Modèle de capteur selon la norme européenne (EN)
L’évolution d’efficacité d’un capteur est représentée par la « courbe de l’efficacité ». La différence de température (entre la température moyenne du capteur Tm et la température extérieure Ta) divisée par la quantité totale d’énergie rayonnée Gk est utilisée comme variable : \(x = \frac{(T_{m} – T_{a})}{G_{k}}\).
Il en résulte l’image suivante pour un capteur plan à vitrage normal :
Cette courbe peut être bien décrite par un polynôme du second ordre. Celle-ci est déterminée uniquement par trois paramètres, c0, c1 et c2 (ou par η0, a1, a2 ; valeurs mesurées à des vitesses de vent de 2-4 m/s) :
\(\eta(x) = \ c_{0} – \left( c_{1} \cdot x \right) – (c_{2} \cdot G_{k} \cdot x^{2})\)
c0 est l’efficacité lorsque la température moyenne du capteur et la température extérieure sont identiques. Cette valeur doit donc être la plus élevée possible. c1 et c2 expriment une combinaison des différents facteurs de perte. Avec un collecteur bien isolé, ces valeurs sont aussi basses que possible.
Pour le fonctionnement d’un système solaire, il faut maintenant faire un certain compromis. D’une part, vous voulez pouvoir faire fonctionner le capteur avec la meilleure efficacité possible, et d’autre part, l’eau chaude produite doit avoir une température de 50-60°C. Cela signifie que vous ne pouvez pas éviter de faire fonctionner le capteur à ces températures. Cela signifie que vous ne pouvez pas éviter de faire fonctionner le capteur à ces températures.
Pour ces raisons, il est facile de comprendre pourquoi l’énergie solaire est souvent utilisée comme préchauffeur d’eau pour les grands bâtiments. Lorsque l’eau froide est chauffée de 10°C à 30°C, un collecteur fonctionne avec une efficacité très élevée. En termes d’apport énergétique, il n’y a pas de différence entre une eau chauffée de 10 à 30°C ou de 30 à 50°C. Cela signifie que le rendement des capteurs est le même pour l’eau froide. Ainsi, le rendement des collecteurs est très élevé pendant le préchauffage. Ces systèmes peuvent être rentabilisés après seulement quelques années. Comme mentionné brièvement ci-dessus, il existe trois catégories fondamentales de capteurs. Ils se distinguent, entre autres, par la courbe de l’efficacité :
- Capteurs plats vitrés (couverts) : c0 = 0.75-0.85, c1 = 3-6 W/m2/K
- Capteurs à tubes : c0 = 0.65-0.80, c1 = 1-2 W/m2/K
- Capteurs plans non vitrés (non couverts) : c0 = 0.90-0.95, c1 = 10 W/m2/K
Le graphique montre les modèles les plus puissants de chacun de ces trois types de capteurs :
Une valeur de x = 0.10 m2K/W correspond à une différence de température de
\(T_{m} – T_{a} = 80\ {^\circ}C\) . pour un rayonnement de 800 W/m2. Le capteur à tubes présenté ici a encore une efficacité de 60% dans ces conditions de fonctionnement, le capteur couvert a encore une efficacité de 40%, tandis que le capteur non vitré ne peut plus fournir ces températures.
Modèle de capteur pour les capteurs non couverts
Selon la nouvelle norme de mesure (EN 12975), les capteurs non couverts disposent d’un paramètre supplémentaire. La courbe de fonction de l’efficacité se présente sous la forme suivante :
\(\eta = \eta_{0}*\left( 1 – b_{u}*u \right) – \frac{\left( b_{1} + b_{2}*u)*(t_{m} – t_{a} \right)}{G »}\)
Les coefficients η0, bu, b1 et b2 sont à déterminer par l’ajustement d’une courbe. G » est l’éclairement énergétique incident total, qui est déterminé par l’équation suivante :
\(G^{ »} = G_{k} + (\frac{\varepsilon}{\alpha})(E_{L} – \ {\sigma T}_{a}^{4})\)
EL est le rayonnement à ondes longues mesuré dans le plan des capteurs et Ta est la température extérieure. Pour ε/α, réglez 0,85, sauf indication contraire du fabricant.
Paramètres d’entrée
Outre la surface absorbante A, les paramètres d’efficacité c0, c1 et c2 et les valeurs IAM KCH1 et KCH2, les paramètres pertinents qui décrivent les performances d’un capteur comprennent également la capacité thermique spécifique du capteur. Ce dernier paramètre exprime l’importance de l' »inertie thermique » du capteur : si un capteur a une grande capacité thermique, il faut plus de temps pour qu’une certaine quantité de rayonnement solaire chauffe le capteur. D’autre part, le collecteur dégage toujours de la chaleur vers le fluide lorsque le soleil est simplement masqué par un nuage. Un capteur ayant une faible capacité thermique réagit plus rapidement aux variations de rayonnement.
Dans de nombreux cas, l’orientation du capteur est prédéterminée par l’inclinaison du toit et l’orientation du pignon. Tout au plus, la question se pose de savoir si le capteur doit être orienté vers l’est ou l’ouest (si l’orientation sud n’est pas possible) ou si un capteur doit être intégré à la façade. En revanche, avec les toits plats, l’orientation et l’inclinsaison peuvent être choisis librement. En particulier, la question se pose de savoir à quel angle le rendement annuel optimal peut être atteint. D’avance, il n’y a pas de réponse claire à cette question. L’orientation optimale peut varier considérablement en fonction de la consommation d’eau, de la taille du réservoir, du climat et de nombreuses autres conditions limites.
