Le froid solaire par dessiccation appliqué au bâtiment

211 Pages·2011·8.84 MB·French

N° d’ordre 07 ISAL 100
Année 2007
Thèse

Le froid solaire par dessiccation appliqué au
bâtiment :
Proposition d’une stratégie de régulation du
système

Présentée devant
L’institut national des sciences appliquées de Lyon

Pour obtenir
Le grade de docteur

École doctorale
MEGA (Mécanique – Energétique – Génie Civil – Accoustique)

Par
Thibaut VITTE
(Ingénieur)

Thèse dirigée par
Prof. Jean BRAU
Doct. Nadège CHATAGNON

Jury MM.
J. BRAU Professeur, (INSA de Lyon)
N. CHATAGNON Docteur, chargée de recherche (EDF R&D)
F. DURIER Directeur scientifique (CETIAT)
H-M. HENNING Docteur, directeur du département bâtiments et systèmes
thermiques au Fraunhofer ISE (Fribourg, Allemagne)
C. INARD Professeur, (Université de La Rochelle), Rapporteur
M. WOLOSZYN Maître de Conférence, (Université Cl. Bernard Lyon 1)
(membre invitée)
E. WURTZ Directeur de recherche (CNRS) (Université de Savoie),
Rapporteur

Laboratoire de recherche
Centre de Thermique de Lyon
UMR 5008, INSA de Lyon – Université Lyon1 - CNRS

INSA Direction de la Recherche - Ecoles Doctorales 2007
SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU
RESPONSABLE
CHIMIE DE LYON M. Jean Marc LANCELIN
CHIMIE http://sakura.cpe.fr/ED206 Université Claude Bernard Lyon 1
M. Jean Marc LANCELIN Bât CPE
Insa : R. GOURDON 43 bd du 11 novembre 1918
69622 VILLEURBANNE Cedex
Tél : [phone] Fax :
[email protected]
ELECTRONIQUE, M. Alain NICOLAS
E.E.A. ELECTROTECHNIQUE, Ecole Centrale de Lyon
AUTOMATIQUE Bâtiment H9
http://www.insa-lyon.fr/eea 36 avenue Guy de Collongue
M. Alain NICOLAS 69134 ECULLY
Insa : D. BARBIER Tél : [phone] Fax : [phone]
[email protected] [email protected]
Secrétariat : M. LABOUNE Secrétariat : M.C. HAVGOUDOUKIAN
AM. 64.43 – Fax : 64.54
EVOLUTION, M. Jean-Pierre FLANDROIS
E2M2 ECOSYSTEME, CNRS UMR 5558
MICROBIOLOGIE, Université Claude Bernard Lyon 1
MODELISATION Bât G. Mendel
http://biomserv.univ-lyon1.fr/E2M2 43 bd du 11 novembre 1918

69622 VILLEURBANNE Cédex
M. Jean-Pierre FLANDROIS
Tél : [phone] Fax [phone]
Insa : S. GRENIER
06 07 53 89 13

[email protected]
INFORMATIQUE ET M. Alain MILLE
EDIIS INFORMATION POUR LA Université Claude Bernard Lyon 1
SOCIETE LIRIS - EDIIS
http://ediis.univ-lyon1.fr Bâtiment Nautibus
43 bd du 11 novembre 1918
M. Alain MILLE 69622 VILLEURBANNE Cedex
Tél : [phone] Fax [phone]
Secrétariat : I. BUISSON [email protected] - [email protected]
INTERDISCIPLINAIRE M. Didier REVEL
EDISS SCIENCES-SANTE Hôpital Cardiologique de Lyon
Bâtiment Central
28 Avenue Doyen Lépine
M. Didier REVEL 69500 BRON
Insa : M. LAGARDE Tél : [phone] Fax :
[email protected]
MATERIAUX DE LYON M. Jean Marc PELLETIER
INSA de Lyon
MATEIS
M. Jean Marc PELLETIER Bâtiment Blaise Pascal
7 avenue Jean Capelle
Secrétariat : C. BERNAVON 69621 VILLEURBANNE Cédex
83.85 Tél : [phone] Fax [phone]
[email protected]
MATHEMATIQUES ET IN- M.Pascal KOIRAN
Math IF FORMATIQUE FONDA- Ecole Normale Supérieure de Lyon
MENTALE 46 allée d’Italie
69364 LYON Cédex 07
Tél : [phone] Fax : [phone]
M. Pascal KOIRAN [email protected]
Secrétariat : Fatine Latif - [email protected]

