RAPPORT SIMSOL. Installation de production d eau chaude sanitaire collective pour mobil home. AKNOUCHE Amine. BEDJA Walid.

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1 RAPPORT SIMSOL Installation de production d eau chaude sanitaire collective pour mobil home AKNOUCHE Amine BEDJA Walid DRAME Daouda

2 Sommaire I. Introduction p.3 II. Eau chaude sanitaire (ECS) Solaire..p.3 1. Présentation générale d un ECS Solaire..p.3 2. Fonctionnement..p.4 3. Etudes des parties d un ECS Solaire p.4 III. Installation de la production d ECS pour mobil-home à Grenoble.p.6 1. Présentation de la simulation p.6 2. Etude qualitative.p.7 3. Etude quantitative....p.13 2

3 I. Introduction C est durant les dernières décennies que la question d économie d énergie s est posée. L utilisation de l énergie solaire est une des solutions qui ont émergées afin de répondre à cette question. On retrouve son utilisation pour le chauffage de l eau sanitaire, ainsi que pour le chauffage des bâtiments. Le chauffe-eau solaire est un dispositif efficace et performant, qui peut répondre à tout un panel de besoins, allant des besoins individuels à des demandes collectives. Le but de ce projet est de simuler un système d eau chaude sanitaire collectif utilisant l énergie thermique, de traiter les résultats obtenus en fonction des paramètres des différents éléments du système, et d évaluer des performances d un tel système. Nous allons en premier lieu présenter le fonctionnement général d un système d eau chaude sanitaire (ECS), ainsi que les différents éléments le composant, avant de nous attarder sur la production via l énergie solaire. Puis dans un second temps, nous simulerons à partir des différentes hypothèses et données les performances, avant de conclure sur les résultats obtenus. II. Eau Chaude Sanitaire (ECS) solaire 1. Présentation générale d un ECS Solaire Une installation de production d eau chaude sanitaire peut se recouper en quatre parties : - Captage - Transfert - Stockage - Distribution Etapes de fonctionnement d un système ECS Solaire 3

4 2. Fonctionnement Le rayonnement solaire est capté puis convertit en chaleur à l aide d un capteur solaire thermique et de son absorbeur. Cette chaleur est ensuite transmise à un fluide caloporteur qui circule dans le capteur dans un circuit primaire. Ce même fluide ira transmettre cette chaleur à l eau sanitaire via un échangeur thermique. Cette eau sanitaire chauffée sera ensuite stockée dans un ballon solaire, mis en série avec un ballon d appoint, dont le rôle est de palier à un manque d eau chaude et d atteindre la température de consigne. Cette eau chaude sera ensuite utilisée dans le domaine domestique. Schéma d un chauffe-eau solaire avec chauffage d appoint 3. Etudes des parties d un ECS Solaire Captage C est le capteur solaire thermique qui a la tâche de capter le rayonnement solaire et de le convertir en chaleur, puis de le transmettre au fluide caloporteur. L arrière du capteur est composé d un isolant thermique pour éviter les pertes par la face arrière. Pour la face avant, il y a un matériau transparent au rayonnement solaire mais opaque au rayonnement thermique (par exemple le verre). L absorbeur est situé entre ces deux faces. 4

5 Transfert Le transfert de la chaleur entre le fluide caloporteur et l eau sanitaire se fait à l aide d un échangeur. Dans le cas d un système ECS, il y a deux types d échangeurs qui sont utilisés : les échangeurs intégrés au stockage et les échangeurs extérieurs. Dans le cas des premiers échangeurs, le circuit du fluide caloporteur passera au sein du ballon solaire, réchauffant ainsi directement l eau. Dans l autre cas, l échange se fait en dehors du ballon, puis l eau sanitaire ainsi chauffée ira dans le ballon. Stockage Du au caractère discontinu de l énergie solaire, il est nécessaire de stocker l énergie avant de pouvoir la redistribuer, afin de ne pas avoir de discontinuité dans la distribution. C est le ballon solaire qui occupe cette fonction. On retrouvera en complément un système d appoint (que ce soit une chaudière ou un autre ballon). 4. Produire à l aide d un système ECS Solaire Pour qu une installation de ce type soit bien adaptée, il faut tenir compte de plusieurs paramètres. Les besoins en eau chaude Il est plus judicieux d installer un système solaire dans un bâtiment où la demande en eau chaude est constante tout au long de l année. Pour que le système soit bien dimensionné, il faut produire un maximum d énergie dont l origine est solaire. Localisation géographique L ensoleillement local joue sur l efficacité de la production d un système ECS Solaire. Mais le système reste rentable pour tous les climats présents en Europe. 5

