Rapport projet intermédiaire

LBIR1325B Transfert de fluides et d'énergie pour les bioingénieurs

1) Introduction et reformulation des objectifs

L’UCLouvain a décidé de faire des travaux sur la tour “De Serres”. Ce nouveau bâtiment, une fois reconstruit, possédera une grande surface vitrée. Beaucoup plus d’échanges de chaleur se produiront entre l’intérieur et l’extérieur de la tour. Dans le contexte écologique actuel, l’UCLouvain désire trouver un moyen de construire un bâtiment écoresponsable consommant peu d’énergie et de chaleur, tout en respectant les normes de travail internationales.

Dans ce travail, nous aborderons cette problématique sous 3 angles: la consommation totale de chaleur et d'électricité, les sources d’énergie à mettre en place pour satisfaire cette demande d’énergie sous les conditions de travail déterminées et les moyens de stocker cette énergie. Pour cela, nous utiliserons des logiciels comme Excel ou Python afin de calculer les productions calorifique et électrique pour une année type (2018). Grâce à cela, nous tenterons de proposer des solutions renouvelables afin de réduire la production actuelle et de la rendre plus écologique. Nous proposerons également un système de stockage à court terme qui permettra de garder une partie de la chaleur pendant un court moment, afin de l’utiliser par après.

Pour chauffer le bâtiment nous évoquerons une pompe à chaleur qui sera alimentée par des panneaux photovoltaïques. Si le besoin en chaleur est trop élevé comme pour l'eau chaude sanitaire, nous rajouterons une chaudière à biogaz. Ces panneaux seront aussi destinés à la production d’électricité du bâtiment.

Lors du dimensionnement de nos solutions, nous devrons tenir compte de différentes contraintes. Tout d'abord, les nombreuses normes européennes concernant la qualité de l’air à l’intérieur des locaux. Mais également la température, qui ne pourra pas descendre sous les 21°C lorsque le bâtiment sera occupé. De plus, nous prendrons en compte les changements des conditions météorologiques au cours de l’année, variables qui influencent bien évidemment nos calculs. Nous proposerons donc des solutions durables au meilleur rendement.

2) Méthodologie

Pour mener à bien ce projet, plusieurs types de données ont été mises à disposition, telles que les données météorologiques des vingt dernières années, des plans architecturaux et des données physiques sur les matériaux du bâtiment. A partir de ces données, nous sommes capable de trouver et de dimensionner une solution au problème posé.

Premièrement, il faut calculer à partir des plans architecturaux les dimensions du bâtiment. Cela comprend le calcul de la surface des murs, des murs-rideaux, des fenêtres et des toitures, ainsi que le volume des différentes pièces du bâtiment.

La deuxième étape consiste à calculer les déperditions calorifiques à partir des données météorologiques de températures, des surfaces extérieures du bâtiments et des données physiques des différents matériaux composant ces dernières. Ceci se décline en deux parties: d’une part, le calcul des pertes de chaleur sous des conditions de froid extrême, qui permettra de dimensionner le système de production de chaleur . D’autre part, le calcul des pertes sur une année type, permettant quant à lui de calculer la déperdition totale sur une année complète. L'équation permettant de calculer les flux de chaleur par convection est $Q = hA(Text-Tint) W$ avec $h$ $W/m^2K$ le coeficient de transmission thermique des différents matériaux du batiment. Nous utiliserons celui des murs, surfaces vitrées et toit. La surface $A$ en $m^2$ est la surface d'échange. Pour ce qui est des températures, nous considérons $Text$ égale à la température extérieure et $Tint$ est considérée constante à 21°C pour les heures d'occupation et 18°C en dehors. De plus, au cours de cette deuxième étape et toujours à partir des conditions météorologiques, il sera également nécessaire de prendre en compte l’ensoleillement comme apport direct de chaleur au travers des fenêtres et des murs-rideaux. Pour ce calcul, nous avons considéré une façade vitrée du bâtiment et avons multiplié la surface de celle-ci par l'ensoleillement au cours de l'année et par le facteur solaire, qui représente la quantité d'énergie transmise par rapport à une certaine énergie incidente dûe au rayonnement solaire.

