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Séminaire mi parcours Stock-e 2010
STOCK-AIR2
Denis CLODIC ARMINES
Séminaire mi-parcours Stock-e 2010 Paris, 4 Décembre 2012 2
Coordinateur : ARMINES
Organismes de recherche :
o EDF R&D
o CETHIL
o LASH
Entreprises :
o RIBO
o AIRWELL
Date de démarrage : 01/01/10 Date de fin : 31/12/13
Budget (M€) Aide (M€) Nombre de personnes.ans
1,24 0,626 7
Stock-aiR2 2
Séminaire mi-parcours Stock-e 2010 Paris, 4 Décembre 2012 3
Stock-aiR2
Objectifs du projet :
o Développer des échangeurs comportant des matériaux à changement de phase
o Développer une approche système pompe à chaleur avec stockage thermique latent
o Concevoir, réaliser et tester deux prototypes selon deux voies différentes et les tester
en conditions réalistes
Défis scientifiques et techniques :
o Conception d’une structure assurant le bon transfert thermique entre les composants
o Conception d’un échangeur capable de stocker 4000 Wh et déstocker à 2000 W
o Prévoir une stratégie de contrôle du système complet
Résultats majeurs escomptés :
o Deux prototypes validés
3
Séminaire mi-parcours Stock-e 2010 Paris, 4 Décembre 2012 4
2.1 Cahier des charges du besoin 100 %
2.2 Cahier des charges des MCP idéaux 100 %
3.1 Spécifications techniques des MCP1 100 %
3.1 Spécifications techniques des MCP2 90 %
3.2 Fabrication des MCP1 100 %
3.2 Fabrication des MCP2 80 %
4.1 Caractérisations physiques des MCP 90 %
4.2 Durabilité des MCP 50 %
4.3 Aspects économiques et environnementaux 10 %
Stock-aiR2
Programme de travail et jalons : préciser en particulier les % de réalisation des tâches
4
Séminaire mi-parcours Stock-e 2010 Paris, 4 Décembre 2012 5
Stock-aiR2
Identification des Besoins
5
Bâti : maison Mozart (100 m²), BBC
Zone H1a, météo Trappes
Scénario apports RT2012
Simulation : Dymola modèle monozone
Effacement chauffage 18h00-20h00 toute l’année sans inconfort
23.6% 22.9%
20.7%
11.4% 12.1%
4.3%
0.7%
4.3%
0
5
10
15
20
25
30
35
0-50
0
500-
1000
1000
-150
0
1500
-200
0
2000
-250
0
2500
-300
0
3000
-350
0
3500
-400
0
Besoins effacement [Wh]
Nom
bre
de jo
ur [ j ]
0.0%
5.0%
10.0%
15.0%
20.0%
25.0%
Occure
nce [%
]
No
mb
re d
e jo
urs
Besoins en énergie
Besoin en énergie
Besoin en puissance
Séminaire mi-parcours Stock-e 2010 Paris, 4 Décembre 2012 6
Stock-aiR2
Choix des matériaux
6
Méthode d'Ahsby • Objectif : compacité • Astreintes : énergie, puissance, températures de charge et décharge, coefficient d'échange externe • Variables libres : matériau actif, échangeur interne, surface • Modèle : échange 1D en fin de décharge
Indices de performance
en énergie, en puissance
Base de données matériaux
.
1.