6 Implantation des capteurs Les capteurs peuvent s installer sur la toiture d un bâtiment comme sur le sol, il faudra simplement veiller à ce que les rangées de capteurs ne se fassent pas d ombre les unes aux autres. Il faudra aussi veiller à orienter les capteurs vers le sud, pour capter un maximum du rayonnement solaire, et que l endroit soit bien dégagé, afin d éviter le phénomène de masque solaire, dû à l ombre portée des objets environnants. III. Installation de la production d ECS pour mobil-home à Grenoble 1.Présentation de la simulation Nous avons décidé de représenter une installation de production d eau chaude sanitaire au sein d un campement de mobile home à Grenoble (38). A Grenoble, nous observons une consommation énergétique totale de 2400 à 2500 kwh. Consommation totale énergétique selons les régions (source: ASDER) Concernant les besoins en eau chaude sanitaire à 60 C pour notre site, on va se baser sur une consommation de 12l / douche / personne. Nous allons considérer un campement de 150 personnes. 6

7 Consommation quotidienne d eau chaude par personnes à temps plein dans divers bâtiments, pendant la période d été à faible débit. 2. Etude qualitative Voici le schéma synthétique de notre démarche qui nous permettra de choisir nos valeurs : 7

8 La surface des capteurs sera déterminé grâce à la consommation et à l ensoleillement disponible sur le site. A la fin de nos calculs, l objectif est de pouvoir couvrir totalement les besoins. Configuration choisie : Echangeur primaire externe et appoint centralisé séparé en se basant sur les hypothèses générales Inclinaison et surface des capteurs Pour le dimensionnement de nos capteurs, il nous faut environ 1 m² pour 60 litres de stockage. Ainsi, au total, le campement nécessitera un stockage total d au moins 150*12 = 1800 litres d eau. Il nous faudra donc 30 m² de capteurs. 8

9 Echangeur thermique La présence d un échangeur entraîne une baisse du rendement global du système car elle provoque une augmentation de la température de l eau dans les capteurs, et donc une augmentation des pertes thermiques des capteurs d où un choix d échangeur à efficacité élevée. On veillera à ce que cette baisse de rendement ne dépasse pas 5% soit un coefficient de transfert thermique de l échangeur de 100 W/K/m². Pompes - Pompe primaire et secondaire : Les débits de fluide couramment utilisés varient de 40 à 70 l/h par m² de capteur solaire. La puissance du moteur de la pompe (en W) est déterminée par la relation : P = K Q H r g R Avec : Q : débit nominal (m 3 /s) ; H : hauteur manométrique en mètres de colonne d eau, calculée en tenant compte des pertes de charge du circuit et de la nature du fluide caloporteur ; r : masse volumique du fluide caloporteur (kg/m3) ; g : accélération de la pesanteur (9,81m/s2) ; R : rendement de l ensemble pompe/moteur, qui devra être supérieur à 0,8. 9

10 K est un coefficient de surpuissance (sans dimension) compris entre 1,15 et 1,25 pour s affranchir des pertes de charge dues à l entartrage (circuit secondaire) ou à la variation de viscosité du fluide caloporteur (circuit primaire). Nous prendrons des pompes d une puissance électrique maximale consommée de 100 W. - Pompe de bouclage : Pompe générique avec un débit de 300 l/h avec une puissance électrique maximale consommée de 30 W. 10

