Etude du Comportement Thermique d’une Installation de Chauffage d’Eau Collective

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Etude du Comportement Thermique d’une Installation de Chauffage d’Eau Collective

S. Sami ¹, D. Lafri ¹, A. Hamid ² et M. Belhamel ¹

1Centre de Développement des Energies Renouvelables, B.P. 62, Route de l’Observatoire, Bouzaréah, Alger 2 Institut de Génie Mécanique, Université de Blida, Algérie

Résumé – L’objet de ce travail est le dimensionnement et l’expérimentation d’une installation de chauffage d’eau collectif. L’installation se compose d’un champs de capteur plan constituant l’élément convertisseur de l’énergie solaire en énergie thermique, une cuve de stockage d’une capacité de 400 litres avec un échangeur immergé à l’intérieur. La circulation de l’eau est assurée par un circulateur groupe GT1 qui comporte le circulateur, la régulation différentielle, le clapet anti-retour et le vase d’expansion.

L’expérimentation a été effectuée au niveau du site de Bouzaréah (CDER). Les paramètres mesurés sont l’éclairement solaire; les températures entrée et sortie du champ de captage et les différentes températures dans la cuve de stockage.

Abstract - The purpose of this work, is the design and the experimentation of a collective water heating system. This system is composed of a flat plates solar collectors system, which are the elements that convert the solar energy into the thermal energy, a storage tank, which has a 400 l capacity, equipped with a spiral heat exchanger inside. An accelerating pump device is used to ensure the water circulation and regulation in the tubing. This device is composed of an accelerating pump, a differential regulation, a non-return valve and an expansion chamber. The experimental study has been undertaken in the Bouzaréah site (CDER). It consists of the measurement of the solar lighting; the collectors input and output temperatures and the various storage tank water temperatures.

Mots clés: Energie solaire - Température de l’eau - Cuve de stockage - Capteur solaire.

1. INTRODUCTION

L’Algérie est un pays potentiellement intéressant pour l’exploitation de l’énergie solaire. Il dispose en effet sur un territoire d’un gisement solaire considérable. Il est donc du plus grand intérêt pour un pays comme l’Algérie de pouvoir estimer les potentialités offertes par un tel type d’énergie et d’identifier les moyens de s’en servir et l’intégrer dans la stratégie de la politique énergétique du pays.

Une des applications les plus intéressantes de l’énergie solaire, le chauffage de l’eau solaire est actuellement l’application la plus rentable de cette énergie et donc celle qui a la plus grande chance de se développer à court terme.

L’objet de notre travail consiste à dimensionner l’installation en premier lieu, la réalisation en second et enfin effectuer quelques tests afin d’étudier les performances thermiques de l’installation.

2. DIMENSIONNEMENT 2.1 Calcul du nombre de capteurs

Sachant que plus le volume de stockage est important, meilleur est le rendement global de l’installation, et constatant que les rendements chutent rapidement au-dessous de 75 litres/m² et ne croissent pratiquement pas au- delà de 100 litres/m², on choisit la valeur du ratio Ra qui est défini comme étant le rapport entre la capacité de l’eau à chauffer par la surface totale de capteur, dans l’intervalle [75 l/m²-100 l/m²]. La valeur prise dans les calculs est Ra = 85 litres/m². Le nombre de capteurs est calculé par l’expression [1].

C C

A Ra N = C

avec C = 400 Litres (capacité d’eau à chauffer) et AC = 1,5 m² (surface effective d’un capteur).

