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1 CHAPITRE III ENERGIE SOLAIRE POUR L’EAU CHAUDE 1 Le chauffe-eau solaire .....

1 CHAPITRE III ENERGIE SOLAIRE POUR L’EAU CHAUDE 1 Le chauffe-eau solaire ............................................................................................................................................................... 2 1.1 Domaines d’utilisations ..................................................................................................................................................... 2 1.2 Types de chauffe-eau solaire ............................................................................................................................................. 2 1.2.1 Chauffe-eau à thermosiphon ..................................................................................................................................... 2 1.2.2 Chauffe-eau à circulation forcée ............................................................................................................................... 2 1.3 Eléments de chauffe-eau solaire standard.......................................................................................................................... 2 2 Ballon solaire, appoint et régulation .......................................................................................................................................... 3 2.1 Ballon solaire ..................................................................................................................................................................... 3 2.2 Appoint .............................................................................................................................................................................. 4 2.3 Echangeur de chaleur ........................................................................................................................................................ 5 2.4 Système de régulation : ..................................................................................................................................................... 5 3 configurations du raccordement hydrauliques des chauffe-eau solaires .................................................................................... 6 3.1 Chauffe-eau solaire individuel : CESI ............................................................................................................................... 6 3.2 Chauffe-eau solaire collectif .............................................................................................................................................. 7 4 Capteurs solaires thermiques ................................................................................................................................................... 10 4.1 Principe de fonctionnement ............................................................................................................................................. 10 4.2 Différent type de capteurs solaires .................................................................................................................................. 10 4.3 Composantes d’un capteur plan vitré .............................................................................................................................. 11 4.4 Montage de capteur solaire .............................................................................................................................................. 12 4.5 Raccordement hydraulique d’un champ des capteurs ...................................................................................................... 12 4.6 inclinaison des capteurs ................................................................................................................................................... 13 4.7 Rendement du capteur solaire ......................................................................................................................................... 14 5 Dimensionnement de la surface des capteurs solaires ............................................................................................................. 15 5.1 Les principes du dimensionnement ................................................................................................................................. 15 5.2 Méthode simple de dimensionnement ............................................................................................................................. 17 5.3 Logiciels de dimensionnement ........................................................................................................................................ 18 2 1 LE CHAUFFE-EAU SOLAIRE 1.1 DOMAINES D’UTILISATIONS Très basse Temp. (20 à 30 °C) Basse Temp. (40 à 70 °C) Moy. Temp. (80 à 120 °C) Haute Temp. (200 à 600 °C) Chauffage eau des piscines Chauffage par le plancher Production ECS Dessalement de l’eau Production de chaleur industrielle Climatisation par absorption Production de chaleur industrielle Production d’électricité (Syst. Solaire thermodynamique) 1.2 TYPES DE CHAUFFE-EAU SOLAIRE 1.2.1 CHAUFFE-EAU A THERMOSIPHON Principe de fonctionnement : sous l'effet du rayonnement solaire, l'eau dans le capteur s'échauffe et sa densité diminue. Elle s'élève dans le circuit et sera remplacée par de l'eau plus froide (et donc plus "lourde") en provenance du ballon : c'est l'effet thermosiphon. Configurations : Séparée en 2 groupes selon la disposition capteur-ballon: (i) Monobloc : ballon accolé au capteur solaire et disposé horizontalement, (ii) éléments séparés : capteur et ballon sont dissociés. Configurations : Séparée en 2 groupes selon l’utilisation d’un échangeur ou non : (i) CES-direct : sans échangeur, (ii) CES- avec échangeur. Avantages : ne comporte pas de pompes ni de régulation ⇒ risques de panne réduits et pas de consommation d’énergie électrique. Faible coût. Inconvénients : Le ballon doit être obligatoirement au-dessus du capteur. Risque du gel. 1.2.2 CHAUFFE-EAU A CIRCULATION FORCEE • Principe de fonctionnement : une pompe est utilisée pour assurer le transfert du fluide caloporteur du capteur vers le ballon. • Configurations : (i) CES-direct : sans échangeur, (ii) CES- avec échangeur noyé, (iii) CES- avec échangeur séparé. • Avantages : disposition du ballon. • Inconvénient : Coût plus élevé. 1.3 ELEMENTS DE CHAUFFE-EAU SOLAIRE STANDARD Zone de captage ; Zone de transfert ; Zone de stockage ; Zone de distribution. 