Modélisation des tuyauteries et du fluide caloporteur
Dans Polysun, les tubes constituent la base d’un modèle hydraulique réaliste du circuit de transfert. Grâce aux paramètres des tubes, Polysun calcule les pertes de charge dans les tubes en fonction de différentes températures. Le choix précis des tubes influence les performances et l’efficacité du système sur toute l’année. Dans Polysun, vous pouvez ajuster les paramètres des tubes et comparer différents scénarios.
Adaptation des paramètres de tuyauterie dans l’ensemble du système
Les dimensions d’un tuyau individuel peuvent être ajustées en double-cliquant sur le tuyau souhaité. Il est alors possible de modifier tous les paramètres, tels que le diamètre, la longueur, le coefficient de résistance, l’isolation thermique et l’épaisseur d’isolation. Le type de tuyau, y compris son diamètre, peut être sélectionné via le catalogue de tuyaux. De plus, l’emplacement d’installation du tuyau peut être défini.
Important : les dimensions des tuyaux influencent la vitesse de la simulation. Si les tuyaux sont sous-dimensionnés, cela entraîne des temps de simulation plus longs.
Pour ajuster plus rapidement plusieurs tuyaux ayant les mêmes dimensions dans un système, on peut utiliser la sélection de tuyaux. Celle-ci se trouve en haut de la fenêtre d’ajustement des tuyaux.
Dans la sélection de tuyaux, tous les tuyaux devant avoir les mêmes dimensions peuvent être sélectionnés. La case « Tout sélectionner » permet de sélectionner directement tous les tuyaux. Les tuyaux sont regroupés selon les circuits logiques du système, par exemple « Circuit consommateur Pompe 1 ». Cela permet d’attribuer plus rapidement les mêmes paramètres aux tuyaux appartenant au même circuit. Le bouton central de la souris permet de déplacer l’arrière-plan afin de rendre visible la numérotation des tuyaux souhaités. Après la sélection des tuyaux, une nouvelle fenêtre d’ajustement des tuyaux s’ouvre, correspondant à la sélection précédente. Le titre de la fenêtre indique le nombre de tuyaux en cours de modification.
Si seuls certains tuyaux doivent être ajustés, ceux-ci peuvent être sélectionnés par un glisser-déposer (drag), puis la fonction « Modifier les paramètres du tuyau » peut être appelée par un clic droit sur un tuyau.
Cela ouvre la sélection de tuyaux, permettant de vérifier la sélection et de procéder à l’ajustement des tuyaux.
Détermination du diamètre des tuyauteries
Les aspects suivants doivent être pris en compte lors de la détermination de l’épaisseur des tuyaux :
- Les tuyaux de grand diamètre ont une grande surface et présentent donc des pertes de chaleur plus élevées
- Les tuyaux à grand diamètre intérieur permettent des débits plus élevés
- Dans les tuyaux plus épais, le fluide s’écoule souvent de manière laminaire, ce qui freine le transport thermique transversal dans le fluide et entraîne ainsi des pertes de chaleur plus faibles
- Les tuyaux plus épais ont un volume plus important (à longueur égale), ce qui nécessite une plus grande quantité de fluide caloporteur et rend le système plus inerte
De ces considérations, on peut déduire que le diamètre du tuyau devrait plutôt être petit et qu’il est déterminé essentiellement par le critère d’une perte de charge appropriée.
Le diamètre et l’épaisseur de paroi des tuyaux sont donnés par un catalogue de tuyaux disponibles dans le commerce (en cuivre et en acier). Pour les tuyaux en cuivre, la spécification 22 x 1 signifie un diamètre extérieur de 22 mm et une épaisseur de paroi de 1 mm. Pour les tuyaux à gaz, le diamètre intérieur est indiqué en pouces (1 pouce = 2,54 cm).
Isolation thermique des tuyauteries
L’isolation thermique des tuyauteries est très importante. De bons matériaux isolants d’une épaisseur appropriée de quelques centimètres garantissent des pertes de chaleur acceptables.
L’épaisseur de l’isolation thermique, ainsi que sa conductivité thermique, peuvent être définies librement. La conductivité thermique et la capacité thermique des tuyaux métalliques utilisés sont également déterminantes pour le comportement thermique des conduites. La longueur totale de la conduite peut être indiquée séparément dans les champs correspondants. Il est important de prendre également en compte dans la simulation des détails tels que la longueur de la conduite à l’intérieur par rapport à la longueur de la conduite à l’extérieur. Pour cela, on définit deux tuyaux séparés, dont l’épaisseur d’isolation et la longueur peuvent alors être saisies séparément.
Dimension des tuyaux
Simulation des pertes dans les tuyaux
Notamment dans les réseaux de chaleur, les pertes thermiques dans les tuyaux dues à la pose enterrée et aux grandes distances ne sont pas négligeables. Pour une simulation réaliste de ces pertes dans les tuyaux, il faut avant tout que les paramètres des tuyaux (diamètre, épaisseur d’isolation et longueur) soient adaptés au système réel.
