Réservoir d’eau chaude
Types de réservoir
En plus du capteur, le réservoir d’accumulation de chaleur est d’une importance décisive pour un système solaire efficace. Étant donné que l’énergie solaire n’est pas disponible en permanence et qu’il arrive parfois que les conditions météorologiques ne permettent pas de tirer de la chaleur du capteur pendant un ou deux jours, le bon choix du réservoir de stockage est crucial. On peut distinguer trois catégories de besoins différents (les différents domaines se chevauchant) :
- Réservoir uniquement pour l’eau chaude sanitaire (taille : 2 fois le besoin journalier = 80-100 l par personne)
- Réservoir pour l’eau chaude et le soutien au chauffage (taille : 100 l par MWh de demande de chauffage)
- Accumulation saisonnière comme un réservoir pour plusieurs mois (réservoir d’eau, réservoir souterrain, etc.)
Pour une maison monofamiliale moyenne avec quatre personnes, cela se traduit par des tailles de réservoir de 300-500 l (eau chaude sanitaire uniquement), 800-1500 l (avec soutien au chauffage) et >30’000 l (accumulation saisonnier). Il existe également des formes combinées dans lesquelles le ballon d’eau chaude sanitaire est intégré dans un ballon plus grand (dit réservoir combi).
Aspects physiques de l’optimisation du réservoir
La quantité d’énergie Q en J nécessaire pour chauffer un fluide caloporteur de masse m en kg avec une capacité thermique cpen J/(kg*K) par une température ΔT en K est calculée comme suit : \(Q = m \cdot c_{p} \cdot \Delta T\).
Cependant, il faut également tenir compte de la répartition de la chaleur dans le réservoir: normalement, l’eau est stratifiée en fonction de différentes températures. En haut, là où l’eau chaude est prélevée, se trouve la strate la plus chaude (eau à faible densité) et en bas la strate la plus froide (eau à haute densité). Cette stratification est souhaitable et on essaie donc de créer le moins de turbulences possible lors du transfert de chaleur vers le réservoir et le prélèvement d’eau.
La détermination de la taille du réservoir est un exercice d’équilibre dans lequel il faut évaluer plusieurs aspects contradictoires :
- Un grand réservoir a une grande capacité de stockage
- Un grand réservoir a besoin de beaucoup d’énergie pour être « rechargé »
- Plus la température est élevée, plus grande est la quantité d’énergie stockée
- Plus la température est élevée, plus grandes sont les pertes de stockage
En gros, on essaie de maintenir la quantité d’eau pour la consommation d’une journée à la bonne température (ou à quelques degrés au-dessus), et sinon de maintenir le réservoir à une température plus basse. Ainsi, la disponibilité de l’eau chaude (couverture) est toujours garantie et les pertes du réservoir sont minimes. Cependant, pendant les mois d’été, le réservoir de stockage peut également être « surchargé ». L’énergie solaire étant de toute façon disponible en quantité suffisante à ce moment-là, on peut accepter des pertes du réservoir plus élevées. Le point décisif est que les phases de mauvais temps peuvent également être surmontées. Comme le réservoir peut être chauffé jusqu’à 95 °C (voire 100 °C) et que l’eau n’est mélangée à de l’eau froide à la température souhaitée qu’au moment du prélèvement, plusieurs jours peuvent être pontés de cette manière.
Dimensionnement des réservoirs combi
Les réservoirs combi sont utilisés lorsque l’eau chaude sanitaire et le chauffage des pièces doivent être produits par un système solaire thermique. Comme le circuit de chauffage et le circuit de l’eau potable ne doivent pas être mélangés pour des raisons d’hygiène, le réservoir d’eau potable (chaudière) est intégré au réservoir principal dans le réservoir combi. Cela présente trois avantages essentiels :
- La surface du réservoir peut être réduite (uniquement la surface du réservoir principal) et les pertes de chaleur sont donc minimes.
- Le réservoir de l’eau chaude sanitaire, qui nécessite généralement des températures plus élevées que le réservoir de chauffage, peut être placé dans la partie supérieure, plus chaude, du réservoir principal.
- L’augmentation de la consommation d’eau chaude ne conduit pas à des turbulences dans le réservoir principal. Ainsi la stratification est mieux maintenue.
Le principe du réservoir combi est similaire à celui d’un chauffe-eau instantané. L’eau chaude sanitaire est canalisée à travers le réservoir principal dans un système de tuyauterie séparé et chauffée dans le processus. Pour que cet échange de chaleur soit le plus efficace possible, le réservoir interne doit avoir des parois aussi fines que possible et être composé d’un matériau ayant une bonne conductivité thermique.
Le réservoir interne est avantageusement placé dans la moitié supérieure du réservoir principal (5-10 cm sous le couvercle de dessus). Sa taille doit correspondre à environ deux fois la consommation journalière.
Les pertes thermiques du raccordement (voir section suivante) peuvent être spécifiées sur la deuxième feuille du dialogue. Les valeurs proposées par Polysun correspondent à des raccords bien isolés et siphonnés.
