Étude numérique et expérimentale d'un système de valorisation de l'énergie solaire thermique des routes pour les besoins des bâtiments

Numerical and experimental study of a system of valorization of the thermal solar energy of the roads for the needs of the buildings

• Auteur / Autrice : Fébron Lionel Prince Sevi
• Direction : Benoît Stutz, Frédéric Bernardin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 24/05/2024
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences, ingénierie, environnement (Chambéry ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'optimisation de la conception et ingénierie de l'environnement (Le-Bourget-du-Lac, Savoie)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Bedecarrats
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yasmine Lalau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Mazet, Stéphane Ginestet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pompes à chaleur

Chaleur -- Stockage

Énergie solaire thermique

Mots clés libres

Capteur thermique routier

Énergie solaire thermique

Stockage thermique souterrain

Pompe à chaleur

Bâtiment basse consommation

Asphalt solar collector

Solar thermal energy

Underground thermal storage

Heat pump

Low consumption building

Résumé

La réduction des émissions de gaz à effet de serre provenant des énergies fossiles combinée à l'augmentation de la demande mondiale en énergie représente un défi majeur pour l'humanité. Nous ne pourrons le résoudre sans un recours massif aux énergies renouvelables. L'énergie solaire est l'une des formes renouvelables les plus abondantes et disponibles. Diverses techniques sont utilisées pour exploiter cette énergie, telles que les panneaux solaires photovoltaïques pour la production d'électricité et les capteurs solaires thermiques pour la production de chaleur. Récemment, une autre approche a émergé, celle des routes solaires, offrant à la fois des infrastructures de transport et des capacités de captation d'énergie solaire. Dans ce contexte, cette thèse propose l'étude et le développement d'un système couplant énergétiquement une chaussée à un bâtiment via un stockage thermique. Le concept repose sur la récupération de chaleur de la chaussée pendant les périodes chaudes, via un fluide caloporteur circulant dans un revêtement de chaussée drainant placé sous la couche de roulement. Cette chaleur est ensuite stockée au sein d'un stockage thermique composé de sable saturé en eau en sous-sol du bâtiment afin d'être mobilisée ultérieurement. Le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire mettent en œuvre une pompe à chaleur. Un modèle thermique et énergétique a été développé pour l'ensemble du système. Les prédictions du modèle sont comparées aux résultats expérimentaux obtenus à l'aide d'un démonstrateur spécifiquement développé pour les besoins de l'étude. Les simulations annuelles montrent qu'il est possible de chauffer efficacement des maisons individuelles ou des petits collectifs répondants aux réglementations énergétiques actuelles en valorisant l'énergie thermique des routes avec un coefficient de performance moyen de la pompe à chaleur voisin de 6.5. Une étude de sensibilité du système a montré que la superficie du capteur, le volume du stockage et le lieu d'implantation ont une influence sur les performances du système.

Reducing greenhouse gas emissions from fossil fuels combined with increasing global energy demand represents a major challenge for humanity. We will not be able to solve it without massive recourse to renewable energies. Solar energy is one of the most abundant and available forms of renewable energy. Various techniques are used to harness this energy, such as photovoltaic solar panels for electricity production and solar thermal collectors for heat production. Recently, another approach has emerged, that of asphalt solar collector, offering both transport infrastructure and solar energy capture capacities. In this context, this thesis proposes the study and development of a system energetically coupling a roadway to a building via thermal storage. The concept is based on recovering heat from the roadway during hot periods, via a heat transfer fluid circulating in a draining road surface placed under the wearing course. This heat is then stored in a thermal storage composed of sand saturated with water in the basement of the building in order to be mobilized later. Heating and domestic hot water production use a heat pump. A thermal and energy model has been developed for the entire system. The model predictions are compared to experimental results obtained using a demonstrator specifically developed for the needs of the study. Annual simulations show that it is possible to efficiently heat individual houses or small collectives meeting current energy regulations by using the thermal energy of the roads with an average coefficient of performance of the heat pump close to 6.5. A sensitivity study of the system showed that the surface area of the sensor, the storage volume and the location have an influence on the performance of the system.