Le dialogue suivant est disponible dans Polysun pour sélectionner l’orientation :
Entrée de la base de données des collecteurs dans Polysun selon la norme européenne
Tableau: Base de données des capteurs selon la norme européenne
| Type de capteur : | Le chapitre 4.1 décrit deux modèles de calcul de l’efficacité des capteurs. Avec l’entrée « Capteur plan ou à tubes » le modèle standard avec les valeurs eta0, A1 et A2 compte, avec « Non vitré » le modèle de capteur non couvert avec les valeurs b0, b1, b2 et Epsilon/Alpha. |
| Eta0 laminaire (1) ; bu : | « Eta0 laminaire » est l’efficacité du capteur fonctionnant à température extérieure et dans des conditions de débit laminaire. « bu » est le coefficient de réduction du vent pour les capteurs non couverts. |
| Eta0 turbulent : | L’efficacité du capteur exploité à température extérieure et dans des conditions de débit turbulent. |
| A1 (sans vent) (2) ; b1: | Coefficient A1 pour les capteurs plans et à tubes, ou b1 pour le modèle de capteur non couvert. |
| A1 (avec vent) ; b2 : | Coefficient A1 pour les capteurs plans et à tubes, ou b2 pour le modèle de capteur non couvert. |
| A2; Epsilon/Alpha (3) : | Coefficient A2 pour les capteurs plans et à tubes, ou Epsilon/Alpha pour le modèle de capteur non couvert. |
| Capacité thermique dynamique (4) : | Valeur calculée selon la norme européenne EN 12975-2, Section 6.1.6.2 |
| Nsis-Axis : | L’orientation (passage des tubes à 90° d’élévation horizontale ou verticale) pour les capteurs à tubes. Généralement non pertinent pour les capteurs plans. |
| Modèle IAM : | Pour l’interpolation des capteurs plans, on applique le « modèle d’Ambrosetti », décrit au chapitre 1.3. Les capteurs à tubes sont interpolés avec une spline cubique. |
| Facteurs d’angle (5) : | Les données IAM sont lues via un tableau. L’azimut φ et l’élévation θ sont décrits au chapitre 1.3. |
| Volume : | Valeur mesurée du volume de fluide dans le capteur, y compris les tubes de collecte. |
| Diamètre intérieur : | Diamètre intérieur des tubes de transfert thermique dans le capteur. C dans la figure 54. |
| Longueur d’un tube (6): | La longueur d’un tube de transfert thermique dans le capteur. A dans figure 54. |
| Canalisations parallèles : | Nombre de tubes parallèles dans le capteur. 5 dans la figure 54. |
| Rugosité du tube : | Facteur de rugosité à l’intérieur. |
| Facteur de forme linéaire : | Le facteur de forme d’un tube est de 1 à 1,5 en fonction du rayon de courbure. Pour les tubes droits : 1. |
| Facteur de correction de résistance : | Le coefficient de résistance fait référence aux pertes de pression dans les branches, les vannes, etc. S’il n’est pas mesuré, il est mis à zéro. |
| Débit en test (7) : | Débit du fluide pendant l’essai. En l/h et capteur. |
Les valeurs de Eta0 laminaire à et avec A2 se réfèrent à la surface d’ouverture du capteur et sont déterminées pour une intensité de rayonnement de 800W/m2.
(1): Si aucune information concernant Eta0 laminaire n’est disponible, Eta0 turbulent = Eta0 laminaire.
(2): Selon la nouvelle norme, le coefficient a1 mit Wind est calculé avec une vitesse de vent de 3m/s. Le paramètre d’efficacité c1 donne les résultats suivants :
\(c_{1} = a_{1\ sans\ vent} + \frac{\left( a_{1\ avec\ vent} – \ a_{1\ sans\ vent} \right)}{(3\ m/s)} \cdot \ v_{vent} \cdot \ Taux\ de\ vent\)
Si a1 sans vent n’est pas explicitement indiqué, choisissez a1 sans vent 10% plus petit que a1 avec vent pour les capteurs plats et 5% plus petit pour les capteurs à tubes.
(3): Réglez epsilon/alpha = 0,85, sauf indication contraire du fabricant.
(4): La norme européenne (EN) 12975-2 prescrit deux méthodes pour calculer la capacité thermique dynamique : dans l’annexe G, une valeur mesurée et dans la section 6.1.2.1, une valeur calculée. La valeur calculée est généralement beaucoup plus petite que la valeur mesurée. La géométrie du collecteur n’est pas prise en compte. Malgré la plus grande crédibilité de la valeur mesurée, la valeur calculée est utilisée dans la pratique et dans Polysun.
(5): Les tableaux de facteurs d’angle ne peuvent pas encore être entrés par l’utilisateur. Lors de la création d’une entrée de collecteur, un collecteur avec un IAM similaire doit être copié.
(6): Si aucune information n’est donnée, mesurable ou apparente, indiquer la largeur ou la longueur de l’absorbeur.
(7): Débit en test, Max. débit, max. pression et la température maximale n’ont aucune influence sur le calcul jusqu’à nouvel ordre.
