Étude par simulation sur TRNsys
de systèmes de production d'eau chaude
sanitaire à Singapour
Anas MAJDOULI, Élève Ingénieu...
Objectifs
 Objectifs globaux du SIRD:
- S'apprivoiser à un nouveau logiciel de simulation :
TRNsys
- Se développer, acqué...
Objectifs
 Objectifs de l’étude :
- Comparer différents systèmes de production d’ECS :
 Performance
 Impacts financiers...
Situation énergétique de Singapour en 2014
 Ressources énergétiques hydrauliques et géothermiques difficilement accessibl...
Production de l’ECS à
Singapour
Types de chauffe-eau Chauffe-eau instantané
5
 Ballon d’eau chaude
Figure 2 – Schéma d’u...
Approche de l’étude
 Étape 1 : Collecte et préparation des données météorologiques
◦ Données recueillies de la station mé...
Approche de l’étude
 Étape IV : Performance des systèmes
◦ Pour une simulation sur 24h, la consommation globale d’énergie...
Modélisation sur TRNsys
HYPOTHÈSES :
 Type de logement : Propriété privée de plus de 4
personnes
(4,3 selon le Department...
Cas n°1 : Chauffe-eau instantané électrique
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Figure 6 – Modélisation sur TRNsys d’un chauffe-eau instantané électrique
Cas n°2 : Chauffe-eau instantané au gaz naturel
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Figure 7 – Modélisation sur TRNsys d’un chauffe-eau instantané au gaz
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Cas n°3 : Ballon d’eau chaude avec appoint
électrique
Figure 8 – Modélisation sur TRNsys d’un ballon d’eau chaude élect...
12
Cas n°4 : Ballon d’eau chaude solaire
avec appoint électrique
Figure 9 – Modélisation sur TRNsys d’un ballon d’eau chau...
Résultats :
1. Performance des systèmes
2. Comparaison des systèmes
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1. Performance des systèmes
 Simulation sur 24h : ...
Résultats :
1. Performance des systèmes
À retenir :
 Dans les cas n°1 et 2, les deux chauffe-eaux instantanés (électrique...
Résultats :
2. Comparaison des systèmes :
 Simulation sur 365 jours (Année 2014)
 Chauffe-eaux couramment utilisés à Sin...
Économies d’énergie
 Source d’énergie : ElecGaz
+ 184 kWh / an, soit +15 % de l’énergie consommée par le chauffe-eau ins...
Économies d’énergie
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 Source d’énergie : ElecGaz
+ 200 GWh / an, soit +15 % de l’énergie consommée par le chauffe-eau ...
Réduction de coûts
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 Source d’énergie : ElecGaz
- 9 millions de dollars, soit - 6 % du coût de fonctionnement du chauf...
Réduction des émissions de
CO2
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 Source d’énergie : ElecGaz
- 0,21 Mt de CO2, soit - 56 % des émissions de CO2 du fait...
Conclusions
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À retenir :
 Source d’énergie : le changement électricité – gaz est une solution plus
écologique et relati...
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    1. 1. Étude par simulation sur TRNsys de systèmes de production d'eau chaude sanitaire à Singapour Anas MAJDOULI, Élève Ingénieur INSA Lyon Jury : M. Roger (TE & MCF) & R. GOURDON (PR) Supervisé par : Assoc. Pr. R. HELLWIG & Dr. M. A. WAHED, SERIS [SEEB cluster] – National University of Singapore 1
    2. 2. Objectifs  Objectifs globaux du SIRD: - S'apprivoiser à un nouveau logiciel de simulation : TRNsys - Se développer, acquérir de nouvelles compétences dans le monde de la recherche scientifique à l’étranger. 2
    3. 3. Objectifs  Objectifs de l’étude : - Comparer différents systèmes de production d’ECS :  Performance  Impacts financiers et environnementaux - En apprendre davantage sur la faisabilité à Singapour du :  Remplacement de l’électricité par du gaz naturel comme source d’énergie.  Couplage à un système solaire thermique. 3
    4. 4. Situation énergétique de Singapour en 2014  Ressources énergétiques hydrauliques et géothermiques difficilement accessibles, vitesse du vent faible (< 2 m.s-1) & espace restreint (710 km²).  Dépendance aux importations de combustibles fossiles. ◦ Pétrole brut, produits pétroliers, gaz naturel, etc.  Assurer sécurité & efficacité énergétiques  Investissement dans la R&D  Énergies renouvelables  Énergie solaire  SERIS (Solar Energy Research Institute of Singapore) 4 Figure 1 - Répartition de l'énergie finale (TFEC) par secteur de consommation Quelque chiffres pour l’année 2014 à Singapour : TFEC (Energie finale) = 156 TWh ◦ Résidentiel = 4,9 % soit 7,6 TWh (87 % électricité & 13 % G.N) ◦ Propriétés privées : 2,8 TWh d’électricité consommée en 2014 à Singapour, dont 21 % sont destinées à la production d’ECS
    5. 5. Production de l’ECS à Singapour Types de chauffe-eau Chauffe-eau instantané 5  Ballon d’eau chaude Figure 2 – Schéma d’un chauffe-eau électrique (gauche) et au gaz (droite) Figure 3 – Schéma d’un ballon d’eau chaude électriqueFigure 4 – Schéma d’un ballon d’eau chaude solaire à appoint électrique
