Optimisation des installations solaires collectives d'eau chaude sanitaire : application des techniques " des faibles débits " et " du stockage divisé "

par Kévyn Johannes

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

    Les installations de production d'eau chaude solaire collective ayant peu évolué ces vingt dernières années, il paraissait important de rechercher des innovations afin de les améliorer d'un point de vue technico-économique. Nous avons ainsi conçu un ballon de stockage à stratification, fonctionnant aussi bien dans les installations individuelles que dans les installations collectives. La simulation du comportement d'un ballon domestique puis collectif grâce au code CFD Fluent a permis de mettre en évidence l'influence positive de la présence d'injecteurs à plaques sur les entrées solaires ainsi que sur l'entrée d'eau froide. Les résultats expérimentaux, obtenus grâce à la mise en place d'un banc expérimental, ont permis de valider le modèle CFD ainsi que l'utilisation des injecteurs à plaques vis-à-vis de la stratification thermique. Une étude par injection de colorant a également permis d'étudier qualitativement la stratification au sein du ballon. L'objectif du travail étant d'optimiser les installations solaires d'eau chaude collective, nous avons élaboré un modèle avec le logiciel TRNSYS. Il permet de simuler l'ensemble des composants intervenant dans la production solaire d'eau chaude sanitaire de telles installations. La validation du modèle de référence développé a été réalisée grâce à des données expérimentales. En effet, l'installation solaire de la maison de retraite " Les Berges de l'Hyères" située à Chambéry (73) a été instrumentée de façon à obtenir notamment le bilan énergétique aux bornes de chaque composant. La comparaison des résultats expérimentaux et numériques indique la cohérence du modèle, bien que des différences, néanmoins explicables, persistent. Ce modèle a ensuite servi de base de comparaison dans la proposition d'installations innovantes plus performantes sur le plan énergétique. La comparaison des différentes solutions est basée sur le taux de couverture solaire corrigé. Contrairement au taux de couverture défini dans la Garantie de Résultats Solaires (GRS), le taux de couverture solaire corrigé considère l'énergie d'appoint ainsi que l'énergie nécessaire au fonctionnement des auxilliaires. Les conclusions à l'issue de ces simulations sont très satisfaisantes. En effet, les installations solaires collectives décentralisées atteignent des taux de couverture solaire corrigés de 30% et réduisent ainsi sensiblement les rejets de CO2. Nous avons également mis en évidence l'intérêt de faire fonctionner l'installation en débit variable. L'alimentation des pompes grâce à des cellules photovoltaïques est également très prometteuse. Enfin, l'analyse économique montre que les installations à production solaire centralisée et à appoint individualisé, ainsi que les installations décentralisées, permettent d'effectuer des économies non négligeables sur la fourniture de l'énergie d'appoint. Cependant, l'investissement initial est fonction du nombre de ballons mis en place, et par conséquent, les temps de retour sont plus ou moins intéressants.

  • Titre traduit

    Optimisation of solar collective domestic hot water systems : using "low flow" and "individual solar storage tank"


  • Résumé

    During the twenty last years no major improvement was carried out on the solar collective installations, so it appeared important to search innovations in order to improve them from a thermal and an economic point of view. We designed a stratification storage tank, functioning as well in solar domestic systems as in large solar systems like buildings. The Fluent CFD code was used to simulate the fluid motion inside a domestic and a collective tank. The comparison between the numerical and the experimental results, thanks to the experimental tank, made it possible to validate the CFD model and to highlight the parallel plates benefits on the temperature stratification. A study with coloured injection also validated qualitatively the temperature stratification. The aim of the work being to optimize the large solar hot water systems, we worked out a TRNSYS model to simulate the solar production of domestic hot water in such systems. The experimental data were used to validate this model. Indeed, the solar system of a retirement home "Les Berges de l'Hyères" located in Chambéry (73) was monitored to obtain the component energy balances. The comparison between the numerical and the experimental data indicates similar results, although differences persist. However they can be explained. This model was then used as a based system in order to propose more powerful installations -centralized solar production and individualized auxiliary systems and decentralized systems -from an energetic point of view. The comparison of the various solutions was based on the corrected solar fraction. Contrary to the GRS solar fraction -it is defined as the ratio between the net utilized solar energy and the hot water consumption -the corrected solar fraction considers the auxiliary heating energy (electric resistance, boiler) as well as the parasitic energy necessary to the pumps, the controllers. . . The conclusions are very satisfactory. Indeed, the large decentralized solar systems reach corrected solar fraction of 30% and avoid important CO2 discharges. We also highlighted the possibility of using matched flow and direct-coupled PV pumps to decrease electric consumptions. Finally, the economic analysis shows that the system with centralized solar production and individualized auxiliary as well as the decentralized system make it possible to do considerable supply energy savings. However, the initial investment cost is a function of the number of tanks, and therefore, financial writing off time are more or less interesting.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (187 p)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. : 58 réf.

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