.).(4
2
1*
*
2
2 TTd
rdHTdTcCp
Q
hhe
effeff
opti
optieffeff
optiEeNprdHTdTcCp
QL
.2....).(
*
Géométrie optimale
MCP
optimal
Problème : indices "impurs"
Fort couplage système - matériau
Problème : bases et bibliographie inadaptées
Caractérisations étendues indispensables
Séminaire mi-parcours Stock-e 2010 Paris, 4 Décembre 2012 7
Stock-aiR2
Caractérisations physiques
7
DSC et T-history
H
Cp (solide et liquide)
Températures de transformation
(pic, début et fin, conventionnelles et bornes)
Influence de la vitesse et de la masse
3 matériaux modèles
14 produits commerciaux
Fluxmètre
(solide et liquide)
Picnométrie
(solide et liquide) Fl
ux
mas
siq
ue
Température
Cristallisation
Séminaire mi-parcours Stock-e 2010 Paris, 4 Décembre 2012 8
Stock-aiR2
Deux voies pour le système PAC – MCP
8
Voie A MCP intégré dans
l’échangeur
Voie B MCP intégré dans les
gaines d’air
Séminaire mi-parcours Stock-e 2010 Paris, 4 Décembre 2012 9
Stock-aiR2
Voie A
MCP intégré dans l’échangeur
9
Séminaire mi-parcours Stock-e 2010 Paris, 4 Décembre 2012 10
Stock-aiR2 10
Paraffine Microteck 37
Stockage 0.8 kWh (28 °C -> 43 °C)
Puissance déstockage 400 W
Débit de soufflage max 250 m3/h
Température de sortie d’air entre
26 °C et 40 °C
Dimensions 750 x 500 x 140 mm
Masse 45 kg (3 fois plus léger)
Prototype voie A
Echangeur Air – Fluide frigorigène – MCP
1 unité / 5 d’un système multi-split
Séminaire mi-parcours Stock-e 2010 Paris, 4 Décembre 2012 11
Stock-aiR2 11
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Eré
cu
pé
rée
(kW
h)
t (s)
163
255
370
460
575
790
20
25
30
35
40
45
0 1000 2000 3000 4000
T ( C
)t (s)
Tmod
Tent
Tcrit
Treelle
Déstockage à débits constants
Echangeur
DTTmodèle
Tmesurée
Air
Comparaison entre modèle et expérimentation (ΔT ~ 0.5 K)
Premiers résultats Voie A
Séminaire mi-parcours Stock-e 2010 Paris, 4 Décembre 2012 12
Stock-aiR2 12
Premiers résultats Voie A
Prototype à tester in situ encombré dans une unité
AIRWELL existante. Pour stocker 2000Wh et
déstocker à 1000W
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 2000 4000 6000 8000 10000
Dé
bit
(m3 /
h)
Tem
pé
ratu
re (°
C)
temps (s)
Tsortie
Débit
~26 °C
~250 m3/h
7200 s
Prototype pour stocker 800 Wh et déstocker à 400 W testé in vitro
Séminaire mi-parcours Stock-e 2010 Paris, 4 Décembre 2012 13
Stock-aiR2
Voie B
MCP intégré dans les gaines d’air
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Echangeur
ACRONYME Séminaire mi-parcours Stock-e 2010 Paris, 4 Décembre 2012 15
Dimensions : (1,05x0,80x0,25) m Quantité : 31,78 kg de MCP
Mesures de :
• Températures, humidités relatives et débit d’air avant, après l’échangeur et au bypass
• Températures du MCP et de la surface de la règle au début, milieu et fin de l’échangeur pour trois règles différentes (au milieu et aux deux extrémités de l’échangeur)
• Températures de surface des 17 règles à la fin de l’échangeur
Premiers résultats
ACRONYME Séminaire mi-parcours Stock-e 2010 Paris, 4 Décembre 2012 16
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 1 2 3 4 5 6
T M
CP
[°C
]
Temps [heures]
T MCP Début (A) [°C]
T MCP Milieu (A) [°C]
T MCP Fin (A) [°C]
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 1 2 3 4 5 6
Pu
issa
nce
[W
]
Temps [heures]
Puissance (debit in) [W]
Modélisation
ACRONYME Séminaire mi-parcours Stock-e 2010 Paris, 4 Décembre 2012 17
Un modèle est en voie de développement sur Matlab/Simulink, couplé avec le modèle Hybcell1.0
Calibration à l’aide des résultats expérimentaux
Utilisation du modèle pour optimiser le comportement de l’échangeur Tests sur les dimensions de
l’échangeur et les stratégies de charge/décharge
Séminaire mi-parcours Stock-e 2010 Paris, 4 Décembre 2012 18
Stock-aiR2
Conclusions
• Une maison Mozart (BBC) a été simulée. Les besoins en énergie et en puissance
afin d’assurer les deux heures d’effacement le jour le plus froid ont été quantifiés.
• Une étude approfondie a été réalisée sur les MCP existants et ayant les marges de
températures de fusion entre 20 °C et 50 °C.
• Deux prototypes de systèmes, un sur chaque voie, répondant au cahier des
charges ont été construits et testés in vitro
Retombées et perspectives scientifiques et industrielles :
• Concevoir une stratégie de contrôle optimisant le cycle charge/décharge et
profitant de l’inertie du système pour le fonctionnement à faible charges. Etudier
la possibilité de faire plusieurs cycles par jour.
• Tester les prototypes in situ, et faire un bilan énergétique et émissions CO2 du
système.
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