Modélisation globale du CSIS
4.2. PERFORMANCES ANNUELLES DU CSIS 139 même pour les deux systèmes : pour notre cas, le réservoir est divisé en nœuds de même
volume tandis que pour le modèle du thermosiphon la stratification est modélisée par un écoulement piston (se référer à la section 1.3 pour une explication du fonctionnement de ce modèle). Ces différences peuvent donc avoir une influence sur le calcul des pertes. Ainsi, compte tenu d’une plus grande énergie récupérée par le capteur et des moindres pertes, la plus grande quantité d’énergie récupérée pour l’ECS par le système à thermosiphon semble logique.
Influence de la taille de l’installation
Afin d’augmenter l’énergie récupérée au niveau du capteur et de l’échangeur ECS, nous allons augmenter la taille du système en la multipliant par 1,5 et 2. Les paramètres modifiés ainsi que les résultats obtenus en termes de couverture solaire et productivité sont montrée dans la table 4.8.
Nom de la configuration base gd gdp
Largeur (m) 1,5 2,25 3 Surface du capteur (m2) 2 3 4 Volume du stockage (L) 200 300 400 Longueur de l’échangeur (m) 30 45 60 CS (%) 35,8 47,3 55,9 P rod (kWh/m2) 532 467 414
Table 4.8 – Différents paramètres du CSIS avec la valeur de la couverture solaire et de
la productivité
Il est possible de remarquer que plus la taille du système augmente, plus la couverture solaire est importante, ce qui est logique puisque plus d’énergie est captée, stockée et délivrée à l’échangeur ECS qui est également plus grand. En revanche, on constate que la productivité suit une tendance inverse : elle diminue lorsque la taille du système augmente puisque la taille de la surface des capteurs est augmentée. Les énergies annuelles dans différentes parties du système indiquées figure 4.13 permettent de comprendre ce résultat (les valeurs encadrées indiquent l’écart par rapport au cas de base).
Il est intéressant de constater que les énergies dans les différentes parties du système n’augmentent pas dans les mêmes proportions si la taille du système est augmentée : l’énergie récupérée par l’échangeur ECS augmente moins fortement que l’énergie solaire captée, tandis que les pertes augmentent plus fortement que l’énergie captée. Ainsi, les pertes représentent 20,5 % de l’énergie captée dans le cas de base, alors que pour le cas 1,5 fois plus grand elles passent à 24,2 % pour atteindre 28 % pour un CSIS deux fois plus grand que celui de base.
Influence de la position de la zone d’échange
Pour tester la position basse de la zone de chauffe (cas Hbf), nous avons récupéré les codes des modèles développés dans le cadre du projet ANR RenEauSol, et avons spécifié les mêmes paramètres que ceux indiqués dans notre cas (isolation, paramètres de l’échangeur ECS, etc). Par ailleurs, pour tester une position intermédiaire entre notre cas (nommé Hmfm) et le cas chauffé au bas, nous modifions la positions de la zone d’échange dans notre modèle en la plaçant à une position intermédiaire à ces deux configurations.
Figure 4.13 – Energie annuelle récupérée par le capteur, l’échangeur ECS, et perdue vers
l’environnement pour des CSIS de taille différente
Ce cas (dénommé Hif), tout comme le cas Hbf, ont déjà été étudiés par CFD lors de l’étude numérique préliminaire aux expérimentations présentée en section 2.1 (voir figure 2.3). Pour ces deux cas , il n’y a pas de rétrécissement d’épaisseur du canal à sa sortie du fait qu’il n’y a pas d’écoulement inverse observé dans ces configurations (les différents modèles développés ne prennent pas en compte ce phénomène). Ainsi, l’épaisseur du canal est constante à 5 mm.
Pour le cas chauffé tout en bas, la couverture solaire obtenue est de 31,3 %, alors qu’elle est de 33,8 % pour le cas de chauffe en position intermédiaire et de 35,8 % pour le cas de référence (chauffé au milieu). Par conséquent, il est possible de conclure que lorsque la zone chauffée est placée plus haute dans la cavité, la couverture solaire est augmentée.
Influence de l’isolation
Nous allons maintenant faire varier l’isolation de la cavité en l’augmentant, pour voir l’influence de ce paramètre sur la couverture solaire pour les cas avec différentes positions de la zone d’échange. Nous allons réduire de moitié le coefficient global d’échange, qui passe donc de 2 W/(m2.K) à 1 W/(m2.K). Les résultats obtenus sont présentés dans la table 4.9.
CS Hbf Hif Hmfm
U2 31,3 33,8 35,8 U1 33,8 37,1 38,9
Augmentation (%) 8,3 9,8 8,6
Table4.9 – Valeurs annuelles moyennes de la couverture solaire pour différentes positions
de la zone d’apport de chaleur et isolations
Il est tout d’abord possible de constater que pour tous les cas, une meilleure isolation engendre une couverture solaire plus importante, et ce dans les mêmes proportions envi-ron pour toutes les configurations. Aussi, le pourcentage de pertes par rapport à l’énergie solaire captée diminue lorsque l’on augmente l’isolation : elle passe de 20,5 % pour le
4.3. CONCLUSION 141 cas Hmfm avec un coefficient d’échange global de 2 W/(m2.K) à 12 % lorsque le coeffi-cient d’échange global est diminué de moitié. Cette variation se retrouve dans les mêmes proportions pour les autres cas.
La diminution supplémentaire de l’isolation conduit à l’obtention d’une même ten-dance, mais de moins en moins marquée : pour un coefficient d’échange global de 0,5 W/(m2.K), la couverture solaire n’augmente que 2,3 % par rapport au cas avec un coeffi-cient d’échange global de 1 W/(m2.K) pour le cas Hmfm, et elle augmente de 7,5 % pour les cas Hif et Hbf. Néanmoins, pour les cas Hif et Hmfm, le fait d’améliorer la stratification par rapport au cas Hbf conduit à l’obtention de températures en haut de la cavité qui peuvent excéder 100 ℃ à certains moments, pouvant poser problème pour la durabilité du CSIS.
4.3 Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons créé un modèle de la cavité avec plaque de stratification en codant deux types sous le logiciel TRNSYS : un pour le canal couplé à un autre pour la cavité, ce dernier étant basé sur un modèle de CSIS déjà existant. Nous avons constaté que les modèles reproduisent correctement le contenu énergétique de la cavité, mais ne rendent pas l’information en termes de stratification de manière aussi marquée que les résultats CFD ou expérimentaux.
Les modèles codés ont été placés dans une configuration représentant le CSIS complet dans son environnement et selon des conditions d’utilisation définies. La couverture solaire a été estimée à 35,8 % pour une surface de capteurs de 2 m2 et un volume de stockage de 200 L. Dans ce cas, la productivité est de 532 kWh/m2. Il est possible d’augmenter la cou-verture solaire en diminuant l’angle d’inclinaison du CSIS (plus proche de l’horizontale), en augmentant son isolation et la longueur de l’échangeur ECS. Si la taille du système est augmentée, la couverture solaire l’est également, mais la productivité baisse du fait de l’augmentation de la surface du capteur, mais aussi des pertes vers l’extérieur plus im-portante que celle de la récupération de l’énergie par l’échangeur ECS. Par ailleurs, nous avons constaté que le fait de placer la zone d’échange plus haut dans la cavité augmente la couverture solaire par rapport à une position tout en bas.