    6. 6. Approche de l’étude  Étape 1 : Collecte et préparation des données météorologiques ◦ Données recueillies de la station météo de NUS, et fournies par le groupe SES. ◦ Données fournies : température ambiante [°C] et irradiance solaire global [W.m-2]  Étape II : Génération du profil journalier de consommation d’ECS ◦ Consommation journalière d’eau par habitant [L] fournie par (PUB) : 160 L ◦ Part d’eau consommée pour la douche [ % ] : 21 % ◦ Besoins en eau chaude pour la douche [ % ] : 67 %  Consommation journalière d’eau chaude par habitant pour la douche [L] : 31 L  Consommation journalière d’eau chaude par foyer type pour la douche [L] : 134 L ◦ Utilisation du logiciel DHWCalc pour générer un profil de consommation journalière [kg.hr-1]: variations saisonnières, ratio de consommation jours de semaine/jours de weekend, etc.  Étape III : Simulation sur TRNsys et récupération des résultats obtenus ◦ 4 systèmes de production d’ECS = 4 cas d’étude = 4 worksheets ◦ Observation de l’évolution des différentes grandeurs dans une fenêtre graphique, puis récolte des valeurs sur fichiers texte pour analyse, comparaison, etc. 6
    7. 7. Approche de l’étude  Étape IV : Performance des systèmes ◦ Pour une simulation sur 24h, la consommation globale d’énergie, les pertes thermiques, et le gain d’énergie sont déterminée pour chaque cas.  Étape V : Comparaison des systèmes ◦ Pour une simulation sur 365 jours, les économies d’énergie, réductions de coûts et réductions des émissions de CO2 sont déterminées pour chaque cas.  Étape VI : Commentaires et conclusions 7
    8. 8. Modélisation sur TRNsys HYPOTHÈSES :  Type de logement : Propriété privée de plus de 4 personnes (4,3 selon le Department of Statistics of Singapore 2014)  Point d’utilisation : Douche (67% de la demande totale d’eau chaude sanitaire)  Les 4 simulations utilisent le même profil journalier de consommation d’ECS et les mêmes données météorologiques, qui ont été implémentés dans les composants de TRNsys correspondants.  La température de consigne est également identique : 45 °C 8 4 systèmes de production d’ECS : 2 chauffe-eaux instantanés (électrique et au gaz), un ballon d’eau chaude classique et un ballon d’eau chaude solaire, à appoint électrique. 0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 Flowrate[kg/hr] Time [Hours] Figure 5 - Profil journalier de consommation d’ECS
    9. 9. Cas n°1 : Chauffe-eau instantané électrique 9 Figure 6 – Modélisation sur TRNsys d’un chauffe-eau instantané électrique
    10. 10. Cas n°2 : Chauffe-eau instantané au gaz naturel 10 Figure 7 – Modélisation sur TRNsys d’un chauffe-eau instantané au gaz
    11. 11. 11 Cas n°3 : Ballon d’eau chaude avec appoint électrique Figure 8 – Modélisation sur TRNsys d’un ballon d’eau chaude électrique
    12. 12. 12 Cas n°4 : Ballon d’eau chaude solaire avec appoint électrique Figure 9 – Modélisation sur TRNsys d’un ballon d’eau chaude solaire à appoint électrique
    13. 13. Résultats : 1. Performance des systèmes 2. Comparaison des systèmes 13 1. Performance des systèmes  Simulation sur 24h : 1er Juin 2014 (période de simulation de 3624 h à 3648 h)  Observation de profils de température à différents niveaux du chauffe-eau, profils de consommation d’énergie et de pertes thermiques, ainsi que leur évolutions en mode dynamique avec le profil de consommation journalière d’eau chaude. Pour le ballon d’eau chaude solaire, l’irradiance solaire est également représentée.  Observation de phénomènes thermiques : a) « cold water sandwich » pour les chauffe-eaux instantanés. b) Stratification et inversion thermiques pour les ballons d’eau chaude lors de l’activation de la résistance chauffante.
    14. 14. Résultats : 1. Performance des systèmes À retenir :  Dans les cas n°1 et 2, les deux chauffe-eaux instantanés (électrique et au gaz) fournissent de l’eau chaude à une température relativement constante, mais requièrent un délai de 6 minutes pour l’atteindre.  Dans les cas n°3 et 4, les deux ballons d’eau chaude (classique et solaire à appoint électrique) autorisent une plage de température plus large. Cependant, de l’eau chaude est toujours disponible au sommet du réservoir. 14
    15. 15. Résultats : 2. Comparaison des systèmes :  Simulation sur 365 jours (Année 2014)  Chauffe-eaux couramment utilisés à Singapour : Chauffe-eau instantané électrique et ballon d’eau chaude à appoint électrique  Références pour l’étude comparative _ Source d’énergie : Chauffe-eau instantané électrique VS Chauffe-eau instantané au gaz _ Apport solaire : Ballon d’eau chaude électrique VS Ballon d’eau chaude solaire à appoint électrique 15 Remarque 1 : Pour le ballon d’eau chaude solaire (Thermal STWH), l’énergie consommée effective représente l’énergie non solaire, qui consommée par l’appoint électrique. C’est l’énergie payée par l’utilisateur. Remarque II : Seul le coût de fonctionnement est considéré pour les réductions de coûts dans cette étude comparative.
