isolation d’un tel dispositif pour perdre moins de 20% de l’énergie emmagasinée? (préconiser un isolant résistant à des contraintes mécaniques pour la base et un autre isolant pour les parois)

Exercice 2

Dans le cas d’un stockage de la chaleur de l’été pour une utilisation en hiver:

  • Déterminer la température maxi que les panneaux solaires chauffants peuvent atteindre
  • On fait l’hypothèse qu’ils sont en quantité suffisante pour atteindre une température Ti telle que (Ti – 20°C) = 0,8 x (Tmax – 20°C)
  • Obtenir ou calculer la courbe des besoins en chaleur de la maison au cours de l’année (en fonction de la T° ext)
  • Calculer la courbe de température de la réserve de chaleur au cours de l’hiver.
  • Obtenir la courbe de puissance du panneau chauffant au cours de l’année.
  • Analyser la complémentarité des courbes panneau chauffant / réserve. Quel est le moment de l’année le plus délicat?
  • Déterminer la taille d’une capacité calorifique suffisante pour emmagasiner de la chaleur l’été, la restituer l’hiver sans utiliser de pompe à chaleur et couvrir les besoins en chauffage de la maison.
  • Déduire le dimensionnement des panneaux solaires pour obtenir la température Ti de la réserve calorifique.

Exercice 3

Même exercice, mais en utilisant trois réservoirs à chaleur qui sont utilisés successivement afin d’éviter d’avoir une température du réservoir qui décroisse progressivement. On palie ainsi à la baisse de l’utilisabilité des calories de la réserve en fin d’utilisation.

  • Détailler le scénario de l’utilisation successive des cuves
  • Donner la courbe de température de chaque réservoir.

Exercice 4

Même exercice mais dans une région qui nécessite autant de climatisation l’été que de chauffage l’hiver.

  • Le dispositif est complété avec un échangeur qui évacue les calories des cuves en hivers pour conserver du froid pour l’été.
  • On perçoit ici d’autant mieux le besoin d’avoir trois cuves différentes : pendant que la première a été complètement utilisée en début d’hiver, on commence à la faire baisser en température au maximum pendant le coeur de l’hiver pendant que la seconde sert encore de radiateur. Puis on refroidit cette seconde cuve pendant qu’on prend les calories de la troisième.

Exercice 5

On revient sur terre et on étudie le même dispositif avec une portée de trois semaines pour déporter l’utilisation des calories par rapport au moment de leur création.

  • On dispose en outre d’une pompe à chaleur.
  • Ce dispositif aura un intérêt quand le prix de l’énergie variera d’un jour sur l’autre. EDF a déjà mis en place de tels politiques de prix, notamment en Normandie, avec trois tarifs, le plus cher étant 10 fois plus élevé que le plus économique.
  • Trouver les infos sur ces expérimentations et récupérer un cas réel avec les prix sur une ou plusieurs années.
  • Trouver les courbes de températures au jour près sur la même période dans la même région.
  • Faire une simulation des gains financiers réalisés en utilisant le dispositif de stockage de chaleur dans le cas réel identifié.
  • A défaut d’un cas réel, utiliser la courbe de température de la maison en région parisienne et en fixant arbitrairement les niveaux de tarifs.

Exercice 6

Etudier les pistes suivantes pour améliorer le système :

  • placer les trois cuves l’une au dessus de l’autre et utiliser la stratification naturelle des températures
  • faire des ponts thermiques de façon mécanique pour capter du froid et refroidir une cuve en fin d’hiver.
  • jouer sur le rôle des trois cuves pour optimiser l' »utilisabilité » des calories (isolations, température en fin d’été ou en fin d’hiver)
  • vérifier l’hypothèse que la production éolienne pourrait, à terme, faire baisser le prix de l’électricité à l’automne et au printemps et étudier l’opportunité de reporter les calories de l’été vers une consommation en hivers couplée avec un renfort à l’automne de la part d’une pompe à chaleur. Idem pour le report du froid accumulé l’hiver avec une contribution de la pompe à chaleur inversée au printemps.
  • Intégrer les besoins en eau chaude sanitaire.
  • Ad lib : toute piste d’amélioration du système est bienvenue

L’accouplement de deux corps de températures différentes

samedi 2 août 2008

Premier et second principes de la thermodynamique

Le premier principe de la thermodynamique dit que, dans un système fermé, la quantité totale de matière et d’énergie ne peut varier. Autrement dit, « rien ne se crée, rien ne se perd, tout se transforme » comme dirent tout à tour Anaxagore de Clazomènes et Antoine Lavoisier.