11 Tuyauterie Si l on respecte la contrainte de vitesse de circulation (1m/s), on peut calculer de façon approximative le diamètre intérieur de la tuyauterie à partir de l équation suivante : D i = 33.3 Q π ρ Avec : D i : diamètre intérieur du tuyau (mm) Q : débit nominal (l/h) ρ : masse volumique du fluide (kg/m3) - Tuyauterie Circuit solaire : nous prendrons un tube acier 1 pouce (DN32), 10m intérieur, 15m extérieur, coefficient de déperdition linéique de 0.09 W/m/K pour une mousse de polyéthylène épaisseur de 30mm 11

12 - Tuyauterie circuit distribution : nous prendrons un tube Cu 28/1, 30m aller 30m retour, coefficient de déperdition linéique de 0.17 W/m/K pour une mousse de polyéthylène épaisseur de 10mm) Régulateur 12

13 Ballon solaire Le volume doit être au minimum 50 fois supérieur ou égal à la surface en m² des capteurs solaires donc a 50*30 = 1500 litres. La constante de refroidissement sera calculée avec 50mm de mousse de polyuréthane. 13

14 Ballon appoint : La capacité totale d eau stockée à 60 C dans les ballons d appoint doit être au moins égale aux besoins maximaux en ECS à cette même température, du jour le plus chargé et sans apports solaires. Nous prendrons donc un ballon de volume 2000 l. La constante de refroidissement, à calculer avec 50mm de mousse de polyuréthane. 14

15 Appoint électrique du ballon : La puissance de la résistance électrique doit être comprise entre 10 et 15 W/litre du volume d appoint (Vap) chauffé par l électricité, la valeur nominale étant de 12 W/litre. Le volume Vap est délimité par le haut du ballon et le bas de la résistance électrique. Le fonctionnement de l appoint est asservi aux heures tarifaires de nuit, il est donc important de disposer d un volume du ballon électrique supérieur aux besoins maximum journaliers. Ainsi le maintien à une température supérieure à 60 C à la sortie du ballon est possible à condition d avoir préalablement réglé le thermostat de l appoint à 65 C. 15

16 3. Etude quantitative Dans cette partie nous étudierons notre i$nstallation de manière quantitative pour des besoins journaliers d ECS de 2000 litres à 55 C par simulation sur le logiciel Simsol. Choix de la localisation Dans un premier temps nous choisissons le lieu de notre campement de mobil home : Grenoble Choix de la localisation de notre installation 16

17 Influence de la surface des capteurs sur leur productivité et la couverture solaire En spécifiant les hypothèses générales vu ultérieurement dans le logiciel Simsol nous allons simuler notre installation de production en faisant varier l angle d inclinaison et la surface des capteurs afin de mesurer l influence de ces derniers sur la productivité des capteurs et sur la couverture solaire. Choix de l angle d inclinaison et de la surface des capteurs On effectuera la simulation de manière itérative, pour les angles d inclinaison et les surfaces de capteurs suivants : 30, 45 et 60 / 20m², 30m², 40m² et 50m². 17

18 Exemple d une simulation (ici S=20m², θ=30 ) Après simulation le logiciel Simsol nous donne accès à la production solaire annuelle (kwh/an) ainsi qu à la couverture solaire (%). Il suffit de diviser la production solaire par la surface de capteurs en vigueur pour la simulation afin d obtenir la productivité (kwh/m²/an). Exemple de résultat de simulation (ici S=20m², θ=30 ) 18