2.2 Calcul du circuit de distribution

Le débit est un paramètre très important dans l’étude des installations de chauffage d’eau collectif. On retient couramment comme valeur du débit Qc = 70 litres/h/capteur [1, 2]. Le branchement des capteurs est considéré en série, le débit total du circuit primaire sera :

Qt = QC . NC

2.2.1 Calcul des pertes de charges dans le champs des capteurs

Les variations de pression dans un circuit hydraulique peuvent être inhérentes soit à un changement de position (élévation) et/ou à un changement de vitesse (variation de la section) et aux forces de frottement visqueux. Pour étudier les pertes de charges, il convient de distinguer :

• les pertes de charges linéaires HL

• Les pertes de charges singulières HS

2 V D L H g

2

L λ

= 2

V H g

2

S ξ

= La charge totale sera désignée par [4] HT = HL +HS

( )

( )

0 I

T T i

2 4 2

2T T 1

N 1 I

T 4 TT

T N I

N D g

Q I 8

N N D g

LQ 8

H 12

∑ ∑

=

−

=

− π ξ

+ π −

= γ

-

λ

µ

= ρVD Re

- ξ : Coefficient de perte de charge singulière [5]

2.2.2 Calcul de l’échangeur

On utilisera les formules suivantes : [1, 4]

- La surface de l’échangeur :

3 N S= A^{C C}

- La longueur de l’échangeur est :

(

)

L S

E =π I+ - la vitesse de l’écoulement dans l’échangeur est : ₂

I E T

D Q V 4

=π - Le nombre de spires dans l’échangeur est :

S

S DE

N L

= π

- La hauteur de l’échangeur est : H_E =

(

) (

)

2.2.3 Calcul des pertes de charges dans l’échangeur La charge s’écrit comme étant : [3]

D V L D

Re D 243 . Re 0

32 .

H 0 ^{2 S}

398 . 0 S

se ρ















 



= 

2.2.4 Calcul de la cuve de stockage

On calcule la hauteur de la cuve comme suit : [4]

21000 DC

C 4 HC

= π

3. ETUDE EXPERIMENTALE 3.1 Description du banc d’essai

L’installation est composée de deux parties distinctes :

Champ de captage : Il est composé de capteurs de production locale. Chaque capteur a une surface de 1,2 m² et est constitué d’une plaque noire en aluminium de faible épaisseur montée sur un radiateur de 9 tubes. Ces capteurs sont montés sur une surface inclinée à la latitude du site.

Cuve de stockage : Elle est de capacité de 400 litres, dans laquelle un échangeur est immergé à l’intérieur.

La circulation de l’eau est assurée par un circulateur à trois vitesses.

Caractéristiques de l’installation

Capacité 400 litres

Nombre de capteurs 4

Débit 70 litres / h m²

Volume du circuit primaire 7,5 litres Caractéristiques de l’échangeur

Longueur ( m ) 34,12

Diamètre 12 / 14

Vitesse ( m/s ) 1,2

Caractéristiques de la cuve de stockage

Capacité 400 litres

Hc ( m ) 1,2

Hec ( m ) 0,74

L1 ( m ) 0,17

Dec ( m ) 0,40

Dc ( m ) 0,65

Vue de l’installation 3.2 Les paramètres mesurés

Les différents paramètres mesurés sont : - L’éclairement solaire;

- Le débit massique;

- Les différentes températures du champ de captage et dans la cuve de stockage.

Les paramètres météorologiques, tels que la vitesse du vent et la température ambiante sont calculés au niveau du CDER.

Mesure des températures

Pour la mesure des températures de l'eau dans la cuve nous avons utilisé des thermocouples de type k (chromel-Alumel), du nombre de 35 que nous avons placé à différents endroits du champs de captation et dans la cuve de stockage.

Vue de la tige placée dans la cuve de stockage

Mesure du débit massique

Nous avons utilisé un débitmètre digital, la valeur du débit est constante et vaut 300 l/h.

Vue du débitmètre Mesure de l’éclairement

Vue du pyranomètre

3.3 Résultats et conclusion

Les tests ont été effectués au niveau du Centre, site qui présente les caractéristiques suivantes : Latitude : 36° 8 Altitude : 345 m

Longitude : 3° 12 Albédo : 0,2

Les journées de mesure sont à ciel clair, afin d’éviter de perturber les systèmes, les résultats expérimentaux présentés sont de la journée du 31/08/99 avec un pas de temps de 15 minutes.