lyon1.fr
Insa : G. BAYADA
MECANIQUE, ENERGETI- M. Jean Louis GUYADER
MEGA QUE, GENIE CIVIL, INSA de Lyon
ACOUSTIQUE Laboratoire de Vibrations et Acoustique
Bâtiment Antoine de Saint Exupéry
M. Jean Louis GUYADER 25 bis avenue Jean Capelle
69621 VILLEURBANNE Cedex
Secrétariat : M. LABOUNE Tél :[phone] Fax : [phone]
PM : 71.70 –Fax : 87.12 [email protected]

SCIENCES DES SOCIETES, Mme Claude-Isabelle BRELOT
SSED DE L’ENVIRONNEMENT ET Université Lyon 2
DU DROIT 86 rue Pasteur
69365 LYON Cedex 07
Mme Claude-Isabelle BRELOT Tél : [phone] Fax : [phone]
[email protected]

Insa : J.Y. TOUSSAINT
Je tiens à remercier Jean Brau, mon directeur de thèse, pour m'avoir
proposé ce sujet passionnant, et pour avoir partagé son expérience et sa vision
de la thermique du bâtiment tout au long de ma thèse.

Je tiens également à remercier ma directrice de thèse à EDF, Nadège
Chatagnon, pour son soutien, son implication, et sa patience.

Je remercie MM. Christian Inard et Etienne Wurtz, pour m'avoir fait
l'honneur de rapporter mon travail de thèse, dans le court délai qui leur était
imparti.

Je remercie MM. François Durier et Hans-Martin Henning pour m'avoir
fait l'honneur de siéger à mon jury de thèse.

Je remercie Mme. Monika Woloszyn, qui a suivi mes travaux, pour ses
conseils et sa rigueur et pour sa participation à mon jury de thèse.

Je tiens également à remercier l'ensemble du personnel du CETHIL pour
sa disponibilité.

Enfin, j'ai une pensée pour tous ceux qui m'ont entouré pendant ces
trois années. Merci à Marco (believe !) pour nos innombrables discussions
politico-scientifiques, à Caroline, sans qui ces trois années n’auraient pas été
tout à fait les mêmes, à David, Nassim, Fred, Pascal, Brigitte, Valentin, Tiberiu
et tous les doctorants du CETHIL. Mes amis, "Capucins powa" pour pas faire de
jaloux, mes "frères" Baptiste et Nico, et bien entendu ma famille.
Résumé
Résumé

Le propos de cette thèse est d’étudier le couplage entre un système de
refroidissement solaire évaporatif à dessiccation en cycle ouvert (appelé aussi
« desiccant cooling ») et le local refroidi.
Dans un premier temps, les différentes technologies de production de
froid à partir de l’énergie solaire sont exposées et évaluées à partir
d’indicateurs énergétiques saisonniers. Puis une modélisation du système
global « météo – centrale dessicant – boucle solaire – bâtiment » est réalisée.
Le modèle de la roue à dessiccation tire profit de la méthode des potentielles
caractéristiques, et d’une analogie avec un échangeur rotatif sensible, afin de
résoudre les équations couplées de transfert de masse et d’énergie. Il est
validé à partir de données expérimentales.
L’exploitation des résultats de la modélisation permet de définir les
paramètres les plus pertinents pour le contrôle de la centrale dessicant. De
même, l’influence des conditions d’air intérieur et extérieur est étudiée en
fonction de la température du local et de la différence d’enthalpie entre l’air
extérieur et intérieur.
Finalement, à partir de ces observations, une stratégie de régulation est
élaborée, puis optimisée à l’aide de l’algorithme de minimisation Hooke and
Jeeves.
Mots clefs :
Climatisation, énergie solaire thermique, dessiccation solide, simulation,
TRNSYS, régulation, optimisation
Thibaut Vitte – Thèse en Génie Civil – 2007 – Institut National des Sciences Appliquées de Lyon i
Abstract
Abstract