19 Couverture solaire (%) Productivité (kwh/m²/an) ENE-4201A SOLAIRE THERMIQUE ESIEE PARIS Surface capteurs (m²) Par itération de simulation nous obtenons le tableau de valeurs suivant : Inclinaison ( C) Puissance échangeur (W/K) Volume ballon solaire (L) Débit pompe (L/h) Production solaire (kwh) Productivité (kwh/m²/an) Couverture solaire (%) , , , , , , , , , , , ,1 57 Tableau de valeurs des simulations itératives de Simsol Voici les courbes d influence de la surface des capteurs : Influence de la surface des capteurs sur la couverture solaire (Pour θ=30, θ=45, θ=60 ) Surface des capteurs (m²) 700,0 650,0 600,0 550,0 500,0 450,0 400,0 350,0 300,0 250,0 Influence de la surface des capteurs sur leur productivité (Pour θ=30, θ=45, θ=60 ) Surface de capteurs (m²) Courbes d influence de la surface 19

20 Analyse : On remarque clairement que pour tout angle d inclinaison l augmentation de la surface de capteurs implique une forte augmentation de la couverture solaire et une diminution notable de la productivité. Il faudra donc trouvé le meilleur compromis de surface pour avoir une productivité et une couverture solaire acceptable. Voici les courbes d influence de l inclinaison des capteurs : Courbes d influence de l inclinaison Analyse : On voit que pour toute surface de capteurs l augmentation de l inclinaison des capteurs implique une moyenne variation de la couverture solaire et de la productivité. Néanmoins l angle d inclinaison de 30 reste l angle optimal. 20

21 En se basant sur les valeurs de simulation nous pouvons calculer la sensibilité (donc l influence) de la productivité et de la couverture solaire d une autre manière. On rappelle une formule générale de sensibilité : influencé influencé S paramètre = paramètre paramètre - S productivité/surface = productivité productivité surface surface = = 31% - S couverture/surface = couverture couverture surface surface = = 56.6% - S productivité/inclinai = productivité productivité inclinai inclinai = = 15% - S couverture/inclinai = couverture couverture inclinai inclinai = = 14% Analyse : D après ces résultats nous pouvons confirmer les résultats précédents que nous avions déduits des courbes, en effet on voit que la productivité et la couverture sont très sensibles à l augmentation de la surface des capteurs (56.6% et 31%), et sont moyennement sensibles aux variations d angles (15% et 14%). 21

22 Inclinaison ( ) Productivité (kwh/m²/an) Inclinaison ( ) Couverture solaire (%) ENE-4201A SOLAIRE THERMIQUE ESIEE PARIS Choix d un compromis Nous avons trouvé judicieux de tracer une courbe plus parlante afin d avoir une vue d ensemble des solutions possibles S=20m² S=20m² S=20m² S=30m² S=30m² S=30m² S=40m² S=40m² S=40m² S=50m² S=50m² S=50m² Inclinaison ( C) Couverture solaire (%) Diagramme d influence pour la couverture solaire , , , , , , ,0 0 S=20m ² S=20m ² S=20m ² S=30m ² S=30m ² S=30m ² S=40m ² S=40m ² S=40m ² S=50m ² S=50m ² Inclinaison ( C) S=50m ² Productivité (kwh/m²/an) 636,4 619,4 574,3 578,8 568,3 528,6 519,0 515,9 485,7 465,4 465,8 443,1 0,0 Diagramme d influence pour la productivité 22

23 À partir des résultats précédents et de ces diagrammes compromis optimal pour notre installation de production. nous sommes capables de trouver le Nous choisissons donc la solution optimale : Surface de capteurs : 40m² et Angle d inclinaison : 30. Surface capteurs (m²) Inclinaison ( C) Puissance échangeur (W/K) Volume ballon solaire (L) Débit pompe (L/h) Production solaire (kwh) Productivité (kwh/m²/an) Couverture solaire (%) , , , , , , , , , , , ,1 57 Influence du volume de stockage du ballon solaire sur le taux de couverture solaire et la productivité des capteurs Après plusieurs simulations incluant une variation du volume de stockage du ballon solaire (1000, 1500, 2000, 3000, 5000 L) nous obtenons le résultat suivant : Puissance échangeur (W/K) Débit pompe (L/h) Volume ballon solaire (L) Production solaire (kwh) Productivité (kwh/m²/an) Couverture solaire (%) Δprod (%) Δcouv (%) , ,24 0, ,3 51 4,15 0, ,0 53 2,91 0, ,1 55 0,53 0, ,9 55 Tableau d influence du volume de stockage du ballon solaire sur le taux de couverture solaire et la productivité des capteurs 23

