Les systèmes passifs de chauffage de l’eau

Les systèmes solaires passifs sont considérés comme une solution élégante et performante. Ils comprennent deux types, les systèmes solaires à thermosiphon et les systèmes solaires à stockage intégré [8]-[6].

IV.1.1. Systèmes solaires à thermosiphon

Les systèmes solaires à thermosiphon sont des installations destinées au chauffage de l’eau par l’effet thermosiphon (figure IV.2). Lorsque le collecteur solaire absorbe l’énergie thermique apportée par le rayonnement solaire, la température du fluide caloporteur (eau) augmente et sa densité diminue. L’eau à une température élevée remonte par effet thermosiphon jusqu’au ballon de stockage placé généralement au-dessus de collecteur solaire et remplace l’eau froide contenue dans ce réservoir qui retourne vers le collecteur solaire pour être chauffée et le cycle recommence [8]. Parmi les avantages de ce système on cite l’absence de la pompe de circulation. Par contre l’inconvénient de ce type de système est la dépendance du fonctionnement de la température du fluide, ainsi que la taille du système qui le rend esthétiquement moins attractif [8].

Il existe deux types de ce système solaire, les systèmes à collecteur plan et les systèmes à tube sous vide (figure IV.2).

Figure IV.2. Chauffe-eau solaire : (a) à collecteur solaire plan [201], (b) à tubes sous vide [202]

Beaucoup de recherches ont été menées afin d’optimiser et d’améliorer les systèmes solaires à thermosiphon.

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Paul M. E. Koffi et al. [203] se proposent d’identifier les performances thermiques d’un chauffe-eau solaire à thermosiphon localement fabriqué. L’étude a été réalisée sous le climat de la Côte d'Ivoire et pour deux jours ensoleillé et nuageux. Les résultats obtenus montrent que pour un rayonnement solaire maximal de 1233 W/m² et une température de l’air extérieur de 33 °C (journée ensoleillée), un rendement maximal de 68.33% et une température de l’eau de 88 °C sont obtenus. Alors que pour une journée nuageuse (rayonnement solaire de 300 W/m² et une température ambiante de 27 °C), un rendement maximal de 50 % et une température de l’eau de 58 °C sont obtenus.

Une étude expérimentale et théorique est réalisée par Runsheng Tang et al. [204]. L’effet de la température de l’eau dans le ballon de stockage et la hauteur des connections (tubes) entre le collecteur et le ballon de stockage sur la protection antigel du collecteur solaire et sur l’écoulement inverse pendant la nuit pour un ciel clair est examiné. Les résultats obtenus montrent que la circulation inverse augmente avec l’accroissement de la température du ballon de stockage, du fait de l’élévation de la température de la circulation inverse. Par contre, l’augmentation de la longueur des connexions est favorable pour l’utilisation de la protection antigel. Les réservoirs verticaux sont mieux adaptés que les réservoirs horizontaux. De plus l’utilisation d’un absorbeur avec une couche sélective augmente les performances du système solaire et protège mieux ce dernier du risque de gel.

Soteris Kalogirou [205] a analysé les performances thermiques, économiques et environnementales d’un chauffe-eau solaire à thermosiphon utilisé pour satisfaire les besoins en eau chaude sanitaire d’une famille composée de 4 personnes. Les résultats obtenus montrent que la couverture annuelle des besoins en eau chaude sanitaire est élevée et atteint jusqu’à 79 %. L’influence du type d’appoint est aussi étudiée. Pour un appoint électrique un amortissement de 2.7 ans est obtenu, alors que pour l’utilisation d’un appoint fonctionnant avec le diesel, l’amortissement du système augmente (4.5 ans). Quant’ à l’impact environnemental, une réduction de 70 % des gaz à effet de serre est observée.

Une étude théorique et expérimentale sur le comportement thermique d’un chauffe-eau solaire thermosiphon à échangeur de chaleur interne est réalisée par P.M.E. Koffi et al. [206]. Un échangeur de chaleur en cuivre laminé est placé dans le réservoir de stockage pour assurer un grand balayage du volume de stockage. Les auteurs ont noté que la température à la sortie du collecteur peut atteindre 85.5 °C avec un rendement thermique de 58%.

A. Zerrouki et al. [207] ont conduit une étude expérimentale selon les lignes directrices de la norme CSTG, afin d’évaluer les conditions de test et les performances à longue durée d’un chauffe-eau solaire thermosiphon. L’étude expérimentale est menue au CDER sous les conditions de la ville d’Alger. L’objectif de cette étude est

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d’introduire les bases de la procédure des tests pour les fabricants algériens de ce type d’équipement solaire.

Soteris A Kalogirou et al. [208] ont utilisé la méthode des réseaux des neurones artificiels pour déterminer les performances thermiques d’un chauffe-eau solaire thermosiphon. Pour modéliser ce comportement, les données de quatre chauffes-eau solaires équipés de collecteurs solaires identiques sous différentes conditions climatiques sont utilisées. Les résultats obtenus montrent que le modèle obtenu peut être utilisé avec précision pour l'estimation des performances des chauffe-eau solaires étudiés.