The purpose of this thesis is to study the coupling between a solar
desiccant evaporative cooling system and the air-conditioned building. Firstly
several solar air-conditioning technologies are presented and compared through
seasonal energetic indicators. Then a modelling of the global system, composed
of the weather, the desiccant air handling unit, the solar subsystem and the
building is realized. The desiccant wheel model uses the characteristic
potentials method and an analogy with a sensible recovery wheel to solve the
heat and mass transfer equations.
A parametric sensitivity study allows defining the most relevant
parameters to be used to control the desiccant air handling unit. The influence
of outdoor and indoor air conditions is likewise studied, regarding the dwelling
air temperature and the difference of air enthalpy between indoor and outdoor.
Finally, a control strategy, based on these results, is build for the
desiccant system. It is next optimised thanks to the Hooke and Jeeves
minimisation algorithm.
Key words :
Air conditioning, solar thermal energy, solid desiccant, modelling,
TRNSYS, control strategy, optimisation
Thibaut Vitte – Thèse en Génie Civil – 2007 – Institut National des Sciences Appliquées de Lyon ii
Table des matières
Table des matières

Résumé................................................................... i
Abstract ................................................................. ii
Table des matières...................................................iii
Table des illustrations..............................................vii
Liste des tableaux....................................................xi
Nomenclature.........................................................xii
Introduction............................................................ 1
1. Généralités et état de l’art à propos de la climatisation
solaire................................................................... 3
1.1 Enjeux de la climatisation solaire ...................................................3
1.1.1 Enjeux énergétiques de la climatisation de l'habitat .............................................3
1.1.2 Généralités thermodynamiques sur la production de froid .....................................4
1.2 Vue d'ensemble des technologies de production de froid solaire ........ 10
1.2.1 Description des technologies de climatisation solaire ..........................................10
1.2.2 Installations actuelles en Europe ....................................................................15
1.2.3 Description du système solaire .......................................................................16
1.3 Comparaison des techniques de climatisation solaire commerciales ... 22
1.3.1 Avantages et inconvénients qualitatifs .............................................................22
1.3.2 Définition des indicateurs permettant la comparaison .........................................22
1.3.3 Résultats de comparaisons tirées de la littérature ..............................................25
1.3.4 Etude comparative effectuée pendant la thèse ..................................................27
1.3.5 Enseignement et limites des études comparatives ..............................................31
1.4 Conclusion ................................................................................ 33
2. Etat de l'art de la technologie à dessiccation en cycle
ouvert...................................................................34
2.1 Introduction .............................................................................. 34
2.2 Précis théorique sur l'air humide et le phénomène de sorption........... 35
2.2.1 Définitions relatives à l'air humide...................................................................35
2.2.2 Précis théorique sur le phénomène de sorption ..................................................36
Table des matières
2.2.3 Conclusion...................................................................................................38
2.3 La dessiccation en phase solide en cycle ouvert............................... 39
2.3.1 La sorption solide ou adsorption......................................................................39
2.3.2 Principe du cycle évaporatif à dessiccation en phase solide...................................43
2.3.3 Configurations annexes de centrales "desiccant cooling"......................................46
2.3.4 Conclusions sur la dessiccation solide...............................................................51
2.4 La dessiccation en phase liquide en cycle ouvert ............................. 52
2.4.1 Les solutions hygroscopiques ou sorbants.........................................................52
2.4.2 Les différents types d'échangeurs....................................................................55
2.4.3 Différents systèmes utilisant la dessiccation liquide ............................................58
2.4.4 Conclusion sur la dessiccation liquide...............................................................64
2.5 Conclusion................................................................................. 66
3. Modélisation globale d’une installation de refroidissement
évaporatif solaire à dessiccation solide couplée à un
bâtiment ...............................................................67
3.1 Introduction .............................................................................. 67
3.1.1 La modélisation............................................................................................67
3.1.2 La simulation...............................................................................................68
3.1.3 Application au problème étudié .......................................................................69
3.2 Le modèle de la roue à dessiccation .............................................. 70
3.2.1 Introduction ................................................................................................70
3.2.2 Les équations fondamentales des échanges de chaleur et de masse.......................72
3.2.3 Différents modèles de roue à dessiccation développés dans la littérature................75
