Etude de la convection naturelle et de la stratification thermique dans une cavité inclinée et chauffée au milieu : application aux capteurs solaires autostockeurs

par Marie Swiatek

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de Gilles Fraisse et de Mickaël Pailha.

Le président du jury était Didier Saury.

Le jury était composé de Stephanie Giroux-Julien.

Les rapporteurs étaient Stéphane Lassue, Frédéric Kuznik.


  • Résumé

    La réglementation thermique sur les bâtiments en France impose le recours aux énergies renouvelables. L'énergie solaire, à la fois thermique et photovoltaïque, présente un grand potentiel en termes de disponibilité. Néanmoins, du fait de son caractère intermittent, des systèmes de stockage associés sont nécessaires. Pour ce qui est des systèmes solaires thermiques, les capteurs solaires intégrant le stockage (CSIS) ont pour avantages une grande simplicité ainsi que des coûts réduits comparés à des systèmes plus classiques. Ils permettent également d'éviter la problématique de la mise en place du stockage, les rendant ainsi adaptés à la rénovation énergétique.Le présent travail de thèse étudie les phénomènes de convection naturelle dans une cavité fermée à haut rapport de forme (H/L = 13) représentant le réservoir de stockage d'un CSIS. Dans un premier temps, un état de l'art des systèmes existants ainsi qu'une étude bibliographique de l'étude de ces systèmes et des phénomènes s'y déroulant sont réalisés. Il y est mis en évidence l'importance de la stratification des températures au sein du réservoir pour l'amélioration des performances globales du système. Dans un second temps, une étude expérimentale de la cavité est effectuée pour la compréhension des écoulements liés à la mise en place d'une stratification thermique satisfaisante, ainsi que des paramètres pouvant l'influencer. Dans cette étude, une plaque de stratification est ajoutée à l'intérieur de la cavité pour canaliser le fluide chaud ascendant, limitant ainsi le brassage. La zone de chauffe représentant l'échange entre la boucle solaire et le réservoir est placée au milieu de la face supérieure du système, résultant en une bonne stratification. Un écoulement inverse est observé au niveau de la sortie de ce canal. Ce phénomène est principalement responsable de l'écart de température obtenu entre le haut et le bas du système. Une étude numérique CFD du système a donc été conduite pour étudier l'influence de différents paramètres sur le comportement thermique et de l'écoulement. La diminution de l'écoulement inverse permet une meilleure circulation du fluide dans la globalité du système. Afin de déterminer si la stratification thermique observée dans le système de stockage conduit à une performance énergétique annuelle satisfaisante du capteur auto-stockeur, une modélisation nodale a été effectuée. Différents paramètres tels que la position de la zone d'échange entre le collecteur et le réservoir de stockage, ou encore l'épaisseur de l'isolant ont été étudiés pour quantifier leur influence sur les performances du système complet.

  • Titre traduit

    Study of convection and stratification inside a tilted cavity heated with a constant heat flux : applications to integrated collector-storage solar water heaters


  • Résumé

    Thermal regulation for dwellings in France makes the resort to renewable energy mandatory. Solar energy has an important potential regarding its availability, for both thermal and photovoltaic applications. However, due to its intermittency, there is a need for a storing device. Concerning solar thermal systems, Integrated Collector Storage Solar Water Heaters (ICSSWH) have the advantage of a simple design and use combined with reduced costs compared to more classical devices. These systems also enable to avoid the problem of finding space for the installation of a storage system in an existing building, making them more suitable for energy renovation of houses.This present work studies the phenomena of natural convection in an enclosed cavity with high aspect ratio (H/L = 13) representing the storage of an ICSSWH. Firstly, a state of the art of existing systems as well as a literature review of these systems and of the phenomena occurring in them are conducted. The importance of thermal stratification inside the storage tank for the increase of global efficiency for the whole system is highlighted. Secondly, an experimental study of the cavity is performed to understand the fluid flow linked to the satisfying stratification obtained in the system, and find the parameters influencing it. In the experimental setup, a stratification plate is added inside the cavity to harness the ascending hot flow, hence limiting the mixing of fluid which is responsible for the destratification. The heated zone, which represents the exchange between the solar collector and the storage, is placed in the middle of the upper wall of the system, resulting in a good thermal stratification. A reverse flow can be observed at the channel outlet, which is the main parameter for the high temperature difference obtained between the top and the bottom of our system. A CFD study of the experimented system is then conducted to determine the influence of several parameters on the thermal and fluid flow behavior of the system. The decrease of reverse flow allows a better loop of the fluid in the whole cavity. In order to discover whether the thermal stratification observed in the storage leads to a better annual efficiency for the whole ICSSWH, a nodal model is used. Several parameters such as the position of the heat exchange zone between the collector and the storage or the insulation thickness are studied to quantify their influence on thermal stratification, and hence on the overall efficiency of the system.


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