Chauffage de bâtiments résidentiels

Précision de mesure des débitmètres Les débitmètres choisis pour la plate-forme expérimentale sont des débitmètres électromagnétiques de marque ABB. Ceux-ci sont associés à des transmetteurs de courant en 4 – 20 mA. On dispose de 4 débitmètres sur la plate-forme, un pour chacun des 2 circuits des échangeurs horizontaux et un pour chacun des 2 circuits des sondes géothermiques verticales. Les débitmètres ont des réglages diérents pour ces applications. Pour les échangeurs horizontaux, ceux-ci sont réglés pour une gamme de débit de 0 à 2 m3/h tandis que pour les sondes verticales la gamme de mesure s’étend jusqu’à 4 m3/h, les pertes de charge dans ces échangeurs étant plus faibles.

Calcul de l’incertitude théorique de la mesure

La chaîne de mesure est ici exactement la même que celle des sondes de température Pt100 (cf Figure 3.21). Le débitmètre et le convertisseur de courant ont chacun une erreur de 0.5 % de la valeur mesurée d’après la documentation technique du débitmètre [35]. Un calcul d’incertitude similaire à celui eectué pour les sondes Pt100 nous donne alors une valeur d’incertitude maximale de ±0.024 m3/h pour les échangeurs horizontaux et de ±0.049 m3/h pour les échangeurs verticaux. 

Estimation de l’incertitude de mesure

L’incertitude sur la mesure est évaluée expérimentalement en faisant varier la puissance de la pompe de circulation Ppompe de 10 à 100 % de sa puissance maximale Pmax et en notant pour chaque point de fonctionnement le débit aché sur l’écran du débitmètre et celui donné sur l’interface graphique de l’automate programmable. Les valeurs ainsi mesurées pour le circuit de l’échangeur horizontal côté pelouse et les sondes verticales de 50 m sont données dans le tableau 3.4. L’écart entre les deux valeurs mesurées est toujours inférieur à 0.03 m3/h sauf pour le point où la pompe de l’échangeur horizontal fonctionne à puissance maximale où celui-ci atteint 0.07 m3/h. Ne disposant pas d’un débitmètre étalon, on ne peut améliorer la calibration de ces mesures de débit. Cependant cet écart minime entre ces mesures eectuées au travers de chaînes de mesure indépendantes nous indique qu’on peut considérer que l’erreur maximale sur la mesure sera de l’ordre de ±0.1 m3/h, ce qui est tout à fait acceptable pour nos mesures. Cet écart est légèrement supérieur à l’incertitude théorique de la mesure calculée précédemment. Cela est probablement du aux erreurs de lecture de l’opérateur sur l’écran d’achage du débitmètre. Table 3.4  Mesures de débit achées sur l’écran du débitmètre et données par l’automate pour un circuit d’échangeur horizontal et un circuit d’échangeur vertical 

Etalonnage de la sonde d’humidité

La sonde capacitive d’humidité permet sans calibration d’obtenir une bonne estimation de l’évolution relative de la teneur en eau du sol. En revanche, pour obtenir des valeurs exactes d’humidité, il est nécessaire d’étalonner cette sonde sur le type de sol rencontré. On a ainsi mis en oeuvre une procédure de calibration dans le terrain de la plate-forme. La sonde eectue une mesure moyenne sur un volume de sol cylindrique de hauteur 10 cm et de diamètre 25 cm. On prélève par conséquent une quantité de sol susante (cf Figure 3.27) pour eectuer des mesures avec la sonde positionnée au coeur du volume. Les trente premiers centimètres du terrain étant constitués d’un sol de type humus, le sol est prélevé en dessous de cette profondeur où on trouve alors le sol entourant les échangeurs géothermiques qui est un sable rouge de sologne homogénéisé. La diérence de couleur entre ces deux types de sol est bien visible à 30 cm de profondeur sur la photo de la Figure 3.27. Figure 3.27  Prélèvement d’un échantillon de sol sur le terrain des échangeurs géothermiques horizontaux

