24Nov

Patricia Carbajo Jimenez soutiendra sa thèse le 20 décembre 2018, intitulée « Méthodologie d’optimisation d’un nouveau concept de système solaire thermique hybride eau-air ».  Elle aura lieu le jeudi 20 décembre à 10h dans la salle Formation du bâtiment Hélios (RdC).

 

Le jury sera composé de :

–          Patrice JOUBERT (Professeur, Université de La Rochelle, Rapporteur),

–          Laurent ZALEWSKI (Professeur, Université d’Artois, Rapporteur),

–          Joseph VIRGONE (Professeur, INSA Lyon, Examinateur),

–          Kátia CORDEIRO MENDONÇA (Enseignant-Chercheur, CESI, Examinateur),

–          Antoine LECONTE (Ingénieur de recherche, CEA, Examinateur),

–          Gilles FRAISSE (Professeur, Université Savoie Mont Blanc, Directeur de thèse),

–          Etienne WURTZ (Directeur de recherche, CEA, Co-directeur de thèse).

 

Résumé de thèse


En réponse à l’évolution de la réglementation thermique, les bâtiments tendent à être mieux isolés et plus étanches, diminuant leurs besoins de chauffage. La ventilation, nécessaire pour garantir la qualité de l’air intérieur, représente ainsi une perte énergétique non négligeable. En outre, les besoins d’eau chaude sanitaire (ECS) deviennent prépondérants par rapport à ceux de chauffage. Dans ce contexte, les systèmes solaires thermiques peuvent fournir une part importante des besoins de chaleur du bâtiment. Ce travail étudie ainsi un chauffe-eau solaire pour la production d’ECS et le préchauffage d’air de ventilation. Ce fonctionnement hybride innovant permet aux systèmes solaires thermiques de s’adapter à la nouvelle répartition de la demande énergétique du bâtiment performant.

 

L’objectif de la thèse est de développer une méthodologie permettant d’optimiser la gestion de la chaleur solaire, distribuée entre les vecteurs énergétiques eau et air, ceci dans le but de maximiser le potentiel de l’énergie solaire récupérée et, par conséquent, de diminuer le recours à d’autres sources d’énergie dans le bâtiment. Dans un premier temps, le concept du système solaire hybride étudié a été validé et ses limites identifiées expérimentalement  sur une maison test. Un modèle numérique du système a ensuite été implémenté sous l’environnement Dymola à l’aide du langage Modelica et confronté aux données expérimentales. L’interaction du système avec le bâtiment nécessite le couplage entre le modèle du système et le modèle d’un bâtiment sous EnergyPlus à l’aide d’une co-simulation. Les simulations numériques permettent ainsi d’analyser le comportement du système solaire hybride et de trouver un mécanisme de distribution de la chaleur solaire adapté aux bâtiments performants. Dans le but final de minimiser la consommation énergétique, les variables les plus influentes sur les performances du système hybride ont été identifiées à l’aide d’une analyse de sensibilité, les variables de décision retenues participant à une optimisation multicritère coût – consommation d’énergie. Ce travail propose ainsi une méthodologie pour la gestion optimisée de la chaleur récupérée par un système solaire hybride eau-air. L’intégration d’indicateurs de qualité de l’air intérieur et de confort thermique dans de travaux futurs pourraient compléter cette méthodologie.

 

PhD thesis abstract


As a result of the evolution of the thermal regulation, buildings are better isolated and more airtight, thus reducing their heating needs. Air renewal, necessary to guarantee the indoor air quality, represents a significant thermal loss. Moreover, domestic hot water (DHW) needs become more important than those for space heating. In this context, solar thermal systems are appropriate for supplying an important part of the building heat needs. Therefore, this work studies a solar water heater for DHW production and pre-heating the ventilation air. By this innovative hybrid operation, solar thermal systems can adapt to the new distribution of needs in low-energy buildings.

 

The objective of this work is to develop a methodology for optimizing the use of the solar heat, distributed between the water and air energy carriers, maximizing the collected solar energy potential and thus, reducing the use of other energy sources. Firstly, the concept of the hybrid solar system is validated and its limits identified with experiments in a test house. A numerical model of the system is then developed by using the Modelica language in Dymola and compared with the experimental data. As the system interacts with the building environment, the system model is coupled to a building model developed in EnergyPlus by using a co-simulation. The energetic behavior of the hybrid system is analyzed and an appropriate distribution of the solar heat in low-energy buildings is defined with numerical simulations. In order to minimize the total energy consumption, the most influential variables on the system performances are identified by using a sensitivity analysis. The most important decision variables are then involved in a multi-objective optimization regarding costs and energy consumption. Indeed, this work suggests a procedure for optimizing the use of the heat recovered with a hybrid water-air solar thermal system. Future works should include the indoor air quality as well as the thermal comfort approaches for completing the study.