Modélisation dynamique d’un dispositif de stockage par chaleur sensible intégré à un système énergétique

• Main Author: Terzibachian, Elie
• Other Authors: Paris, CNAM
• Language: fr
• Published: 2017
• Subjects: Stockage Thermique; Chaleur Sensible; Modélisation dynamique; Matlab; Modelica; Thermal energy storage; Sensible heat storage; Dynamic modeling; 621.402 8; 518.011 3
• Online Access: http://www.theses.fr/2017CNAM1129

Dans les années récentes, des politiques visant à promouvoir l’efficacité énergétique ont été instaurées en réponse aux obligations réglementaires européennes et internationales. Le stockage d’énergie thermique s’est révélé être une technologie qui permet une amélioration de l’efficacité énergétique, en particulier celle des installations techniques pour le conditionnement d’air, le chauffage et l’eau chaude sanitaire pour le bâtiment. Parmi les différents types existants, le stockage thermique par chaleur sensible est le plus ancien et le plus répandu sur le marché. Or, l’intégration du ballon de stockage dans les installations énergétiques s’avère délicate tant dans la phase de conception que de l’exploitation de ces installations. Par ailleurs, il convient d’évaluer – pour les systèmes et équipements techniques du bâtiment – leurs consommations énergétiques annuelles (ou saisonnières). Pour répondre à l’ensemble de ces exigences, le recours à la modélisation et simulation dynamique des composants et systèmes énergétiques devient indispensable. Le travail de la présente thèse présente une approche de modélisation et de simulation dynamique d’un ballon de stockage d’eau par chaleur sensible qui répond aux contraintes particulières suivantes : assurer une modélisation fine à partir de la résolution des équations de Navier-Stokes d’un composant – le ballon de stockage – dans lesquels les mécanismes de transfert et d’écoulement sont complexes et réaliser une modélisation dynamique d’un système thermique associant des divers composants techniques d’un circuit et ceci avec des temps de calcul raisonnables, compatibles avec les pratiques courantes des bureaux d’étude spécialisés en conception d’installations . Le travail réalisé associe donc une analyse fine du comportement dynamique du ballon grâce au développement d’un modèle CFD, la détermination d’un modèle réduit à partir de ce modèle – qui permet la construction d’un champ dynamique de température – et enfin une modélisation sous Modelica adaptée à la simulation d’un système énergétique complexe. Dans les différentes phases de cette étude, les résultats issus de la simulation sont alors confrontés aux résultats déduits de divers travaux expérimentaux. La validation de la démarche suite à cette confrontation calculs/expériences permet d’envisager l’application des outils présentés à des projets techniques notamment au projet « PV cooling » de climatisation des bâtiments avec une ressource solaire photovoltaïque, projet réalisé en parallèle de ce projet de thèse et porté par les acteurs industriels qui soutiennent cette recherche. === In recent years, policies to promote energy efficiency have been introduced in response to European and International regulatory obligations. Thermal Energy Storage has proven to be a technology that improves energy efficiency, particularly for the air conditioning, heating and domestic hot water utilities in buildings. Among the existing types, sensible heat storage is the oldest and most widespread on the market. The integration of the storage tank into energy installations may be tricky in both the design and operation phases of these installations. Moreover, the annual (or seasonal) energy consumption of the building's technical systems and equipment should be evaluated. To meet all these requirements, dynamic modeling and simulation of energy components and systems becomes essential. The work of this thesis presents a dynamic modeling and simulation approach of a sensible heat water storage tank which respond to the following particular constraints: To ensure a fine modeling based on the resolution of the Navier-Stokes equations of a component – the storage tank – in which the flow and transfer mechanisms are complex, and to carry out a dynamic modeling and simulation, with reasonable computational time, of a thermal energy system associating various technical components of a circuit and compatible with the usual practices of the specialized system design offices. Thus, the carried out work combines a detailed analysis of the dynamic behavior of the storage tank through the development of a CFD model, the development of a reduced model from the previous CFD model that allows the construction of temperature dynamic fields and finally a Modelica modeling adapted to the simulation of a complex energy system. In the different phases of this study, the results from the simulation are compared to the results deduced from various experimental works. The validation of the approach following this comparison between calculations and experimental results makes it possible to consider the application, of the presented tools, in technical projects and in particular the project “PV cooling” for buildings air conditioning with a photovoltaic solar resource, a project that is carried out in parallel with this thesis by the industrial players supporting this research.