Troisièmement, à partir des trois premières étapes explicitées ci-dessus, il est possible de calculer les besoins totaux en chauffage sur une année complète et donc la consommation du bâtiment sur cette même période. Ensuite, l’on sera à même de dimensionner un système de chauffage pour le bâtiment à partir de pompes à chaleur et d’une chaudière à biogaz.

Pour finir, la dernière étape comprend deux parties: d’abord, à partir de la consommation électrique des équipements et des pompes à chaleur. La pompe à chaleur servira à chauffer le bâtiment, et permettra de maintenir une température minimale constante de 21°C lorsque le bâtiment est occupé et 18°C lorsqu'il ne l'est pas. Il s’agit d’une machine opératrice qui demande de l'énergie électrique au niveau du compresseur pour pouvoir fonctionner et fournir du travail moteur. Ce travail peut être calculé selon l'équation $\int$$vdp+Wf$ Avec $Wc$ $J/kg$, le travail moteur du compresseur par unité de masse, vdp $J/Kg$ le volume spécifique du gaz compressé, dans notre cas de l’air, multiplié par la variation de pression de ce gaz et enfin $Wf$ $J/kg$ le travail massique causé par les forces de frottement à l’intérieur du compresseur. En ce qui concerne la puissance du compresseur, celle-ci pourra nous indiquer l’énergie que l’on va devoir fournir pour faire fonctionner la pompe au cours de l’année. Elle s’exprime selon l’équation suivante : $Pmc = \overset{\cdot}{m}*Wmc$ avec $Pmc$ $W$ la puissance motrice du compresseur, $\overset{\cdot}{m}$ $kg/s$ , le débit massique de l’air sortant de la pompe à chaleur et $Wmc$ $J/kg$ le travail moteur massique du compresseur. Avec cette puissance, l'on sera en mesure de déterminer les besoins totaux en électricité et donc de dimensionner le système de production d’électricité idéal au bâtiment couplé à un système de stockage adéquat. Enfin, l’on s’intéressera aux moyens de production du biogaz ainsi qu’à la quantité nécessaire au bon fonctionnement de la chaudière.

3) Résultats

Afin de répondre aux besoins en chaleur et en électricité du bâtiment, nous allons présenter plusieurs solutions pouvant répondre à nos résultats préliminaires. Nos premiers calculs donnent des valeurs de déperditions calorifiques de 143,7 $MWh$ sur une année type, dont 94% sont perdus au travers des surfaces vitrées (voir image annexes 3). Ces résultats ont été trouvés sur base des données d'ensoleillement et de température de l'année 2018, et comprennent donc l'apport de chaleur des équipements, de l'éclairage et du soleil au travers des vitres. Cette première approximation des besoins en chauffage est cependant quelque peu sur-estimée: en effet, nous avons reçu comme instructions de considérer un unique coefficient de transmission égal à celui d'un châssis de mur-rideau pour toutes les surfaces vitrées, qui est plus élevé que les coefficients réels (1,5 $W/m^2K$ considéré ici et 1,1 $W/m^2K$ pour une fenêtre normale). Nous avons aussi pu regarder l'efficacité du heating setback, qui est le système d'abaissement de la température minimale en dehors des heures d'occupation du bâtiment. Sur une année complète, ce système permet de réaliser 49,2 $MWh$ d'économie, soit presque 26%.

A) Chaudière à biogaz

Une chaudière à biogaz est une chaudière dont le combustible est un gaz principalement composé de méthane, le biogaz. Ce dernier résulte d’un processus de méthanisation, correspondant à la fermentation de matières organiques en absence d’oxygène, qui produit un mélange de méthane, de dioxyde de carbone et de vapeur d’eau ainsi que d’autres composés en fonction des réactifs concernés et de l’avancement de la réaction. Ces réactifs sont le plus couramment des déchets organiques provenant de restes de cultures agricoles, de décharges ou de boues de stations d’épuration.