G.L. Harding et al. [209] ont étudié un chauffe-eau solaire thermosiphon à tubes sous vide. L’écoulement thermosiphon est mesuré pour un certain nombre de configurations de systèmes et une large gamme de conditions de fonctionnement.

Soteris A Kalogirou et Sofia Panteliou [210] ont porté leur attention sur la prédiction à long terme des performances d’un chauffe-eau solaire thermosiphon avec la méthode des neurones artificiels. Trente chauffes eau solaires ont été testés et modélisés selon la norme ISO 9459-2 en trois endroits différents de la Grèce. Les résultats montrent que, pour un volume soutiré égal à celui du réservoir ainsi que la quantité moyenne de l’eau chaude mensuelle, le modèle obtenu peut prédire l’énergie utile solaire produite avec une grande précision.

R. Uhlemann et N.K. Bansal [211] ont comparé expérimentalement et théoriquement les performances de deux chauffes-eau solaires thermosiphon, le premier sous pression et le deuxième à pression normale. Les mesures montrent que ce dernier est plus performant que le premier. L’énergie utile produite à partir des deux systèmes est respectivement de 3.06 kWh et 3.83 kWh par mètre carré de surface avec une efficacité moyenne quotidienne de 41 % et 47 % pour un rayonnement journalier incident de 6.75 kWh/m². L’efficacité à long terme des deux systèmes est de 40 %.

D.E. Prapas et al. [212] ont examiné l’effet du couplage de plusieurs chauffes-eau solaires. Les résultats obtenus montrent l’influence du couplage sur l’augmentation de la température de la stratification dans les réservoirs de stockage ainsi que sur la quantité de chaleur délivrée aux utilisateurs.

IV.1.2. Collecteur solaire à stockage intégré

Dans ce type de système, la surface du réservoir de stockage est utilisée pour capter l’énergie solaire absorbée. Cette dernière est couverte d'une couche sélective afin d’augmenter l’absorption du rayonnement solaire. L’eau chaude est récupérée par la partie haute et l’eau froide est injectée dans la partie basse du ballon de stockage (maximisation de la stratification thermique) (figure IV.3) [8].

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Figure IV.3. Schéma d’un chauffe-eau solaire à stockage intégré [213]

Différentes recherches ont été conduites afin d’améliorer et d’optimiser le comportement thermique de ces systèmes.

K. Devanarayanan et al. [214] présentent dans leur étude les différents paramètres qui influent sur le comportement d’un chauffe-eau solaire à collecteur parabolique utilisant le stockage intégré. Les auteurs montrent que ces systèmes peuvent répondre aux besoins énergétiques des applications thermiques.

Monia Chaabane et al. [215] proposent d’utiliser les matériaux à changement de phase dans le ballon de stockage. Une évaluation par une modélisation CFD est réalisée. Deux modèles numériques ont été proposés, le premier traite le stockage à chaleur sensible et le second porte sur le stockage à chaleur latente. Les résultats obtenus montrent que l’utilisation des matériaux à changement de phase améliore le comportement des ballons de stockage (augmentation du stockage de la chaleur et réduction des pertes thermiques).

Behrooz M. Ziapour et Azad Aghamiri [216] proposent une simulation numérique d’un chauffe-eau solaire à stockage intégré afin d’augmenter les performances thermiques de ce dernier.

L’effet de la position de l’appoint dans le ballon de stockage sur la stratification thermique est étudié par Marie Swiatek et al. [217]. Les résultats obtenus montrent qu’une stratification optimale est obtenue par un chauffage du ballon au milieu avec l’utilisation des plateaux de stratification plus courts. L’augmentation de la stratification est proportionnelle à celle du flux de chaleur et à la diminution de l’angle d’inclinaison du système.

Rakesh Kumar et Marc A. Rosen [218] ont étudié la possibilité d’augmenter les performances de ces systèmes particulièrement pendant la nuit. Un deuxième réservoir de stockage (non exposé au rayonnement solaire) est couplé avec celui exposé au soleil. Les résultats montrent qu’un rapport de volume de 7/3 entre les deux réservoirs est

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optimal. La température maximale de l'eau et l'efficacité sont élevées comparativement à un chauffe-eau solaire conventionnel (équipé d’un seul réservoir de stockage).

C. Garnier et al. [219] ont étudié la température de stratification dans les chauffes-eau solaires à stockage intégré. Un système de forme rectangulaire comportant le collecteur solaire et le réservoir de stockage a été optimisé. Le modèle proposé permet de calculer la variation de température de l'eau dans différentes positions (température de stratification). Une bonne concordance est obtenue entre les résultats de simulation et les données expérimentales.