Simulation et optimisation des systèmes de production de l’eau chaude sanitaire solaire

par Saïf ed-Dîn Fertahi

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides, énergétique, thermique, combustion, acoustique

Sous la direction de Tarik Kousksou, Ali Benbassou et de Abdelmajid Jamil.

Soutenue le 14-12-2019

à Pau en cotutelle avec l'Université Sidi Mohamed ben Abdellah (Fès, Maroc). Faculté des Sciences et Techniques , dans le cadre de École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques) , en partenariat avec Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur Appliquées à la Mécanique et au génie Electrique / SIAME (laboratoire) .


  • Résumé

    Le marché mondial des chauffe-eau solaires (CES) est en essor. En effet, les CES sont devenus des systèmes compétitifs aux appareils de chauffage par gaz naturel et énergie électrique, en raison de leurs faibles émissions de CO2 et de leur participation explicite à la réduction des factures d'électricité du consommateur marocain. Actuellement, l'Institut de Recherche en Energie Solaire et Energies Nouvelles (IRESEN-Maroc) pourvoit le soutien financier nécessaire pour promouvoir la recherche et le développement dans le domaine des CES au Maroc. Ainsi, en février 2016, le projet SOL'R SHEMSY a été défini pour concevoir et commercialiser le premier CES intégrant la technologie des capteurs à tubes sous vide (ETC) avec des caloducs, en rendant son acquisition accessible au sociale marocain. Il paraît qu'à l'heure actuelle, plusieurs technologies de capteurs solaires de marques différentes sont commercialisées au Maroc tels que les capteurs plan (FPC) et les capteurs à tube sous vide (ETC), outre le thermosiphon et les CES à circulation forcée pour convertir l'énergie solaire en une énergie thermique, afin de produire de l'eau chaude avec la température requise dans plusieurs applications individuelles, collectives, industrielles et tertiaires. Cependant, une sérieuse problématique d'ajustement, d'intégration et de transfert technologique devrait être envisagée avant d'importer les CES à capteur ETC munis de caloduc sur le marché marocain auprès de pays fournisseurs tels que la Chine, l'Espagne, l'Allemagne et la Turquie considérés comme des leaders internationaux dans le domaine des CES. Car en effet, les CES importés au Maroc ont présenté des modes de défaillances thermomécaniques après une courte période d'utilisation, comme le dépôt de calcaire à l'intérieur des ballons de stockage, la corrosion et la fissuration de leur coque interne...Prendre en considération la problématique d'ajustement, de l'intégration et du transfert technologique des CES au marché marocain est nécessaire, étant donné que les conditions d'utilisation diffèrent d'un pays à un autre en termes de conditions climatiques, qui peuvent être résumées par l’amplitude de l’irradiation solaire, la température ambiante, la vitesse du vent et le pourcentage de l’humidité dans l'air. Par ailleurs, le profil de consommation aléatoire du consommateur affecte à son tour l'efficacité thermique du champ de capteurs et la fraction solaire globale des CES.L'objectif principal de cette thèse est de mener des simulations numériques et des optimisations qui portent sur les CES, en prenant en compte le contexte technico-économique du Maroc et ses conditions climatiques intrinsèques. Deux approches de simulation ont été utilisées pour atteindre cet objectif. La première approche s’est basée sur des simulations numériques CFD (Computational Fluid Dynamics) instationnaires pour améliorer l'efficacité énergétique des caloducs intégrés dans les ETC et d'augmenter les indicateurs de stratification thermique des ballons horizontaux dans lesquels les caloducs sont immergés. Enfin, d’améliorer la structure du réservoir du CES en utilisant des simulations qui permettent de modéliser un couplage thermomécanique. La deuxième approche est basée sur des simulations dynamiques, qui ont été menées pour évaluer et optimiser la performance énergétique d'un système collectif destiné à produire de l'eau chaude sanitaire (ECS) sous les conditions climatiques de la ville de Fès-Maroc. En effet, plusieurs paramètres ont été considérés, en particulier l'effet du volume du réservoir de stockage, les marques des capteurs, leurs rendements et leurs technologies issues de différents fabricants, et finalement l’effet de la connexion série/parallèle et mixte entre les panneaux solaires (ETC et FPC) qui constituent le champ capteur, etc.

  • Titre traduit

    Simulation and optimization of solar domestic hot water production systems


  • Résumé

    The world market for solar water heaters (SWH) is in great expansion. In fact, SWHs have become a challenging alternative system to gas and electric heating devices, because of their low CO2 emissions and their explicit involvement in the reduction of the building’s electric bills. L’institut de recherche en énergie solaire et énergies nouvelles (IRESEN-Morocco) is actually providing the necessary funding support to promote research and development field of SWHs in Morocco. Hence, in February 2016, SOL’R SHEMSY project has been defined in order to design and commercialize the first SWH integrating Evacuated Tube Collectors (ETC) with heat pipes, under the constraints of being accessible to the Moroccan public users. For the time being, several technologies of solar collectors with different brands are commercialized in Morocco such as flat plat collectors (FPC) and Evacuated Tube Collectors (ETC), besides to thermosyphon and forced circulation SWHs to convert solar energy to thermal energy, in order to produce hot water with the temperature required in several applications (individual, collective, industrial and the tertiary applications). However, a serious challenge of adjustment, integration and technology transfer should be considered before importing SWHs with ETC into the Moroccan market from supplier countries such as China, Spain, Germany and Turkey described as the leading manufacturer of SWH in the world. Indeed, the imported SWHs in Morocco presented thermo-mechanical failure modes after a short period of use such as the limestone deposited inside the storage tanks, corrosion and cracking of their inner shell... Taking into account the challenge of adjustment, integration and technology transfer of SWHs in Morocco is necessary, because the conditions of use differ from one country to another in terms of climatic conditions, which can be summarized in solar radiations, ambient temperature, wind velocity and the percentage of humidity in the air. In addition, the consumer's random consumption profile usually affects the thermal efficiency of the collector field and the overall solar fraction of SWHs.The main aim of this thesis is to carry out numerical simulations and optimizations of SWHs taking into account the techno-economic context of Morocco and its intrinsic weather conditions. Two simulation approaches were used to achieve this purpose. The first approach was based on unsteady Computational Fluid Dynamics (CFD) numerical simulation in order to enhance the efficiency of the heat pipes integrated inside ETCs and to increase the thermal stratification indicators of horizontal thermal storage tanks with submerged heat pipes. Finally, improve the storage tank’s structure using thermo-mechanical coupling simulations. The second approach is based on dynamic simulations, which have been performed to assess and optimize the energy performance of a collective hot water process intended to produce domestic hot water (DHW) under the climatic conditions of Fez city located in Morocco. Indeed, several parameters have been considered, in particular the effect of the storage tank volume, the brands of collectors and their technology from different manufacturers, the connection between the solar panel and the overall surface of the ETC and FPC which constitute the collector field etc.


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