Dans Polysun (« Designer »), un réservoir peut être recréé de très nombreuses façons.
Lorsqu’un nouveau réservoir est sélectionné, une nouvelle entrée de catalogue est créée. Quand vous créez un nouveau réservoir à l’aide de la boîte de dialogue de sélection des réservoirs, des composants par défaut sont définis pour les éléments internes (échangeur thermique à serpentin, dispositif de stratification, chauffage d’appoint, etc.) La sélection des éléments internes réels se fait dans le catalogue du réservoir, ce qui peut nécessiter la création de nouvelles entrées dans les catalogues pour les éléments internes.
La vue d’ensemble suivante montre quelques choix à titre d’exemple :
Modèle de réservoir et son dimensionnement
La hauteur de la partie cylindrique du réservoir, le convexité et le volume sont déterminants pour le dimensionnement. Le diamètre résulte de ces trois valeurs. La hauteur du réservoir ne signifie pas la hauteur totale, y compris l’isolation thermique, mais uniquement la hauteur du cylindre.
Le contenu d’un réservoir est divisé en douze couches isothermes. Le contenu fluide des convexités est ajouté à la strate la plus basse ou la plus haute, ce qui rend leurs volumes plus grands que ceux des strates deux à onze. Les strates chaudes se diffusent vers le haut et les strates froides vers le bas en raison des différentes densités. Le transfert de chaleur par conduction a lieu aux frontières. Le mélange convectif est négligé.
Les composants internes au réservoir sont représentés de manière imagée, mais ne sont pas positionnés correctement sur le plan visuel. L’information sur la position en pourcentage dans le catalogue du réservoir est déterminante.
Un maximum de dix raccords est disponible pour un réservoir. Le positionnement se fait en pourcentages, mesurés à partir du bas du cylindre. (Attention : pas depuis le fond du réservoir). Les raccords sont également numérotées en partant du bas à gauche vers le haut et en continuant du bas à droite vers le haut. La simulation ne permet pas d’utiliser des buses ouvertes et non reliées. Les fluides entrants doivent pouvoir être évacués par d’autres raccords.
Six échangeurs thermiques en serpentin sont disponibles pour un réservoir. Trois échangeurs thermiques en serpentin peuvent être insérés à l’intérieur des réservoirs de gauche et de droite. Cette variante est illustrée à la figure suivante. La hauteur des échangeurs thermiques en serpentin est indiquée en millimètres dans le catalogue » Échangeurs de chaleur » et le positionnement dans le réservoir en pourcentages du bord supérieur du serpentin à la face inférieure du cylindre.
Les trois éléments internes « réservoir », « tube » et « échangeur thermique en serpentin » sont définis comme indiqué sur la figure du haut. Les positions un à trois sont disponibles à cet effet, qui peuvent être remplacées par les trois objets souhaités. Le volume d’un réservoir interne est déterminé par sa surface et son positionnement. La hauteur interne du réservoir est calculée en utilisant les informations de position.
Un maximum de quatre lances stratifiées sont disponibles, disposées et numérotées consécutivement de gauche à droite. Seul le positionnement est déterminé dans la mémoire du catalogue, les dimensions dans le catalogue « dispositif de stratification ».
Isolation thermique et pertes aux raccords
La planification des unités d’accumulation saisonnières dépend fortement des possibilités d’isolation thermique et de la mesure dans laquelle la chaleur perdue de l’unité d’accumulation profite encore au chauffage des pièces (par exemple, parce que le réservoir est située au milieu de la maison). En termes de pertes du réservoir, un grand réservoir est plus favorable qu’un petit, car le rapport entre la surface et le volume est d’autant plus faible que le réservoir est grand (pour les mêmes proportions).
En général, on utilise une isolation thermique d’une épaisseur de 15 à 30 cm (avec un coefficient de conductibilité thermique de l = 0,04 W/m/K). Le couvercle de dessus peut lui-même être encore plus épais, car c’est là que se trouve l’eau la plus chaude. Le couvercle du bas, en revanche, peut être très fin. Dans certains cas, il est même intéressant d’omettre l’isolation thermique de la face inférieure afin que la chaleur environnante contribue à réchauffer l’eau froide.
Ces différents aspects doivent être pris en compte lors de la planification d’un système. Les caractéristiques particulières de l’entrée de chaleur (du capteur et du chauffage d’appoint) et de la sortie de chaleur (consommation d’eau chaude et de chauffage) sont cruciales. Dans Polysun, le dialogue du réservoir pour déterminer les variables pertinentes se présente comme suit :
Pour modifier les propriétés du réservoir (par exemple le volume), le catalogue des réservoirs de stockage peut être ouvert en double-cliquant sur le symbole du catalogue à côté du réservoir. Il est maintenant possible de sélectionner un autre réservoir ou de copier et d’adapter le réservoir actuel (uniquement possible à partir du niveau Professionnel). Les » déperditions des raccords » concernent le fait que les tubes de et vers le réservoir peuvent être la source de déperditions thermiques considérables. Par exemple, l’eau chaude monte constamment dans le tube de raccordement d’eau chaude (à l’arrêt), s’y refroidit et redescend dans le réservoir. Cela peut causer des pertes de chaleur significatives. Il existe deux approches pour résoudre ce problème :
Siphonnage des tubes et isolation thermique des raccords : Un coude descendant est installé immédiatement après que l’eau quitte le réservoir. L’eau qu’il contient se refroidit, mais reste dans le tube à cet endroit et empêche ainsi la poursuite de l’échange d’eau chaude. Dans le catalogue du réservoir, vous pouvez choisir si et dans quelle mesure le raccordement a été siphonné et isolé. Les pertes aux raccords définies dans le catalogue des brides sont déterminantes pour la simulation.