Une fois que les dimensions des tuyaux sont correctes, les tuyaux du réseau de distribution peuvent être intégrés au réseau de chaleur en marquant les tuyaux souhaités par un glisser-déposer, puis en appelant la fonction « Modifier les paramètres du tuyau » par un clic droit sur un tuyau. Le paramètre « Fait partie du réseau de chaleur » doit être réglé sur « Oui » pour que les tuyaux sélectionnés soient pris en compte dans le calcul des pertes de chaleur.
Une fois les tuyaux intégrés au réseau de chaleur, les pertes de chaleur des tuyaux peuvent être consultées dans les résultats du système, sous la rubrique « Pertes de chaleur du réseau de chaleur (QhlGrid) ». Les pertes de chaleur y sont indiquées mensuellement et sur l’année entière.
Fluide caloporteur, fluide solaire
Les conditions climatiques en Europe centrale exigent que les installations solaires puissent également résister à des températures négatives. Cela rend impossible, par exemple, la production directe de l’eau chaude requise dans le capteur. Si de l’eau du robinet pure gèle dans le capteur, sa dilatation détruit le capteur. L’eau du robinet ordinaire présente en outre l’inconvénient d’entartrer progressivement le capteur.
Pour rendre le fluide caloporteur (fluide solaire) apte à répondre aux exigences mentionnées, de l’eau ordinaire est mélangée avec une certaine proportion de glycol. On utilise à cet effet, dans de nombreux cas, du glycol éthylénique (par ex. Antifrogen L) ou du glycol propylénique (par ex. Antifrogen N) comme antigel. Comme le fluide caloporteur circule dans un circuit fermé, le problème de l’entartrage n’est pas critique.
Rapport de mélange du fluide caloporteur
Plusieurs aspects doivent être pris en compte concernant le rapport de mélange :
- La capacité thermique du fluide diminue avec l’augmentation de la concentration en glycol
- La viscosité augmente avec une proportion plus élevée de glycol (problème de perte de charge)
- Le point de congélation diminue avec l’augmentation de la proportion de glycol
- Le point d’ébullition augmente avec l’augmentation de la proportion de glycol
- Les processus chimiques possibles, en particulier aux jonctions entre différents métaux, doivent être pris en compte
- La résistance thermique du fluide doit être prise en considération
À partir d’une proportion volumique de 33 % (glycol propylénique), respectivement 38 % (glycol éthylénique), le fluide qui gèle ne pose plus de problème, car il ne gèle plus sous une forme cristalline comme la glace, mais prend une structure pâteuse et granuleuse. Il ne peut alors plus exercer d’effet d’éclatement.
Dans Polysun, la concentration en glycol peut être définie. Les propriétés physiques correspondantes sont indiquées pour une température de 50 °C.riétés physiques correspondantes sont données pour une température de 50 °C.
Conclusion concernant les fluides caloporteurs dans une installation solaire thermique
Risque de gel en hiver : S’il faut s’attendre à des températures extérieures inférieures à 0 °C, il convient d’utiliser un antigel (généralement du glycol). Cependant, plus la proportion de glycol est élevée, plus la capacité thermique du fluide est faible. Pour le glycol éthylénique, on utilise généralement une proportion de 38 % (33 % pour le glycol propylénique). Celle-ci garantit que, même en cas de températures négatives extrêmes, le fluide ne gèle que de manière « pâteuse » et ne développe aucun effet d’éclatement à l’intérieur du capteur.
Entartrage de l’installation : Deux aspects doivent être pris en compte ici. D’une part, si des tuyaux de faible diamètre intérieur sont utilisés dans le capteur, l’entartrage peut finir par l’obstruer. D’autre part, l’entartrage peut également devenir un problème dans le ballon de stockage. Ce phénomène est accentué lorsque l’eau est chauffée à des températures supérieures à 60 °C.
Absence de germes dans le ballon de stockage : Si l’eau sanitaire est stockée directement dans le ballon, cela peut favoriser la formation de légionelles. Cela peut être évité en chauffant périodiquement le ballon à plus de 65 °C. Pour les installations d’eau sanitaire avec un taux de couverture solaire annuel supérieur à 50 %, cela est généralement déjà assuré durant le semestre d’été grâce aux températures atteintes naturellement.
Des considérations de coûts entrent naturellement aussi en jeu dans le choix du système. Les échangeurs de chaleur externes sont généralement plus coûteux que les échangeurs internes, nécessitent une pompe supplémentaire, mais atteignent des performances de transfert plus élevées que les échangeurs internes. Les échangeurs externes sont surtout utilisés dans les grandes installations, où le surcoût est compensé par le rendement plus élevé.
Le glycol utilisé comme antigel représente effectivement un facteur de coût. C’est pourquoi on l’utilise en règle générale uniquement dans le circuit du capteur, et non comme fluide de stockage (également en raison de sa capacité thermique plus faible).