A l’issu du processus de méthanisation, le biogaz contient environ 50% de méthane (Engie, 2018), le reste étant du dioxyde de carbone et des impuretés, alors que le gaz naturel, qui est le gaz majoritairement consommé par les chaudières, est généralement composé d’environ 95% de méthane (énergie, s.d.). Cependant, une fois épuré, le biogaz présente une concentration égale à celle du gaz naturel : l’on parle de biométhane. C’est ce biométhane qui est en réalité utilisé comme combustible dans les chaudières à biogaz. Il convient de comparer le gaz naturel et le biogaz sous différents aspects pour identifier les avantages du biogaz. Premièrement, une chaudière à condensation peut fonctionner aussi bien au gaz naturel qu'au biogaz. La combustion du gaz se fait au niveau du brûleur, qui dégage des fumées. En se condensant sur les conduites au niveau de la partie “froide” du circuit de chauffage, ces fumées chauffent l’eau pour être ensuite évacuées. L’eau ainsi chauffée peut servir au chauffage d’un bâtiment mais peut aussi être utilisée comme eau chaude sanitaire, là où une pompe à chaleur parvient rarement à fournir de l’eau assez chaude pour servir comme eau sanitaire. Une illustration de ce type de chaudière est disponible en annexe 1.

Deuxièmement, le gaz naturel et le biogaz diffèrent par les effets sur la concentration atmosphérique en dioxyde de carbone de leur combustion respective. Effectivement, le gaz naturel est un combustible fossile, c’est-à-dire qu’il provient de la méthanisation de matière organique enfouie dans le sol depuis des millions d’années. La combustion d’un tel combustible libère donc dans l’atmosphère du carbone qui était emprisonné dans le sol, ce qui augmente la concentration totale en dioxyde de carbone de l’air. Le biogaz quant à lui est issu de la dégradation de déchets en quelques jours seulement, déchets dont le carbone provient de l’atmosphère. Brûler du biogaz revient donc simplement à remettre dans l’atmosphère du dioxyde de carbone qui y était déjà présent. Le biogaz peut à ce titre être qualifié d’énergie renouvelable.

B) Panneaux solaires photovoltaïques

Le principe des panneaux photovoltaïques est simple. Les photons solaires arrivant à la surface du panneau se déplacent au sein de celui-ci en produisant du courant électrique continu, par la suite transformé en courant alternatif par des onduleurs. C'est ainsi qu’il est possible de connaître la production en utilisant un compteur électrique. Dans notre cas, cette électricité servira ensuite à alimenter le compresseur de la pompe à chaleur afin de fournir à ce dernier le travail moteur dont il a besoin pour fonctionner, mais également à produire de l’électricité directement utilisée pour le fonctionnement du bâtiment. Une photo de ce type de dispositif est présentée en annexe 2. Chaque panneau contient plusieurs cellules de silicium, qui par ses propriétés semi-conductrices, sait capter les photons et les mettre en mouvement pour créer un courant continu. Pour obtenir la production totale de l’ensemble des panneaux, il suffit d’additionner la production de chaque cellule de silicium. L’utilisation de ces panneaux sera optimale si ceux-ci sont inclinés de 35° et orientés en plein Sud pour maximiser l’intensité lumineuse. (Energreen, s.d.) (DualSun, 2020)

Il existe 2 types de cellules photovoltaïques, et n’ayant pas de limite budgétaire, nous avons choisi les cellules de silicium monocristallin offrant un meilleur rendement (16-24%) que les polycristallins (14-18%) (Trust, 2021). La puissance moyenne de panneaux monocristallins est d’environ 150 W/m2(Barbier, 2015). Avec cette information et la superficie du toit de 1392m2, nous pourrons calculer, dans la suite de ce projet, le nombre de panneaux nécessaires afin de répondre aux demandes d’électricité et de chaleur du bâtiment.