8 10 12 14 16 18

Temps (heures) 0

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Eclairement solaire (W/m²)

Fig. 1: Evolution de l’éclairement pour la journée du 31/08/99

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Temps (heures)

20 30 40 50 60 70

Température (°C)

Entrée Sortie

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 Temps (heures)

20 30 40 50 60 70 80

Température (°C)

H=12 cm H= 48 cm H = 84 cm

Fig. 2: Evolution des températures entrée et sortie journée du 31/08/99

Fig. 3: Profil des températures dans la cuve de stockage à différentes hauteurs (31/08/99)

4. INTERPRETATION

La figure1 représente l’évolution de l’éclairement solaire durant la journée du 31/08/99, de 8 h 21. A 18 h 21, on voit bien que la journée est à ciel clair et la courbe à l’allure d’une cloche qui atteint son maximum à 13 h heure locale.

La figure 2 représente l’évolution des températures entrée et sortie du champ de capteurs durant la journée du 31/08/99, et ce de 8 h 21 à 18 h 21.

L’écart entre les températures entrée et sortie est presque uniforme. Sa valeur atteint les 10°C (de 10 h 10 à 15 h 10), par contre en début de fonctionnement et en fin de journée les courbes se confondent parce que le système est à l’arrêt. Ces deux paramètres sont essentiels pour déterminer les performances du champs de captation.

La figure 3 représente les évolutions de la température à différentes hauteurs dans la cuve de stockage. (h = 12 cm, h = 48 cm, h = 84 cm) durant toute la journée du 31/08/99. Le pas de temps est de 15 minutes. Les courbes ont la même allure et chacune d’elles représente deux phases à savoir :

Phase 1: Phase de charge, la température dans la cuve augmente considérablement et sa courbe représente une droite avec une très importante pente (la température augmente d’environ 40 °C).

Phase 2: Le système en fin de journée étant à l’arrêt, la température est relativement élevée et tend à se stabiliser. L’évolution est une droite de faible pente négative, ceci est du aux pertes thermiques vers l’extérieur.

5. CONCLUSION Cette expérience nous a permis de :

- Acquérir une expérience pour la réalisation des installations solaires collectives;

- Recueillir de nombreuses informations sur le fonctionnement de l'installation;

- Avoir une base de données pour la validation de différents modèles;

- Amélioration de la précision de notre modèle numérique en agissant sur les différentes hypothèses simplificatrices et sur le choix des différents coefficients de transfert utilisés.

NOMENCLATURE

ρ : masse volumique du fluide [kg/m³] VE : vitesse de l’échangeur [m/s]

L : longueur de la conduite [m] NS : nombre de spires de l’échangeur D : diamètre intérieur de la conduite [m] DS : diamètre de la spire [m]

V : vitesse de l’écoulement [m/s] HE : hauteur de l’échangeur [m]

g : gravitation terrestre [m/s²] H : perte de charge de l’échangeur [mbar]

DI : diamètre intérieur de l’échangeur [m] LS : longueur du serpentin [mm]

e : épaisseur de l’échangeur [m] Dse: diamètre du serpentin [mm]

LE : longueur de l’échangeur [m ] S : surface de l’échangeur [m²]

REFERENCES

[1] T. Cabirol et D.Roux, ‘Chauffage de l’Habitat et Energie Solaire’, Edisud, 1984.

[2] M. Chateauminois, D. Mandineau et D. Roux, ‘Calcul d’Installations Solaires à Eau’, Pyc-Edition, 1980.

[3] AFEDES, ‘Guide des Installations Solaires dans l’Habitat’, Ed. Européennes Thermique et Industrie (EETI) [4] M. Ouzzane et H. Makhlouf, ‘Chauffage Solaire de l’Eau - Installation Collective 1500 litres’, Rapport Interne, 1992.

[5] D. Lafri et K. Larouci, ‘Effet de la Convection Naturelle dans un Chauffe Eau Solaire à Circulation Forcée’, PFE, 1993.