Stocker la chaleur de l’été vers l’hiver

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

18 commentaires pour Stocker la chaleur de l’été vers l’hiver

  1. Alexis dit :

    L’école ou j’ai étudiée (il y a assez longtemps pour qu’elle est changée de nom entre temps) forme des ingénieurs en génie climatique et énergétique :

    http://www.insa-strasbourg.fr/fr/ingenieur-en-genie-climatique-et-energetique/

    Avec un adossement au COSTIC :

    http://www.costic.com/

    Cela me semble être leur « cœur de métier »

  2. mons dit :

    bonjour
    j’avais la meme idee avec une variante…
    une cuve stockant des cailloux. peint en noir.. de faible diametre sans eau… avec donc une circulation d’air chaud
    cela autorise une montee en temperature tres elevee (plus que 100c) et un stokage d’energie pouvant doubler pour le meme volume
    cette cuve enterree peut etre simplement couverte par une vitre isolante (comme un capteur solaire)
    l’idee d’avoire plusieurs cuves est bonne ainsi que cele d’y adjoindre une pompe a chaleur
    il reste une chose a dire : aucun brevet ne peut etre depose car les murs stockant l’energie c’est vieux comme le monde..!!!!

  3. Cédric Ringenbach dit :

    @mons : Tu proposes de combiner le principe du capteur solaire et du stockage. C’est astucieux, ça peut donner quelque chose de très esthétique, et ça permet de dépasser les 100°C, ce qui est compliqué avec de l’eau (changement de phase).

    Pas de brevet possible pour un concept, en effet, mais une société qui développerait un système sophistiqué pour implémenter ce concept pourrait en revanche le protéger.

  4. Cédric Ringenbach dit :

    Bonne nouvelle : l’idée de stocker de la chaleur d’une saison à l’autre en est déjà au niveau de la R&D. Au moins deux expérimentations sont en cours en Allemagne et en région parisienne. Si quelqu’un peut m’en dire plus par contre, je suis preneur. Je n’ai pas encore trouvé les endroits exacts où ont lieu les expérimentations.

  5. mons dit :

    @ cedric : non pas d’eau dans la cuve. !!!
    relis bien. !
    des cailloux peint en noir
    apres etude il faut une chaleur specifique elevee ET si possible une bonne densite
    ce site
    http://elements.chimiques.free.fr/fr/proTable.php?champ=phyCha
    nous donne une solution : le carbone
    et ses derives ( le petrole ) et oui encore !
    le petrole a l’avantage de la convection
    reste a trouver la forme de la cuve.
    je propose une Pyramide inversee ca semble evident

  6. olivier dit :

    J’etais tombé sur un article probablement dans la maison écologique, un essai sur un quartier en allemagne. depuis je réfléchi mais ne trouve rien d’autre. Il parlait d’atteindre 80 degrés et 50/ du chauffage. Il me semble qu’un gros trou étanche et isolé correctement avec du polystyrène, rempli de caillou, béton et autre déchets propre, de l’eau salé pour l’antigel eventuel (contre nature l’antigel pour de l’eau chaude), le tout rélié a la surchauffe du ballon l’été et au Ballon l’hivers ne doit pas être très compliqué. Le plus dur résiderai dans l’éléctronique pour gérer le tout, c’est là ou un brevet pourrai etre dévellopé.

  7. mons dit :

    suite des cuves…
    on pourrai avoire 2 cuves avec des materiaux differents a l’interieur ( chaleur specifique differente ) une cuve avec de la pierre , une cuve avec de l’eau
    l’interet c’est de pouvoir refroidir l’eau en ete par transfert vers la cuve pleine de pierres ( pour evite la surchauffe )
    et au contraire rechauffer l’eau en hivers avec la chaleure residuelle des pierres
    avec une bonne gestion des transfert… ca doit encore ameliorer pas mal les rendements.

  8. JeromeP dit :

    Je suis tombé par hasard ici, l’idée n’est pas bête … Bien au contraire !
    Pour information vu au salon des énergie renouvelable de lyon en 2007 : http://www.ventilone.com/
    Application sur du résidentiel collectif et du tertiaires de stockage de l’énergie dans des pieu géothermique !

    Une seule chose me chiffone dans le postulat de base : consommation = 200kWh/m²/an
    C’est plutôt et ce poste mériterais d’être révisé en premier lieu !

  9. charly dit :

    j’ai un sujet a l’iut qui consiste a couplet des panneaux solaires (récup de chaleur) avec des champs géothermique pour stocker l’énergie…mais le soussi est que la température de l’eau a injectée doit étre inférieure a 50°C.

  10. Cédric dit :

    Bonjour Charly,
    bon courage, car avec une telle température, l’utilisabilité des calories est très faible. tu va dépenser beaucoup plus en pompage pour aller les mettre et pour les récupérer. De plus, il faudra une surface de terrain ou un volume de stockage beaucoup plus grand.

