Principes de modélisation du système
multifonction multi-source

Les premières étapes de ce travail ont consistées à étudier des systèmes solaires et leur développement au cours de temps. Cette bibliographie nous aide à mieux comprendre la tendance générale de cette évolution ainsi que les problématiques auxquelles il faudra probablement faire face à l’avenir. Parallèlement à cette étude bibliographique, nous nous sommes penché également sur la prise en main d’un outil de simulation modulaire qui va nous permettre d’utiliser des modèles de composants déjà validés de type boîte noire ou boîte grise. Le modèle de simulation d’un système solaire multifonction (SYSMFS) sera mis en place en se basant sur un schéma hydraulique proposé ; ce modèle est le premier sujet d’intérêt de cette thèse. Suivant ce but, nous avons donc étudié les modèles des composants essentiels nécessaires pour ce genre de systèmes et qui sont fourni avec l’outil de simulation choisi. Cependant, le composant clé de ce modèle, la machine frigorifique à absorption, a été développé au cours d’un projet ANR dans lequel une partie de ce travail s’est inscrit. Dans ce chapitre, les éléments essentiels du modèle du SYSMFS sont présentés avec une partie théorique décrivant leurs modèles, la méthode de la modélisation de SYSMFS et la méthode d’estimation de la consommation électrique des composants du modèle. La méthode d’estimation de la consommation du système de référence sans recours à l’énergie solaire renouvelable est également présentée. En l’absence des données physiques, ce système servira à la validation du modèle numérique, au moins, d’un point de vue conceptuel.

Installations solaires multifonction multi-source

Nous illustrons, tout d’abord, les composants d’une installation solaire générique ; puis, nous présentons trois schémas pour un système solaire multifonction.

Composants principaux d’une installation solaire générique

D’une manière générale, un système composé (installation solaire dans notre cas) est constitué de plusieurs sous-systèmes, qui sont, eux-mêmes, constitués de composants plus basiques. Alors que les fonctions assignées à ces composants restent les mêmes au sein du système, leurs dimensions (géométrie, paramètres, etc.) peuvent changer suivant le schéma hydraulique de l’installation, l’emplacement de composant dans le schéma et l’estimation de la puissance demandée à chaque composant. Les installations solaires multifonction multi-source destinées à la préparation de l’ECS, au chauffage, et au rafraîchissement sont composées généralement des éléments suivants (les éléments entre parenthèses sont en option) : 1. panneaux solaires plans, sous vide ou paraboliques ; 2. circuit solaire primaire ; 3. échangeur de chaleur (s’il s’agit d’un échangeur séparé et un circuit solaire secondaire) ; 4. ballon de stockage thermique (stockage du liquide froid ou chaud selon l’emplacement du ballon) ; 5. (échangeur à plaque pour produire de l’ECS instantanément) ; 6. (échangeur et ballon de stockage thermique pour l’ECS) ; 7. (source d’appoint) ; 8. une machine frigorifique à absorption ; 9. (système d’évacuation pour la machine frigorifique à absorption si elle ne contient pas un dissipateur dédié à cet effet) ; 10. système de distribution de la chaleur dans les locaux desservis ; 11. système de contrôle commande. La Figure 2.1 donne une idée de l’acheminement de l’énergie dans un système générique de type SYSMFS. Dans la même figure, les numéros des blocs correspondent à celle des articles dans la liste précédente. Les éléments qui figurent en ligne pointillée sont des éléments en option qui peuvent remplacer d’autres éléments dans une autre conception par exemple.La façon dont les liaisons entre les blocs sont montrées dans la Figure 2.1 n’est pas exhaustive ; il existe beaucoup d’autres possibilités qui varient selon les composants présents dans le schéma et selon leurs rôles respectifs dans le système. La diversité des possibilités dont ces composants se regroupent et se complètent entre eux n’est pas un choix unique ; elle explique encore la diversification des solutions proposées pour les SSC les ancêtres des SYSMFS. Ce fait a été déjà relevé lors des travaux menés par l’agence internationale de l’énergie AIE lors de sa tâche 26 (voir 0). Prenant ce fait en considération, nous avons donc adopté une technique de travail bien particulière [46]. Cette technique nous aide à profiter au maximum de ce que l’outil de simulation peut nous offrir, tout en minimisant au mieux les erreurs accumulées ainsi que les contraintes imposées par l’outil de simulation choisi.

