Étude d'une communauté solaire avec stockage thermique saisonnier par puits géothermiques

Les performances énergétiques d'une communauté solaire située à Calgary (Canada) et comprenant un réseau de chauffage urbain à un seul tuyau alimentant 52 maisons sont évaluées. Contrairement à un réseau classique à deux tuyaux, un réseau à un seul tuyau implique que l'alimentation et le retour se font dans le même tuyau. Ainsi, la température diminue le long du réseau. La communauté comprend un stockage saisonnier de chaleur (BTES) constitué de 144 puits à double tube en U à deux circuits indépendants. Le premier circuit se consacre à la recharge solaire, tandis que le second assure la décharge et est relié au réseau urbain. La communauté est modélisée dans l'environnement de simulation TRNSYS. La communauté solaire Drake Landing (DLSC) située à proximité de Calgary et dont la construction s'est achevée en 2007 joue le rôle de référence dans cette étude. Une comparaison des performances énergétiques de la communauté proposée (appelée CS1T) avec celles de DLSC montre que la fraction solaire, i.e. la part de l'énergie solaire dans l'énergie totale fournie aux maisons, de DLSC est toujours supérieure à celle de CS1T. L'écart est très marqué la première année avec une fraction solaire de seulement 26 % pour CS1T contre 66 % pour DLSC. Après 5 ans d'opération, la fraction solaire de CS1T est de 85 % contre 89 % pour DLSC. Le réseau urbain à un seul tuyau a permis de réduire la longueur de distribution primaire. Les pertes de chaleur du réseau sont ainsi moins élevées qu'à DLSC (178 GJ à l'année 5 contre 250 GJ pour DLSC). Le niveau de température dans le réseau urbain de CS1T a dû être rehaussé à cause de la chute de température le long du réseau. L'absence de stockage à court terme par réservoirs d'eau entraine une faible fraction solaire la première année pour CS1T. En effet, le niveau de température du BTES n'est pas suffisamment élevé pour fournir de l'énergie au réseau urbain. La mise en place de puits géothermiques à double tube en U pour CS1T a permis d'obtenir une meilleure efficacité du BTES : elle varie de 13 % à 62 % les cinq premières années contre une variation de 9 % à 41 % pour DLSC. Finalement, une analyse des coûts montre qu'une économie d'environ 1 M$\$$ pourrait être réalisée en adoptant la configuration CS1T plutôt que la configuration DLSC, pour un coût total du projet DLSC estimé à 3.4 M$\$$.

Abstract

The energy performance of a solar community located in Calgary (Canada) which uses a one pipe district heating loop to supply 52 houses is evaluated. Compared to a classic double pipe heating loop, a one pipe system implies that the supply and return are done from the same pipe. Therefore, temperature drops along the pipe. The community uses a seasonal borehole thermal energy storage (BTES) made of 144 double U-tube boreholes with two independent loops. The first is the solar loop for charging the BTES and the second extracts heat to supply the district loop. The community is modeled in the TRNSYS simulation environment. The Drake Landing Solar Community (DLSC) located near Calgary (Canada), whose construction was completed in 2007 is used as the reference case. An energy performance comparison between the proposed community (named CS1T) and the DLSC shows that the solar fraction of the DLSC, which is the ratio of the supplied solar energy to the total energy requirement of the houses, is always greater than the solar fraction of the CS1T. The difference is relatively large during the first year of operation with a solar fraction of only 26 % for the CS1T, compared to 66 % for the DLSC. After 5 years of operation, the solar fraction of the CS1T increases to 85 % compared to 89 % for the DLSC. The one pipe system reduces the heat losses thanks to the reduction of the distribution loop's length; during the 5th year of operation, theses losses amount to 178 GJ and 250 GJ for the CS1T and DLSC, respectively. Also, the temperature level in the district loop of CS1T needed to be increased because of the temperature drop along the one pipe loop. The lack of a short term water tank thermal storage leads to a small solar fraction during the first year of the CS1T because the temperature level in the BTES is not high enough to provide heat to the district loop. The use of double U-tube boreholes for the CS1T increases the efficiency of the BTES to a range between 13 % and 62 % during the first 5 years of operation, compared to a range between 9 % and 41 % for DLSC. Finally, a cost analysis shows that 1 M$\$$ could be saved by selecting the CS1T configuration over the DLSC for a total estimated project cost of 3.4 M$\$$.