24 Productivité (kwh/m²/an) Couvertire solaire (%) ENE-4201A SOLAIRE THERMIQUE ESIEE PARIS Influence du volume de stockage 550, ,0 530, ,0 510, ,0 490, ,0 470, ,0 450, , Volume de stockage (L) Productivité (kwh/m²/an) Couverture solaire (%) Influence du volume de stockage du ballon solaire (1000, 1500, 2000, 3000 et 5000 litres) sur le taux de couverture solaire et la productivité des capteurs) Analyse : On remarque que pour une valeur de 5000L pour le volume de stockage, la productivité et la couverture solaire sont maximales, pour la configuration optimale choisie précédemment. Cependant pour une valeur de 3000L on remarque que la productivité est proche de la valeur pour 3000L (Δprod = 0.53%) et pour la couverture elle est identique (Δcouv = 0.00%). Par souci de prix il est donc plus judicieux de choisir une configuration pour un volume de stockage de 3000L. Influence du coefficient de transfert de l échangeur solaire sur le taux de couverture solaire et la productivité des capteurs. Après plusieurs simulations incluant la variation du coefficient de transfert de l échangeur solaire (50, 75, 100, 125, 150W/K) nous obtenons le résultat suivant : Surface capteurs (m²) Inclinaison ( C) Puissance échangeur (W/K) Volume ballon solaire (L) Débit pompe (L/h) Production solaire (kwh) Productivité (kwh/m²/an) Couverture solaire (%) Δprod Δcouv ,6 52 1,27 1, ,1 53 0,16 0, ,0 53 0,11 0, ,5 53-0,07 0, ,2 53 Tableau d influence du coefficient de transfert de l échangeur solaire sur le taux de couverture solaire et la productivité des capteurs 24

25 Productivité (kwh/m²/an) Couverture solaire (%) ENE-4201A SOLAIRE THERMIQUE ESIEE PARIS Influence du coefficient thermique de l'échangeur solaire 520,0 53,2 519,0 518,0 517, ,8 516,0 52,6 515,0 52,4 514,0 513,0 512,0 52, ,0 51, Coefficient de transfert thermique de l'échangeur (W/K) Productivité (kwh/m²/an) Couverture solaire (%) Influence du coefficient de transfert de l échangeur solaire sur le taux de couverture solaire et la productivité des capteurs Analyse : On remarque que pour une valeur de coefficient thermique de l échangeur de 5000 W/K, la productivité et la couverture solaire sont maximales. Cependant à partir de la valeur 4000 W/K l influence de l échangeur est moindre (Δprod = 0.11%) et pour la couverture elle est identique (Δcouv = 0%). Par souci de prix il est donc plus judicieux de choisir une configuration pour un coefficient de transfert de l échangeur solaire de 4000 W/K (soit 100W/K/m²). La solution devient donc : Surface capteurs (m²) Inclinaison ( C) Puissance échangeur (W/K) Volume ballon solaire (L) Débit pompe (L/h) Production solaire (kwh) Productivité (kwh/m²/an) Couverture solaire (%) Cas où l isolation des ballons de stockage augmente Dans cette partie nous allons voir l influence de l isolation des ballons de stockage en changeant l épaisseur de l isolant de 50mm à 100mm dans la configuration optimale choisie précédemment. Epaisseur isolant (mm) Production solaire (kwh) Productivité (kwh/m²/an) Couverture solaire (%) Δprod Δcouv ,1 55 0,73 0, ,95 55 Influence de l augmentation de l épaisseur d isolant pour le ballon de stockage 25

