« MICRO 15 kWh » Project MICRO-COGENERATION AND VENTILATION SYSTEM ADAPTED TO VERY LOW ENERGY DWELLINGS
Projet MICRO 15 kWh Système de micro-cogénération et de ventilation adapté aux logements à très faibles besoins énergétiques
Résumé
« MICRO 15 kWh » Project
MICRO-COGENERATION AND VENTILATION SYSTEM ADAPTED TO VERY LOW ENERGY DWELLINGS
The aim of this project is to study a micro-cogeneration system especially adapted to low energy buildings (eg. Passive houses, Minergie or Effinergie) while maintaining the thermal comfort of the occupants and lowering the environmental impacts.
The system under study combines a wood-pellet fueled micro-cogeneration unit with a hot water storage tank and an air heating device with individual room temperature control. The micro-cogeneration unit, supplying heat and power at the same time, is already on the market, whereas the air heating device has been specifically designed for this project.
First, each element of the system has been studied one by one and then modeled. Finally these models have been coupled in order to evaluate the energy performance of the whole system by simulation, and to optimize its design as well as the sizing of each element and the control strategy of the pumps, fans, etc.
The operation of a wood-pellet fueled micro-cogeneration Sunmachine unit has been characterized using a test bench specifically designed for this project. The results of this characterization have been used to develop an empirical model which has been implemented into the building thermal simulation software, COMFIE. After the model was carried out, a parametric study has led to the sizing of the hot water storage tank in order to optimize the combined production of heat and water.
Air heating with individual room temperature control is still not widespread. The prototypes which have been carried out comprise an insulated case with an air recycling fan, two air inlets, three or five hot air outlets (according to the type) and a water-air heat exchanger at the inlet of each ventilation duct. These prototypes have been improved, leading to a system which fulfills the energy requirements as well as the functional and industrial specifications set at the beginning of the project. The final prototype is now under test and the product will soon be marketed.
The system under study needs to maintain the thermal comfort of the occupants. That is why the indoor environment has been specifically studied. The model of the air heating system has been integrated into the TRNSYS software and coupled to a model of thermal behaviour of the human body. This model takes into account the main aspects of thermal control of the human body: On the one hand, the physiological thermal control (perspiring, shivering), which influences the thermal state of the occupant body taking into account its physiological reactions, on the other hand, the behaviour control (changing in the clothing, changing of the heating temperature setpoint), represented by a simplified model. This model simulates the behavioral reaction of an occupant when he is not satisfied with the indoor conditions.
The results show that the micro-cogeneration unit under study has limited performance (HHV thermal efficiency: 50%, HHV net electrical efficiency: 9%). Although it is one of the lowest-powered unit available on the market, this device seems to be more suitable for an apartment building of 4 to 6 dwellings than for a very low energy, single-family dwelling. A demonstration project of this kind of building has been studied. The control of the air heating system which has been designed can maintain a suitable thermal comfort level in winter and intermediate heating seasons. Summer comfort can also be improved by using an earth-to-air heat exchanger or free-cooling. These techniques can be studied using the software tool which has been carried out. The wood-pellet based, micro-cogeneration unit generates electricity during peak power load, subsequently lowering the demand of thermal electric generation and the induced CO2 emission.
Projet « MICRO 15 kWh »
SYSTÈME DE MICRO-COGÉNÉRATION ET DE VENTILATION ADAPTÉ AUX LOGEMENTS À TRÈS FAIBLES BESOINS ÉNERGÉTIQUES
Ce projet a pour objet d’étudier un système de micro-cogénération adapté aux bâtiments à très faibles besoins énergétiques (de type « maisons passives », Minergie ou (Bâtiment Basse Consommation) tout en assurant le confort thermique des occupants et en réduisant les impacts environnementaux.
Le système étudié associe une unité de micro-cogénération à granulés de bois à un ballon de stockage d’eau chaude et à un système de chauffage aéraulique, régulé pièce par pièce. L’unité de micro-cogénération produisant à la fois chaleur et électricité est déjà commercialisée tandis que le système de chauffage aéraulique a été spécifiquement conçu au cours de ce projet.
Chaque composant a d’abord été étudié séparément, puis modélisé, enfin les différents modèles ont été couplés afin d’évaluer par simulation les performances énergétiques de l’ensemble et d’optimiser sa conception, le dimensionnement de chaque élément et les régulations des pompes, ventilateurs etc.
Le fonctionnement d’une unité de micro-cogénération à bois Sunmachine a été caractérisé au moyen d’un banc d’essai conçu spécialement pour ce projet. Les résultats de cette caractérisation ont permis d’alimenter un modèle empirique qui a été développé et implanté dans le logiciel de simulation thermique du bâtiment, COMFIE. Une fois le modèle réalisé, une étude paramétrique a permis de dimensionner le ballon de stockage d’eau chaude de manière à optimiser la production conjointe de chaleur et d’électricité.
Le chauffage aéraulique régulé pièce par pièce est pour l’instant peu développé. Les prototypes réalisés correspondent à un boîtier isolé comportant un ventilateur de recyclage, 2 entrées d’air, 3 ou 5 sorties d’air (selon le modèle) et une batterie d’échange eau/air positionnée à l’entrée de chaque gaine de soufflage. Les prototypes ont été successivement améliorés jusqu’à aboutir à un système répondant à la fois aux exigences énergétiques, mais aussi fonctionnelles et industrielles, du cahier des charges établi au début du projet. Le prototype réalisé est en cours d’essai et sera prochainement commercialisé.
Le système étudié doit aussi assurer le confort thermique des occupants, c’est pourquoi la qualité des ambiances a été spécialement étudiée. Le modèle du système de chauffage aéraulique a été intégré au simulateur TRNSYS et couplé à un modèle représentant le comportement thermique des occupants. Ce modèle prend en compte les deux aspects de la thermorégulation humaine : d’une part la régulation physiologique (sudation, frisson), qui permet de connaître l’état thermique du corps humain en tenant compte de ses réactions physiologiques, et d’autre part, la régulation comportementale (modification de la tenue vestimentaire, modification de la température de chauffage), à travers un modèle de représentation simple. Ce modèle permet de mettre en évidence la réaction comportementale que l’occupant peut avoir lorsqu’il n’est pas satisfait des conditions de l’ambiance dans le lieu où il se trouve.
Les résultats obtenus montrent que l’unité de micro-cogénération étudiée présente des performances limitées (rendement thermique sur PCS : 50 %, rendement électrique net sur PCS : 9 %). Bien qu’il représente actuellement l’une des plus petites puissances disponibles sur le marché, ce système semble plus adapté à un petit collectif qu’à un habitat individuel à très basse consommation. Une opération de démonstration de ce type a ainsi été étudiée sur un bâtiment de 6 logements à Chambéry. La régulation du système de diffusion de chaleur proposé permet d’assurer un niveau de confort satisfaisant en hiver et en mi-saison. Le confort d’été peut aussi être amélioré par la mise en œuvre d’un puits climatique ou du free-cooling, techniques qui peuvent être étudiées avec l’ensemble logiciel réalisé. Le système de micro-cogénération à base de bois produit de l’électricité en période de pointe, réduisant ainsi l’usage d’une production d’origine thermique à fort contenu en CO2.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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