Le second principe de la thermodynamique dit que dans un système fermé, l’entropie ne peut que croître:

∆S ≥ 0

L’entropie se mesure en J/°K (Joules par degré Kelvin) et vaut :

S = W / T

W est la qualité de chaleur contenue dans le système
T est sa température

Lors d’une transformation réversible, l’entropie reste sage, voire constante, alors que son augmentation signifie immanquablement une irréversibilité du phénomène. Pour te donner une image, si on filme un événement et qu’on peut passer le film à l’envers sans que cela semble bizarre, c’est que la transformation est réversible (par exemple, une balle très élastique qui rebondit). Au contraire, si je laisse tomber un oeuf par terre et que je filme cet acte à la fois gratuit et inspiré, tu ne me croiras jamais si je te passe la bobine à l’envers. L’entropie de la cuisine a donc augmenté légèrement au cours de l’expérience (tout comme l’humeur de ma femme d’ailleurs…).

Un exemple d’irréversibilité facile à comprendre est l’accouplement de deux liquides de températures différentes : je mets un litre d’eau à 40°C en ménage avec un litre d’eau à 20°C, j’obtiens deux litres d’eau à 30°C. La quantité de chaleur de l’ensemble est la même, mais son entropie a augmenté car l’opération est irréversible. Du coup, je n’ai plus d’eau à 20°C (celle qui est agréable à boire) ni d’eau à 40°C (celle avec laquelle je peux me doucher)… Quel gâchis !

Résumons.

  1. Tant que je n’ai pas fais le mélange, j’ai encore le choix de :
    • boire de l’eau fraîche
    • me laver le…
    • faire une expérience débile et lubrique lue sur un blog
  2. Une fois le mélange accompli, on ne peut plus revenir en arrière.  On peut à la limite, boire de l’eau tiède ou se laver à l’eau froide, mais c’est tout.

Moralité :

L’augmentation de l’entropie va avec une diminution du champ des possibles.

Quelle leçon retenir pour l’énergie que nous consommons ?

L’énergie peu prendre des formes diverses :

  • l’énergie chimique potentielle d’un litre d’essence (soit 1kW.h)
  • l’énergie cinétique d’une voiture roulant à 50 km/h (Ec = 1/2 mV², je te laisse faire le calcul)
  • le faisceau électromagnétique émis par une ampoule (basse consommation, évidemment)
  • l’énergie électrique consommée par ma télé pendant un épisode de la Nouvelle Star (presqu’autant que quand c’est moi qui la regarde)
  • la chaleur de ton corps (2,5 kW.h par jour quand-même !)

Toutes ces formes d’énergie présentent un intérêt qui dépend du contexte et peuvent, avec une efficacité plus ou moins déplorable, passer d’une forme à l’autre grâce à des transformations en générale irréversibles. Mais une chose est sure, c’est qu’au final, l’énergie se transforme en chaleur. La chaleur, mes bien chers frères, est la forme la plus dégradée de l’énergie. C’est le résidu de toute activité, même la plus louable, la plus subtile ou la plus intelligente (oui ma chérie, même regarder la Nouvelle Star).

Donc, quand nous disons que nous consommons de l’énergie, c’est incorrecte d’un point de vue thermodynamique car nous ne faisons que la transformer en une autre forme d’énergie (rien ne se crée, rien ne se perd, rappelle-toi Clazomènes et Lavoisier), mais c’est correct d’un point de vue anthropomorphique car une fois dégradée en chaleur, cette énergie ne nous est plus d’un grand intérêt.

Où voulais-je en venir ? Ah oui, mes bien chers frères, à ceci : au fait qu’il est aberrant de faire passer un courant électrique à travers une pauvre résistance (qui n’a rien demandé à personne, soit dit en passant) pour produire de la chaleur par effet Joule alors que cette chaleur est omniprésente autour de nous. Il est encore plus aberrant de faire ça avec plus de la moitié de l’électricité que nous consommons.

Mieux gérer, stocker, économiser, produire, transférer la chaleur est le but du projet qui va occuper mes nuits et mes week-end pour les années à venir.  Mon intuition est que limiter l’augmentation de l’entropie est une piste pour économiser l’énergie et optimiser le confort.

Les prochains posts en diront plus sur ce projet, promis.