26 Analyse : En doublant l épaisseur de l isolation du ballon de stockage on remarque une augmentation de 0.73% pour la productivité et de 0% pour la couverture solaire. Cas où les besoins d ECS sont sous-estimés Dans cette partie nous allons voir l influence d une mauvaise estimation des besoins en ECS. Une sous-estimation évalué à -25% soit un besoin en ECS de 1500L. Besoin ECS (L) Production solaire (kwh) Productivité (kwh/m²/an) Couverture solaire (%) Δprod Δcouv , ,41 16, ,8 64 Influence d une estimation d ECS sous-estimé Analyse : En sous estimant les besoins en ECS on perd 12,41% de productivité mais on gagne 16.36% de couverture solaire. Cas où les besoins d ECS sont surestimés Dans cette partie nous allons voir l influence d une mauvaise estimation des besoins en ECS. Une surestimation évalué à +25% soit un besoin en ECS de 2500L. Besoin ECS (L) Production solaire (kwh) Productivité (kwh/m²/an) Couverture solaire (%) Δprod Δcouv ,1 55 9,75-12, ,1 48 Influence d une estimation d ECS surestimé Analyse : En surestimant les besoins en ECS on gagne 9.71% de productivité mais on perd 12.73% de couverture solaire. Cas où la régulation est mal réglée (dt1, dt2) Dans cette partie nous allons voir l influence d une mauvaise régulation. Régulation [dt1,dt2] ( ) Production solaire (kwh) Productivité (kwh/m²/an) Couverture solaire (%) Δprod Δcouv [7,2] ,1 55 0,03 0,00 [10,2] ,2 55-7,19-7,27 [7,5] , Influence d une mauvaise régulation Analyse : La régulation de manière à ce que le différentiel d enclenchement augmente, n influe que très peu sur la couverture solaire et la productivité des capteurs, (Δprod =0.03%, Δcouv=0%) tandis qu une régulation sur le différentiel d arrêt diminue de manière notable sur ces derniers, (Δprod = %, Δcouv= -7.27%). 26

27 Cas où l on modifie le réglage du programmeur horaire de la résistance électrique Dans cette partie nous allons voir l influence du réglage du programmeur de fonctionnement de la résistance électrique Fonctionnement Production solaire (kwh) Productivité (kwh/m²/an) Couverture solaire (%) Δprod Δcouv Heures creuses ,1 55-2,02-1,82 24H/ , Influence du réglage du programmeur de résistance électrique Analyse : Comparé à un fonctionnement aux heures creuses, le fonctionnement 24H/24 n apporte que des pertes pour la productivité des capteurs et de la couverture solaire, (Δprod =-2.02%, Δcouv=- 1.82%). Cas où l on modifie le débit de circulation du fluide dans le circuit solaire Dans cette partie nous allons voir l influence du débit de circulation du fluide dans le circuit solaire. Nous allons comparer la configuration 50L/h/m² et 25L/h/m². Avec notre surface de capteurs de 40m² trouvé précédemment nous pouvons déduire les débits de pompe : 40*50=2000L/h et 40*25= 1000L On obtient les résultats suivants : Débit pompe (L/h) Production solaire (kwh) Productivité (kwh/m²/an) Couverture solaire (%) Δprod Δcouv ,1 55 3,66 3, ,6 57 Influence du débit de circulation dans le circuit solaire Analyse : Pour un débit diminué de moitié dans le circuit, on obtient une augmentation de la productivité de Δprod=3.66% et de Δcouv=3.64% pour la couverture. En conclusion de ce dimensionnement : Cette étude d influence des différents paramètres du système de production d ECS sur la productivité et la couverture solaire nous a montré qu il fallait faire très attention à l étude des besoins d ECS, de bien considérer les débits des pompes ainsi que le fonctionnement de la résistance du ballon d appoint, et de prêter une attention moindre à l épaisseur des isolants des ballons solaires et d appoint. De plus la régulation par le différentiel d enclenchement est beaucoup moins importante que celui du différentiel d arrêt. 27