Procédure de calibration

Le sol prélevé sur le site de la plate-forme a dans un premier temps été réparti sur des étagères tel que le montre la photo de gauche de la Figure 3.29 et ensuite mis à à l’étuve à 105C pendant 24 heures. La teneur en eau W est ici dénie comme étant le rapport de la masse d’eau sur la masse de sol sec. On considère après passage dans l’étuve que la teneur en eau du sol est nulle. On ajoute alors une masse d’eau calculée an d’obtenir une teneur en eau de 2 % puis, 4, 6, 8, 10 et 12 %. Après chaque ajout d’eau, le sol est homégénéisé à la bétonnière, puis disposé dans une bassine d’un diamètre d’environ 30 cm dans laquelle est positionné le tube de mesure de la sonde. Le sol est tassé à la masse autour de la sonde an d’avoir un degré de compactage équivalent à celui du terrain de la plate-forme. La sonde d’humidité est alors insérée dans son tube de mesure, au milieu du volume de sol et la fréquence mesurée par la sonde est relevée comme le montre la seconde photo de la Figure 3.29. Lors de chaque mesure avec la sonde, un échantillon de sol est extrait an d’en mesurer la teneur en eau. Les échantillons ainsi prélevés sont présentés en Figure 3.28. Figure 3.28  Echantillons de sol prélevés lors des mesures à des teneurs en eau de 2, 4, 6, 8, 10 et 12 % Figure 3.29  Mise en place du sol sur les étagères de l’étuve et mesure de fréquence sur l’échantillon de sol On obtient ainsi des mesures de fréquence par la sonde d’humidité et l’humidité de référence correspondante mesurée par double pesée (lors de la mesure, puis une fois l’échantillon séché à l’étuve). Ces valeurs mesurées sont récapitulées en Table 3.5. Fréquence mesurée fsol [Hz] Teneur massique en eau obtenue par double pesée W [en %] 143300 1.76 140830 3.75 136970 5.55 132905 7.15 129760 9.10 129670 10.20 Table 3.5  Points de mesure pour la calibration de la sonde d’humidité 3.3.3.2 Obtention de la courbe d’étalonnage Le manuel d’utilisation de la sonde Diviner [62] propose une relation liant la fréquence mesurée dans le sol à la teneur en eau W sous la forme adimensionnée suivante : Fad = fair − fsol fair − feau = A · WB (3.19) fair est la fréquence mesurée lorsque le tube de mesure de la sonde est dans l’air et feau est la fréquence mesurée lorsque le tube de mesure est noyé dans un bain d’eau. A et B sont les 2 coecients à déterminer lors de la calibration.

CALIBRATION DES MATÉRIELS DE MESURE

Les 2 coecients A et B sont alors calculés de manière à minimiser l’écart par méthode des moindres carrés entre la courbe d’étalonnage et les 6 points de mesure relevés expérimentalement (cf Table 3.5). On obtient alors : A = 0.408 et B = 0.299. La courbe d’étalonnage permettant d’obtenir la teneur en eau sur le sol de notre terrain d’essais à partir de la fréquence mesurée par la sonde d’humidité est tracée sur le graphe de la Figure 3.30. Les 6 points expérimentaux sont également représentés sur ce graphe et cela permet de mesurer l’écart maximal sur la teneur en eau entre les points de mesure et la courbe d’étalonnage. Cet écart est ici au maximum de ±10 %. Cette incertitude relativement importante sur la mesure est due en particulier aux erreurs de lecture de la fréquence sur l’appareil de mesure. Figure 3.30  Courbe d’étalonnage de la sonde d’humidité pour le sol des échangeurs géothermiques horizontaux de la plate-forme d’essais Conclusion La plate-forme expérimentale Géothermie du BRGM a été présentée dans ce chapitre. Les diérents matériels de mesure (Température du uide et du sol, débit, humidité du sol) ont été étalonnés et calibrés lorsque cela s’est avéré nécessaire. An de vérier le bon fonctionnement de la régulation de la plate-forme, un essai préliminaire de type test de réponse thermique a également été eectué sur quatre boucles d’échangeur horizontal. Cet essai a également permis de valider les mesures de température par bre optique dans un sol sollicité thermiquement. Plus de détails sur cet essai sont donnés dans l’article publié à l’occasion du Congrès mondial sur la Géothermie de 2010 [49]. La plate-forme est alors opérationnelle pour le test de modèles d’échangeurs géothermiques verticaux ou horizontaux. Cette plate-forme va ainsi nous permettre de valider le modèle d’échangeur horizontal proposé dans le précédent chapitre.