Schémas types 

Nous avons vu dans le chapitre précédent que les systèmes solaires combinés (SSC), les ancêtres des SYSMFS, ont connu des structures de plus en plus complexes par rapport aux systèmes qui les ont précédé. La complexité supplémentaire est liée aux nouveaux composants (soussystèmes) qui s’accumulent afin de répondre aux nouvelles fonctionnalités recherchées par le consommateur ou le fabricant. La situation s’empire si on sait que le système doit impérativement incorporer au moins deux sources d’énergie : une renouvelable (gratuite et nongarantie) et une source auxiliaire payante (gaz, bois, etc.). Le fait d’être multi-source conduit à une diversité non-négligeable de possibilités à disposition du concepteur d’un tel système pour gérer ces sources d’énergies. En 2007, l’année où cette thèse a été amorcée, les schémas hydrauliques qui pouvaient décrire un système solaire multifonction multi-source étaient rares. Les schémas disponibles étaient en majorité des résultats des efforts des fabricants des machines frigorifiques à absorption ; ces schémas de base, qu’ils proposaient à leur clientèle, correspondaient à la puissance et à la spécificité de la machine. Le projet ANR ABCLIM-SOL, dans lequel cette thèse s’est inscrite, nous a donné accès aux schémas développés par le fabricant espagnol qui a fourni au projet une machine frigorifique à absorption d’une puissance frigorifique nominale de 4.5kW. Nous illustrons ci-dessous trois schémas différents proposés dans le manuel de cette machine Dans la Figure 2.2, les circuits d’usage sont reliés entre eux en série. Le ballon tampon solaire se recharge d’une part grâce à l’échangeur intégré et d’une autre part grâce à la chaudière qui est installée à son entrée. Le circuit de chauffage par plancher chauffant, celui de rafraîchissement par absorption et celui d’ECS sont reliés en série avec des vannes trois voies qui les alimentent par le fluide caloporteur chaud ou qui fait passer ce fluide directement au circuit suivant « bypass ». L’idée de relier les trois circuits en série dans le schéma précédent donne une certaine flexibilité pour la gestion de la priorité de la distribution de l’énergie dans le système suivant les ratios des vannes 3 voies ; cette solution a cependant quelques inconvénients. La chute de température après chaque passage dans un circuit varie selon le rendement de ce dernier ; c.-à-d. que la température qui arrive à l’échangeur du ballon d’ECS varie entre 30°C et 35°C (température requise pour le plancher chauffant) en hiver et entre 55°C et 95°C en été (température requise pour la machine à absorption) pour un fonctionnement parallèle de climatisation et d’ECS. De plus, la priorité du circuit d’ECS est fortement diminuée car il se trouve à la fin de la chaîne de distribution. Le bilan énergétique doit être calculé en permanence par le système de contrôlecommande afin de préserver le rendement total du système. Figure 2.3 : Schéma n°2 du fabricant de la machine frigorifique à absorption de 4.5kW Le schéma proposé dans la Figure 2.3 reprend la configuration du schéma précédent avec un échangeur à plaque pour le chauffage d’ECS alimenté directement du ballon tampon ; cette configuration rapporte des améliorations au niveau de la préparation d’ECS, ce qui garantit, par rapport au schéma précédent, la priorité de l’ECS. Le plancher chauffant a été remplacé également par un ventilo-convecteur ce qui fait que le régime des températures de fonctionnement change en conséquence. La présence du ventiloconvecteur dans le système de diffusion de chaleur dans les locaux signifie une alimentation en température de fonctionnement plus élevée en hiver ; la gamme des températures conseillées pour un ventilo-convecteur en mode chauffage varie entre 60°C et 70°C. Il se peut que le panneau solaire ne soit pas en mesure de générer de telles températures dans certaines régions géographiques (Nord de la France par exemple) et le système va faire appel forcement à la source d’appoint, donc une énergie payante. La source d’appoint est intégrée, quant à elle, au ballon principal sous la forme d’une résistance électrique ou un échangeur à fluide relié à une chaudière externe. La Figure 2.4 représente le troisième schéma dans la série des schémas proposés par le fabricant de la machine à absorption. Par rapport au schéma précédent, ce schéma place l’échangeur à plaque pour l’ECS directement dans le circuit solaire primaire ; ce qui permet de profiter de la chaleur du fluide chaud en provenance du panneau solaire. Le circuit d’ECS ne comporte pas de ballon de stockage dédié et la production de l’ECS se fait donc d’une manière instantanée. L’appoint pour le circuit ECS est également absent dans cette configuration, ce qui nous laisse penser au choix d’un appoint électrique instantané. Grâce à une vanne trois voies située à la sortie du panneau, l’énergie solaire est acheminée soit vers un échangeur pour l’ECS, soit vers le circuit du système de climatisation (chauffage et Panneau solaire Ballon tampon Machine frigorifique à absorption Tour de refroidissement refroidissement). Cette dernière solution peut apparaitre conventionnelle mais elle permet plus de contrôle sur le système en fonction de la quantité de l’énergie solaire disponible et de la demande.

Schéma initial retenu pour la modélisation du SYSMFS 

Avec les schémas présentés précédemment (Figures .2, .3 et 2.4), notre choix doit maintenant se porter sur une de ces solutions ou sur une version modifiée. D’ailleurs, nous pouvons nous appuyer sur l’analogie entre les SSC et les SYSMFS afin de remplir le manque d’informations dans la littérature en ce qui concerne le dimensionnement de leurs composants et sur la structure du système de contrôle-commande. L’étude pilote menée par la tâche 26 de l’AIE se présente comme ayant une vue globale sur les SSC. À ce titre, nous empruntons quelques connaissances acquises lors de cette tâche comme : des schémas technologiques, le dimensionnement et les conseils pratiques concernant certaines hypothèses. Ces éléments s’avèreront indispensables en vue d’élaborer le modèle SYSMFS. Le schéma présenté dans la Figure 2.5 est élaboré à partir des connaissances acquises sur les schémas proposés par les fabricants des machines frigorifiques à absorption de petites puissances et ceux étudiés par la tâche 26 de l’AIE. Ce schéma sera celui que nous avons retenu pour la partie simulation dans la suite de ce travail. Il n’est pas encore finalisé car nous allons le modifier en fonction des résultats de la simulation qui seront présentés dans le chapitre Chapitre 3. Une reprise de ce schéma avec un plancher chauffant à la place du ventilo-convecteur est également possible. Nous nous sommes d’ailleurs penché sur ce point ; mais la complexité pour mettre en place un modèle stable de plancher chauffant a largement retardé sa mise en œuvre par rapport à la partie optimisation. Toutefois, l’objectif de cette étude ne se résume pas à la modélisation du SYSMFS ; ce modèle sera développé en vue d’être utilisé plus tard pour les tests des algorithmes d’optimisation.