  11. Jean- Marc dit :

    Bonjour à tous,
    Je suis entrain de mettre au point une maison bioclimatique à énergie positive, le principe est assez simple et à la portée de tous mais j’aurai besoin de critique constructive
    1) La maison est conçue comme un frigo
    – bardage en douglas ou en bac acier sur l’extérieur
    – pare pluie
    – isolation: liège 8cm, air 4cm, feutre de bois 10 cm
    – paroi intérieur Fermacell.
    Minimum d’ouverture pour limiter les déperditions de chaleur
    2) la maison entoure une serre où le moindre rayon de soleil réchauffe la serre où la chaleur est renvoyée dans la maison jusqu’à une température de 19 à 20°.
    3) un chauffe eau solaire chauffe un tas de sable situé sous la maison afin de stocker les calories, celles ci sont récupérées par temp froid ou par ciel couvert
    4) une vmc double flux évite de relacher inutilement les calories dans la nature
    5) l’été la serre s’ouvre par le faitage afin d’évacuer les calories
    6) la climatisation estivale est obtenue grace à un puit canadien qui rafraichit l’air au niveau des plaintes
    Si le chauffe eau solaire monte trop en température, il suffit juste de l’occulter avec un volet de couleur blanche.
    J’attend vos critiques avec impatience mais aussi vos avis afin de pouvoir améliorer encore le système.
    Merci

  12. Valéry dit :

    L’étudiant qui se lancera dans la recherche bibliographique aura avantage à lire le fil du site Futura Sciences sur le stockage intersaisonnier:

    http://forums.futura-sciences.com/habitat-bioclimatique-isolation-chauffage/224819-stockage-inter-saisonnier-tunnel-a-galet.html

    A +

    Valéry

  13. thierry dit :

    j’ai remarqué il y a quelque temps deja le lien vers les tunnels à galets …très instructif
    il y en a un autre 52 maisons au canada à 90% chauffé au solaire avec un stockage intersaisonnier dans le sol jusque à 35m de profondeur

    http://www.dlsc.ca/how.htm

  14. mons dit :

    bonsoir
    une idee en passant…
    au lieu de stocker l’energie…
    pourquoi ne pas mettre tout simplement une clim reversible a eau.. en mettant un cote dans une nape Phreatique ..!
    l’autre etant dans la maison
    explication .. la nape Phreatique est a temperature constante ete comme hivers … ne gele pas ne chauffe pas… et de plus represente un tres bon contact thermique avec une dissipation infinie..!
    que demander de plus !

  15. Cédric dit :

    C’est une très bonne idée : c’est d’ailleurs l’un des modes de foncionnement des PAC (Pompes à chaleur). ça nécessite d’avoir une nappe phréatique sous sa maison, mais quand c’est le cas, pourquoi s’en priver ? à condition de ne pas brancher toute une agglomération sur une petite nappe, sinon l’idée qu’elle va être à température constante sera caduque…

    pourquoi « au lieu de stocker l’énergie » ? qu’est ce qui empêche de faire les deux ?

  16. gacem dit :

    bonjour a tous:
    une autre idée dans le même contexte,pourquoi pas pour le rafraichissement aussi…..

  17. Valentin dit :

    Bonjour,
    Je pense que le rafraichissement découle de la chauffe. On utiliserai l’inertie des pierres pour stocker la chaleur estivale et qui dit stocker chaleur dit rentré de chaleur donc « sortie de froid ».
    Un système couplé à un plancher chauffant reversible, donc rafraichissant permettrai l’été de récupérer le « froid » grace à un fluide caloporteur afin de le restituer à la maison. Le plancher rafraichissant assurant un confort plus que respectable.
    A explorer.
    Valentin

  18. luc dit :

    Stocker la chaleur de l’été pour l’hiver et stocker du froid l’hiver pour l’été sont 2 solutions qui ont déjà été utilisées avec succès dans le passé.

    – 1947, Maria Telkes et Eleanor Raymond ont construit la Dover Sun House, une maison utilisant 21 tonnes de sel Glauber pour stocker de la chaleur quand il y a du soleil.

    Un stockage chimique de longue durée.

    Le project a dû s’arrêter après 2 ans et demi à cause de la corrosion.

    http://www.technologyreview.com/printer_friendly_article.aspx?id=25551

    Aujourd’hui, la société suédoise Climator utilise cette technologie dans son produit Climsel

    http://www.climator.com/en/home/

    – 1981, à l’université de Princeton, Ted Taylor a utilisé 100 tonnes de glace fabriquées en hivers et stockées sous terre pour climatiser un immeuble en été.

    http://www.time.com/time/magazine/article/0,9171,949283,00.html

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