Procédé de stockage d'énergie solaire thermique par adsorption pour le chauffage des bâtiments : modélisation et simulation numérique

Numerical and experimental study of a solar assisted zeolite heat storage system for low-energy buildings

• Auteur / Autrice : Parfait Tatsidjodoung
• Direction : Lingai Luo, Nolwenn Le Pierrès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique et génie des procédés
• Date : Soutenance le 26/05/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry ; 2007-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'optimisation de la conception et ingénierie de l'environnement (Le-Bourget-du-Lac, Savoie)
• Jury : Président / Présidente : Yao Kétowoglo Azoumah
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Hubert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Kuznik, Marc Clausse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaleur -- Stockage

Chauffage solaire des locaux

Mots clés libres

Stockage de chaleur

Adsorption

Zéolithe 13X

Modélisation

Capteur solaire

Simulation numérique

Sorption

Adsorption

Heat storage

Solar thermal storage

Seasonal storage

Long-term storage

Energy systems and processes

Zeolite 13X/water

Dynamic simulation

Prototype

Experiments

Solar energy

Heating

Résumé

Les systèmes de stockage de chaleur par sorption (SSCS) ouvrent de nouvelles perspectives dans l'exploitation de l'énergie solaire pour le chauffage des bâtiments résidentiels. En effet, ces systèmes sont très prometteurs dans la mesure où ils permettent un stockage de chaleur sur de longues périodes (le stockage est réalisé sous forme de potentiel chimique) et offrent des densités énergétiques importantes (jusqu'à 230 kWh/m3 de matériau en moyenne) en comparaison aux systèmes classiques comme le stockage par chaleur sensible (qui, pour le cas de l'eau, dispose d'une densité énergétique moyenne d'environ 81 kWh/m3 de matériau pour une variation de 70°C) et le stockage par chaleur latente (qui atteint des densités énergétiques de 90 kWh/m3 de matériau).La présente thèse vise à étudier les performances d'un système de stockage de chaleur par sorption à base de zéolithe 13X intégré à un bâtiment type basse consommation. Des modèles mathématiques de transferts couplés de masse et de chaleur des différents composants du système sont développés et validés par le biais de l'expérimentation. La simulation numérique dynamique, comme outil de dimensionnement, permet, à partir des résultats d'analyses de sensibilité paramétrique sur les différents composants du système, l'étude de son fonctionnement et les critères de sa faisabilité.

Sorption heat storage systems (SHSS) open new perspectives for solar heating of residential buildings. These systems allow long term heat storage (storage is done in the form of chemical potential) and offer high energy densities (up to 230 kWh/m3 of material on average) compared to conventional heat storage systems such as sensible heat storage (which, for the case of water, has an average energy density of approximately 81 kWh/m3 of material for a temperature change of 70 °C) and latent heat storage (nearly reaching energy densities of 90 kWh/m3 of material on average).This thesis aims to study the performance of a sorption solar heat storage system on zeolite 13X, integrated to low-energy building. Mathematical models of coupled heat and mass transfer of various components of the system are developed and validated through experimentation. Numerical dynamic simulations allow to study the functioning of the SHSS in specific conditions, and its design with the results from the parametric sensitivity analysis on its components.