3.2.4 Le modèle de roue à dessiccation FINUT [STABAT,03].........................................79
3.2.5 Conclusion...................................................................................................89
3.3 Modélisation des autres composants du système de refroidissement à
dessiccation solaire..................................................................... 91
3.3.1 Modélisation des échangeurs de chaleur ...........................................................91
3.3.2 Modélisation des humidificateurs.....................................................................92
3.3.3 Modélisation des ventilateurs..........................................................................93
3.3.4 Modélisation des composants de la boucle solaire...............................................93
3.3.5 Modélisation des capteurs solaires...................................................................94
3.4 L'environnement de simulation TRNSYS 16..................................... 96
3.4.1 TRNSYS 16.0 ...............................................................................................96
3.4.2 Le modèle de bâtiment "TYPE 56"....................................................................96
3.5 Conclusion................................................................................. 98
4. Caractérisation du fonctionnement de la centrale à
dessiccation couplée à une salle de réunion en vue de
l'établissement d'une nouvelle régulation....................99
4.1 Introduction .............................................................................. 99
4.2 Spécificité de la régulation des systèmes desiccant cooling ..............101
4.2.1 Précis théorique sur la régulation .................................................................. 101
4.2.2 Etude bibliographique de la régulation des centrales desiccant cooling ................. 104
Table des matières
4.2.3 Synthèse de l'étude bibliographique............................................................... 109
4.3 Etude de sensibilité en vue de l'identification des paramètres régulés111
4.3.1 Paramètres étudiés..................................................................................... 111
4.3.2 Caractéristiques de la centrale de traitement d’air............................................ 112
4.3.3 Définition du local étudié ............................................................................. 113
4.3.4 Conditions d'air pour les tests effectués.......................................................... 113
4.3.5 Résultats de l'étude de sensibilité des paramètres............................................ 114
4.3.6 Conclusion................................................................................................. 121
4.4 Etude de l'influence des conditions d'air intérieures et extérieures ....123
4.4.1 Introduction .............................................................................................. 123
4.4.2 Résultats ................................................................................................. 124
4.5 Conclusion................................................................................129
5. Proposition et optimisation d'une nouvelle régulation en
boucle hybride......................................................130
5.1 Introduction .............................................................................130
5.2 Définition de la stratégie de contrôle............................................131
5.2.1 L'algorithme de régulation............................................................................ 131
5.2.2 Implémentation du contrôleur dans la simulation.............................................. 132
5.2.3 Conclusion................................................................................................. 134
5.3 Test de la stratégie sur des journées-test......................................135
5.3.1 Hypothèses du cas testé.............................................................................. 135
5.3.2 Résultats sur une journée test ...................................................................... 136
5.4 Résultats saisonniers .................................................................140
5.4.1 Définition des indicateurs et résultats............................................................. 140
5.4.2 Influence du pas de temps de calcul sur les résultats........................................ 141
5.4.3 Etude fine de la régulation ........................................................................... 143
5.5 Optimisation des valeurs frontières de la stratégie de régulation hybride
.............................................................................................. 144
5.5.1 L'algorithme d'optimisation .......................................................................... 144
5.5.2 Implémentation dans la simulation ................................................................ 145
5.5.3 Résultats 145
5.5.4 Conclusion................................................................................................. 149
5.6 Comparaison de la stratégie de régulation hybride..........................150
5.6.1 Comparaison avec une solution référence à compression ................................... 150
5.6.2 Comparaison avec d'autres stratégies de régulation.......................................... 151
5.7 Application de la régulation hybride à d'autres cas..........................155
5.7.1 Variation de la puissance électrique des auxiliaires de la centrale........................ 155
5.7.2 Variation de la température de consigne......................................................... 155
5.7.3 Variation du climat...................................................................................... 156
5.8 Conclusion et améliorations possibles...........................................158
5.8.1 Conclusion................................................................................................. 158
5.8.2 Améliorations possibles................................................................................ 158