3 Groupe hydraulique circuit solaire (Le groupe de sécurité), placé en amont du ballon, rassemble, en un seul accessoire, les quatre fonctions suivantes :- Robinet d’arrêt ; - Clapet anti-retour : - Robinet de vidange ;- Soupape de sûreté Purgeurs : permettant d’éliminer l’air du circuit lors du remplissage et des entretiens. Vase d’expansion : placé du côté aspiration de la pompe de circulation, chargé d'absorber les différences de volume et de récolter la totalité du fluide caloporteur expulsé des capteurs en cas de surchauffe. Vannes : assurer les opérations de maintenance et de mise en service. Vannes de vidange, de remplissage, et d’arrêt. Soupape de sécurité : équipée d’un manomètre, destinée à évacuer les surpressions en cas de surchauffe de l’installation. clapet anti-retour : Empêcher la circulation inverse par thermosiphon dans le circuit solaire lorsque le ballon est à une température supérieure à celle des capteurs. Canalisations : transporter le fluide caloporteur entre les capteurs et les échangeurs. Pompe de circulation : assurer la circulation du fluide caloporteur dans le circuit primaire. Ballon de stockage : permet de stocker l’eau chaude et de disposer d’un volume d’eau chaude à tout moment de la journée. Echangeurs de chaleur : transmettre la chaleur du circuit primaire (fluide caloporteur) au circuit secondaire (eau). Appoint : Assure en tout temps le complément de chaleur éventuellement nécessaire à l’énergie solaire. Régulation : Contrôler (la pompe) le transfert de chaleur de la zone de captage vers la zone de stockage. 2 BALLON SOLAIRE, APPOINT ET REGULATION 2.1 BALLON SOLAIRE Revêtement intérieur : résistance à la corrosion : acier inoxydable ou acier émaillé ou ciment alumineux. Revêtement extérieur : isolation du ballon de stockage : à travers de matériau isolant. 4 Bonne stratification thermique ⇒ forme verticale étroite. Puisage de l’eau se fait à la partie supérieure et l’arrivée de l’eau froide partie inférieure (capteur a un rendement meilleur plus la température d’entrée capteur est basse). D’où, l’installation de l’échangeur d’appoint dans la partie supérieur du ballon et l’échangeur solaire dans la partie inférieure. Prévention contre la corrosion : protection par anode cathodique : Lors de la formation d'une pile électrique, c'est toujours l'anode qui se corrode (elle se consomme il faut la remplacer). Le principe est donc de protéger l'acier (= la cathode) en le mettant en contact avec un métal moins noble que lui (= l'anode). Structure : ballon combinée ; ballon à serpentins ; ballon simple avec ou sans échangeur externe Ballon combinée : « tank in tank » soit «réservoir dans le réservoir». Ils sont utilisés dans les installations solaires combinées : qui sont en mesure de produire aussi bien de l’eau chaude sanitaire que du chauffage. Le grand réservoir contient l’eau qui permet de faire fonctionner le système de chauffage. Le petit réservoir contient l’eau qui sert à alimenter l’installation d’eau chaude sanitaire. Les réservoirs « tank in tank » facilitent la réalisation des installations solaires combinées en ce sens qu’ils permettent de brancher directement au réservoir tous les circuits: - le circuit des capteurs solaires, - le circuit d’appoint de chaleur (chaudière par exemple), - le circuit du système de chauffage, - le circuit de l’eau chaude sanitaire. Ces réservoirs sont surtout utilisés dans les installations de petites et moyennes dimensions. 2.2 APPOINT Appoint électrique ; Appoint hydraulique (avec une chaudière). 5 Appoint électrique Appoint hydraulique avec échangeur intégré Appoint hydraulique instantané 2.3 ECHANGEUR DE CHALEUR Echangeurs immergés/noyés Echangeurs externes Avantages Précautions Avantages Précautions Pas de déperditions externes Une seule pompe – régulation très simple Difficultés de maintenance accrue si échangeur non extractible. Limite de puissance de certains échangeurs immergés Facilité de maintenance Surface d'échange potentiellement plus importante Isolation nécessaire de l‘échangeur Consommations d'auxiliaire supplémentaire Une deuxième pompe, son tuyautage et une régulation propre de celle-ci 2.4 SYSTEME DE REGULATION : Le contrôle du fonctionnement de la pompe de circulation en comparant la température sortie du capteur solaire (Tc) et celle du ballon de stockage (Tb). Fonctionnement : un régulateur différentiel est utilisé : Pompe ON: Tc>Tb ; Pompe OFF : Tc<Tb ⇒ risque de pompage ⇒ risque d’endommager la pompe ⇒on définit un différentiel de démarrage DD= Tc- Tb (5 ~ 8°C) et un différentiel d’arrêt DA (2 ~ 4°C). DD=DA= 4 °C Exemple Tc Tb Tc-Tb Etat pompe 50 48 2 OFF 53 48 5 OFF 54 48 6 ON 79 48 31 ON 6 54 48 6 ON 53 48 5 ON 50 48 2 OFF Le régulateur R1 commande le circulateur du primaire, le régulateur R2 commande le circulateur du secondaire. Fonctionnement de R1 :si Tc > Tb + DD (DD compris entre 5 et 8°C) Pour éviter des séquences courtes d’arrêt et de démarrage, la commande du régulateur devra être temporisée de manière à laisser l’homogénéisation des températures s’opérer dans le circuit primaire. Fonctionnement de R2 : Séquence de démarrage : si T1 > Tb + DD ; Séquence d’arrêt : si Tc < Tb + DA (DA compris entre 2 et 4 °C) Le régulateur R2 doit être en complément asservi à celui de R1 de manière à ce que le circulateur secondaire ne soit jamais en fonctionnement si le circuit primaire est arrêté. 3 CONFIGURATIONS DU RACCORDEMENT HYDRAULIQUES DES CHAUFFE-EAU SOLAIRES 3.1 CHAUFFE-EAU SOLAIRE INDIVIDUEL : CESI La boucle sanitaire revient bien en amont de l’appoint et non pas sur le ballon solaire. CES combinée pour chauffage et ECS 7 C’est une installation solaire pour le chauffage d’eau. Elle est constituée essentiellement d’un ballon solaire (tank in tank) avec échangeur intégrée, l’appoint est un appoint hydraulique assurée par une chaudière. Cette installation assure le chauffage d’ambiance et celle de l’EC. L’installation est composée de quatre circuits : • Circuit primaire : transfert de la chaleur entre le capteur et l’échangeur intégré • Circuit secondaire N°1 – chauffage d’ambiance : transfert de chaleur entre le ballon et les radiateurs de chaleur • Circuit secondaire N°2 – appoint : transfert de chaleur entre la chaudière et le ballon • Circuit secondaire N°3 – chauffage ECS : transfert de chaleur du ballon vers l’ECS Régulation : contrôle le fonctionnement de la pompe et de la chaudière auxiliaire en mesurant la uploads/Finance/ chap-iii-energie-solaire-thermique.pdf