Etude numérique et expérimentale d'un prototype de chauffe-eau solaire équipé d'un stockage à chaleur latente

par Christophe Plantier

Thèse de doctorat en Génie civil et sciences de l'habitat

Sous la direction de Gilbert Achard.

Soutenue en 2005

à l'Université Savoie Mont Blanc .


  • Résumé

    Cette étude a pour objet la recherche d'innovations dans le domaine des chauffe-eau solaires afin d'améliorer le ratio "production de chaleur 1 investissement' de cette technologie. Dans ce but, la démarche de travail a consisté, dans un premier temps, à établir le bilan énergétique détaillé d'un chauffe-eau solaire en fonctionnement pour repérer les points faibles du système et cibler l'apport d'innovation. Pour ce faire, l'outil numérique de simulation dynamique TRNSYS a été utilisé. L'analyse du bilan énergétique du chauffe-eau solaire a montré l'intérêt de réduire les niveaux de températures auxquels le système fonctionne. On peut ainsi espérer réduire les déperditions thermiques et donc fonctionner à un meilleur rendement, mais aussi ralentir la dégradation du matériel due aux sollicitations thermiques. En suivant cette voie de recherche, nous nous sommes intéressés au stockage de chaleur latente dans des matériaux à changement de phase. Le principe de fonctionnement thermique de ces matériaux permet d'envisager un stockage de chaleur beaucoup plus dense qu'un stockage de chaleur sensible dans l'eau, dans des plages de températures intéressant directement la production d'eau chaude sanitaire. Ces matériaux peuvent donc servir de stockage de chaleur et de régulateur des niveaux de températures du système. Un ballon de stockage, intégrant des matériaux à changement de phase encapsulés dans des nodules sphériques, a donc été élaboré puis modélisé. La modélisation des transferts de chaleur dans les matériaux à changement de phase repose sur une méthode appelée enthalpique. Des essais en laboratoire sur un prototype expérimental de ce ballon de stockage ont permis de vérifier le bon fonctionnement du modèle numérique. Grâce au modèle développé, on a pu simuler, dans l'environnement TRNSYS, un chauffe-eau solaire intégrant un stockage à chaleur latente et obtenir ainsi son bilan énergétique détaillé. La comparaison de ce bilan énergétique avec celui d'un système classique a permis d'évaluer l'intérêt de l'innovation. Compte-tenu de la complexité du comportement thermique des matériaux à changement de phase et des simplifications i adoptées par le modèle numérique, il faut rester prudent sur l'analyse des résultats de simulation. Toutefois, ceux-ci révèlent des tendances très positives du nouveau système. Le stockage de chaleur latente sert en effet de régulateur thermique du système et réduit sensiblement les niveaux de températures auxquels fonctionne le chauffe-eau solaire. D'un point de vue numérique, les perspectives de travail concernent un perfectionnement du modèle numérique dans sa précision mais surtout dans ses temps de calcul. Ceux-ci sont trop élevés et empêchent une étude numérique complète du système dans des délais raisonnables. Avec un modèle perfectionné, on pourra mener une recherche du meilleur dimensionnement du stockage à chaleur latente permettant d'optimiser les performances du chauffe-eau solaire. D'un point de vue technologique, une étude technico-économique devrait montrer l'intérêt industriel de l'innovation développée qui est basée sur la simplicité et ne devrait pas entraîner de surcoût rédhibitoire

  • Titre traduit

    Numerical and experimental study of a solar domestic hot water prototype equiped with a latent heat storage


  • Résumé

    This study deals with innovation research on solar domestic hot water systems in order to improve the ratio "thermal energy production / capital cost" of this technology. With this aim, the first stage of the work has consisted in establishing the detailed energy balance of the system to track down where the most important energy lasses are situated and thus the improvements to consider as a matter of priority. For this part of the study, we used the transient system simulation program TRNSYS. The detailed energy balance analysis of a solar domestic hot water system show the interest to reduce the temperature levels of the system. Ln this way, we expect to reduce the thermal losses of the system, to work with a better efficiency and to slow down material degradation due to thermal solicitations. That's the reason why we chose to follow this way, then we took an interest in latent heat storage in phase change materials (PCM). The thermal working principle of these materials allows us to consider a high density heat storage in temperature ranges fitting with domestic hot water temperature needs. PCM can therefore act as a heat storage and also as a system temperatures controller. We elaborated a storage tank equipped with phase change materials encapsulated in spherical nodules and we developed a numerical model of this storage. The heat transfers modeling in PCM is based on a method called the enthalpy method. Some tests conducted in laboratory on an experimental prototype allowed to validate this numerical model. Using this new model, we simulated with TRNSYS a solar domestic hot water system integrating a latent heat storage. Then we obtained its detailed energy balance that we can compare with the one of a traditional system. This comparison allows us to evaluate the interest of the innovation. Heat transfers in PCM are very complicated and the numerical mode is based on a lot of simplifications. As a consequence, we have to stay cautious about simulation results. Those ones show very positive tendencies. The latent heat storage seems to effectively reduce the temperature levels of the system. Ln the future, the model needs to be improved in order to obtain a better precision of its calculations and to reduce simulation time. A one-year simulation of a solar domestic hot water system lasts currently to much time. It Is impossible to manage a complete numerical study in a reasonable time limit. With the improved model, an optimization of the latent heat storage sizing should be possible. The latent heat storage developed in this study isn't technically complex. A techno-economic study should show its industrial cost which should not be very high

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Informations

  • Détails : 1 vol. (207 p)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. : 57 réf.

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  • Bibliothèque : Université Savoie Mont Blanc (Le Bourget-du-Lac, Savoie). Service commun de la documentation et des bibliothèques universitaires. Section Sciences.
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