Séminaire mi parcours Stock-e 2010

STOCK-AIR2

Denis CLODIC ARMINES

denis.clodic@mines-ParisTech.fr

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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Stock-aiR2

Voie A

MCP intégré dans l’échangeur

9

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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

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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

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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

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Stock-aiR2

Voie B

MCP intégré dans les gaines d’air

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Plateforme expérimentale

ACRONYME Séminaire mi-parcours Stock-e 2010 Paris, 4 Décembre 2012 14

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

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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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Stock-aiR2

Merci pour votre attention

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