L’importance des pertes aux raccords dépend également de la température de la pièce du réservoir. Cela peut également être spécifié dans le projet au site. Les valeurs indiquées s’appliquent à des raccords bien isolés et siphonnés. Si ces mesures ne sont pas prises, les pertes aux raccords sont environ 10 fois plus élevées.
Chargement du réservoir
Afin de transférer la chaleur du capteur vers le réservoir de manière aussi efficace que possible, différents concepts sont réalisés :
- Échangeur thermique interne : Le fluide est pompé à travers une serpentine, qui est située à l’intérieur du réservoir. Le tube en forme de serpentin doit avoir une épaisseur de paroi assez faible, une grande surface (extérieure) (par exemple, grâce à des ailettes thermiques) et être fabriqué dans un matériau qui conduit bien la chaleur (par exemple, le cuivre). La chaleur est transférée au fluide dans le réservoir par convection (libre sur un côté).
- Echangeur annulaire : Le fluide circule autour du réservoir à travers l’échangeur annulaire. La chaleur est transférée au fluide dans le réservoir par convection (libre unidirectionnelle).
- Échangeur thermique externe : Les fluides du capteur et du réservoir sont conduits à proximité l’un de l’autre dans un échangeur thermique (plaque à contre-courant) et échangent de la chaleur par le biais de fines ailettes qui séparent les deux fluides. Il s’agit d’une méthode d’échange de chaleur très efficace qui permet, en fonction de la capacité d’échangeur thermique, des conditions de température et des débits, de transférer jusqu’à 99 % de l’énergie thermique d’un fluide à l’autre. En règle générale, il y a également une pompe de circulation sur le côté du réservoir d’échangeur thermique. Après l’échange thermique, le fluide est déchargé dans le réservoir par l’une des deux variantes suivantes :
- Entrée directe dans le réservoir : Le fluide caloporteur est prélevé directement du réservoir ou introduit.
- Entrée par dispositif de stratification : A l’intérieur du réservoir se trouve un tube vertical en forme de flûte avec une douzaine d’ouvertures qui sont couvertes de l’extérieur par des clapets librement mobiles. Le fluide monte à l’intérieur du tube jusqu’à ce que sa densité soit supérieure à celle du point correspondant dans le réservoir et en sort. Ainsi, le fluide est « déposé » exactement au point où il a la même température que le fluide du réservoir. Cela garantit une stratification optimale dans le réservoir. Le dispositif de stratification des lances avec échangeur thermique interne n’est pas encore inclus dans Polysun. Leur simulation s’effectue via un échangeur thermique à plaques externe, comme le montre la figure 22. Un débit fixe doit être sélectionné pour la pompe de manière à obtenir un débit équilibré (\(m_{1} \cdot {cp}_{1} = m_{2} \cdot {cp}_{2}\)).
Il existe également des cas où deux échangeurs thermiques sont utilisés, un en haut et un en bas du réservoir. En fonction du rayonnement solaire et de la température dans le réservoir, l’énergie est ensuite utilisée pour préchauffer de l’eau (uniquement l’échangeur thermique du bas) ou pour produire de l’eau chaude sanitaire (les deux échangeurs thermiques).
Prélèvement d’eau du réservoir
Pour le prélèvement de la chaleur du réservoir, il existe deux stratégies :
- Prélèvement direct du réservoir : L’eau chaude est prélevée directement du réservoir et adaptée à la température désirée par une vanne de mélange avec de l’eau froide (si la température supérieure du réservoir est trop élevée).
- Échangeur thermique interne : La chaleur est prélevée dans le réservoir via un échangeur thermique en serpentin. L’eau chaude est adapté a la température désirée via une vanne de mélangeuse avec l’eau froide.
- Échangeur thermique externe : La chaleur est prélevée du réservoir via un échangeur thermique à plaques. Le contrôle du débit doit être réglé de manière à ce que l’eau chaude produite soit juste à la température désirée.
La décision de choisir un échangeur thermique ou une entrée directe dépend de la conception des circuits de fluide. Il existe des installations dans lesquelles le circuit du capteur et le réservoir fonctionnent avec de l’eau, celles dans lesquelles seul le circuit du capteur fonctionne avec un mélange de glycol et d’eau, et celles dans lesquelles le circuit du capteur et le réservoir fonctionnent avec un mélange de glycol et d’eau.