    16. 16. Économies d’énergie  Source d’énergie : ElecGaz + 184 kWh / an, soit +15 % de l’énergie consommée par le chauffe-eau inst. électrique.  Chauffe-eau inst. au gaz a un rendement légèrement plus faible que le chauffe-eau inst. électrique.  Apport solaire : - 642 kWh / an, soit -37 % de l’énergie consommée par un ballon d’eau chaude électrique. 16 Au niveau domestique : 1125 1309 1717 1075 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Electrical ITWH Gas ITWH Electrical STWH Thermal SDWH Q_cons[kWh] ASSUMPTIONS: HOUSEHOLD: LANDED PROPERTY SIZE: 4.3 USE: SHOWER SET POINT TEMPERATURE: 45 °C YEAR: 2014 Figure 10 – Consommation énergétique annuelle pour la production d’ECS à l’échelle domestique [TRNsys]
    17. 17. Économies d’énergie 17  Source d’énergie : ElecGaz + 200 GWh / an, soit +15 % de l’énergie consommée par le chauffe-eau inst. Électrique.  Apport solaire : - 415 GWh / an, soit - 37 % de l’énergie consommée par un ballon d’eau chaude électrique. Remarque : Le ballon d’eau chaude électrique a une capacité de 57 L et le ballon d’eau chaude solaire à appoint électrique a une capacité de 300 L. Au niveau national : ASSUMPTIONS: HOUSEHOLD: LANDED PROPERTY SIZE: 4.3 USE: SHOWER SET POINT TEMPERATURE: 45 °C YEAR: 2014 NO. OF LANDED PROPERTIES IN SG*: 645,975 *2014 – DEPARTMENT OF STATISTICS SINGAPORE 726573 845782 1108919 694423 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 Electrical ITWH Gas ITWH Electrical STWH Thermal SDWH Q_cons[MWh] Figure 11 – Consommation énergétique annuelle pour la production d’ECS à l’échelle nationale [TRNsys]
    18. 18. Réduction de coûts 18  Source d’énergie : ElecGaz - 9 millions de dollars, soit - 6 % du coût de fonctionnement du chauffe-eau inst. électrique.  À Singapour, l’électricité coûte 18,6 % plus cher que le gaz.  Apport solaire : - 93 millions de dollars, soit - 37 % du coût de fonctionnement du ballon d’eau chaude électrique. Au niveau national : ASSUMPTIONS: HOUSEHOLD: LANDED PROPERTY SIZE: 4.3 USE: SHOWER SET POINT TEMPERATURE: 45 °C YEAR: 2014 ENERGY TARIFFS*: ELECTRICITY: 1 KWH = $ 0.2241 GAS: 1 KWH = $ 0.1825 *2015 - SINGAPORE POWER LTD 163 154 249 156 0 50 100 150 200 250 300 Electrical ITWH Gas ITWH Electrical STWH Thermal SDWH OperatingCost($Million) Figure 12 – Coûts de fonctionnement pour la production d’ECS à l’échelle nationale [TRNsys]
    19. 19. Réduction des émissions de CO2 19  Source d’énergie : ElecGaz - 0,21 Mt de CO2, soit - 56 % des émissions de CO2 du fait de l’utilisation de l’électricité comme source d’énergie.  À Singapour, le Facteur d’Émission (ECF) de CO2 de l’électricité est 64 % plus grand que l’ECF du gaz.  Apport solaire : - 0,21 Mt de CO2, soit - 37 % du coût de fonctionnement du ballon d’eau chaude électrique. Au niveau national : ASSUMPTIONS: HOUSEHOLD: LANDED PROPERTY SIZE: 4.3 USE: SHOWER SET POINT TEMPERATURE: 45 °C YEAR: 2014 ENERGY CONVERSION FACTORS FOR SG *: [KG CO2/KWH] ELECTRICITY: 0.5051 GAS: 0.1840 *2015 - DEFRA 0.37 0.16 0.56 0.35 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 Electrical ITWH Gas ITWH Electrical STWH Thermal SDWH CO2Emissions[Mt] Figure 13 – Émissions de CO2 pour la production d’ECS à l’échelle nationale [TRNsys]
    20. 20. Conclusions 20 À retenir :  Source d’énergie : le changement électricité – gaz est une solution plus écologique et relativement économique.  Apport solaire : permet de réduire considérablement le coût de fonctionnement.  Un 5ème système est à considérer : ballon d’eau chaude solaire à appoint chaudière à gaz.
    21. 21. 21 MERCI POUR VOTRE ATTENTION !DES QUESTIONS

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