Comme moyen de stockage à court terme, il est possible d’accompagner les panneaux d’une batterie. Cette batterie permettra de récupérer le surplus d’énergie produite qui n’a pas été consommée, pour la réutiliser par la suite, par exemple, la nuit. Les batteries lithium-ion nous semblent être une bonne solution car elles sont plus performantes que les autres (rendement charge-décharge supérieur à 90%) et plus écologiques (Trust, 2021).

C) Pompe à chaleur

Une pompe à chaleur est une machine permettant de transférer de l'énergie thermique d'une source froide vers une source chaude. Dans notre cas, elle sera alimentée par de l'électricité, mais il existe des pompes à chaleur alimentées par d'autres formes d'énergie comme les pompes à chaleur à gaz naturel. Il existe également différents types de pompes en fonction du vecteur d'énergie thermique comme les pompes à chaleur air/air. Pour le dimensionnement d'un système de production de chaleur par des pompes à chaleur, il est nécessaire de choisir le type de vecteur thermique le plus adéquat aux conditions de dimensionnement, mais aussi de choisir le fluide frigorigène qui convient le mieux. Un fluide frigorigène est un fluide qui permet la mise en place de cycles frigorifiques. Il absorbe de l'énergie de la source froide à basse température et basse pression et la restitue à la source chaude à température et pression plus élevées, souvent en passant par des changements d'état.

Au niveau de l'efficacité d'une pompe à chaleur, celle-ci peut être déterminée à l'aide de son coefficient de performance COP, qui est égal au rapport de la chaleur produite par le travail moteur fourni par le compresseur. Il faut généralement un COP supérieur à 3 ou 4 pour considérer une pompe à chaleur, un COP inférieur n'étant pas assez rentable énergétiquement parlant. Enfin, il est important de noter que les pompes à chaleur seront alimentées par les panneaux solaires, mais peuvent aussi l'être par une chaudière en cas de co-génération.

4) Discussion

Afin de répondre aux besoins électriques, nous pensons que les panneaux solaires suffiront. Il faudra bien sûr vérifier cette hypothèse dans la suite du projet. Cette solution renouvelable est plus qu’intéressante car il n’y a pas de production de gaz à effet de serre lors de la production d’électricité. De plus, s'ils sont bien exposés, ils constituent une source d’énergie continue même en période de grands froids. En effet, leur rendement dépend de la présence du soleil et non de la quantité de son rayonnement.

En ce qui concerne les solutions pour la production de chaleur, nous en avons évoquées plusieurs. Tout d'abord, la pompe à chaleur. Cette solution est assez basique et en fonction du coefficient de performance de la pompe choisie et des besoins calorifiques du bâtiment, nous pourrons calculer la production de ce type de pompe. Puisant l’air extérieur et utilisant une source renouvelable pour faire fonctionner son compresseur, cette solution nous paraît idéale dans un contexte d’énergie verte. Ensuite, nous avons également cité la chaudière à biogaz. Utilisant notamment le biométhane comme combustible, cette solution servira à réduire les émissions de ce gaz à effet de serre dans l’atmosphère et à valoriser les déchets organiques locaux. De plus, par la cogénération, elle pourrait également servir à la production d’électricité. Ceci pourrait être très utile: en effet, les panneaux photovoltaïques sont reliés en série (« strings ») et la production est donc adaptée si le rendement d’un panneau diminue. Cela veut dire que si un panneau est à l’ombre, les autres panneaux s’adapteront à ce dernier, diminuant ainsi l’entièreté de la production. Il sera donc intéressant dans ce cas-là d’avoir un autre système capable de produire de l’électricité.

5) Annexes

Image annexe 1: Fonctionnement d'une chaudière à gaz

Image annexes 2 : Fonctionnement des panneaux photovoltaïques (Trust, 2021)

Image annexes 3 : Graphique circulaire des déperditions caloriques