Les différents éléments d un CESI

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1 Les différents éléments d un CESI 1. Capteur Solaires 1.1. Introduction Un capteur solaire thermique est un dispositif qui transforme le rayonnement solaire en énergie thermique. Les caractéristiques générales qu'un capteur solaire thermique doit réunir sont: Résistance à l'atmosphère extérieure. Résistance aux températures extérieures. Robustesse et longévité Facilité de montage Conversion efficace de l'énergie Ici, on se limitée à l étude des capteurs plans vitrés et des capteurs tubes sous vide Les capteurs plans vitrés Les capteurs plans vitrés sont bien adaptés à la production de l eau chaude sanitaire et au chauffage des bâtiments en métropole. 1. Le coffre 2. Joint d étanchéité 3. Couvercle transparent 4. Isolant thermique 5. Plaque absorbante 6. Tubes Le coffre : Assure la protection arrière du capteur Participe à sa rigidité Intègre les points de fixation du capteur Soit en métal, soit en matière plastique Bonne tenue à la corrosion Prix de revient limité Les joints d étanchéité : Assure l étanchéité du capteur Doit être résistant aux UV 1

2 Le couvercle transparent: Doit être transparente au rayonnement de courtes longueurs d ondes (celui provenant de l extérieur) Doit bloquer le rayonnement de grandes longueurs d ondes (celui provenant de l absorbeur) Généralement en verre trempé de 4 mm L isolant thermique: (Mousse de polyuréthane ou/et de laine de verre/roche) Réduit les pertes par la face arrière et par les côtés (environ 20% des pertes totales) Doit résister aux hautes températures (si contact direct avec l absorbeur) Ne doit pas absorber l humidité provenant de condensats Plaque absorbante : Transforme le rayonnement solaire en chaleur, en cuivre et de couleur sombre. Elle peut subir un traitement sélectif (chrome ou nickel noir, peinture) Tube : en cuivre ou inox 1.3 Capteur solaire thermique sous vide : Grâce au vide, les déperditions de chaleur par convection et par conduction thermique sont réduites. Avantages : des températures de fonctionnement plus élevées qu avec les capteurs plans des déperditions réduites par rapport aux capteurs plans grâce à une excellente isolation thermique. Inconvénients : températures de stagnation élevées, avec les contraintes correspondantes sur tous les matériaux employés près du champ de capteurs et sur le fluide caloporteur. Coût plus élevé de la chaleur solaire à température moyenne de fonctionnement (mais coût avantageux à des températures de fonctionnement plus élevées). - Les tubes doivent être totalement hermétiques. Si non hermétique il faut changer le tube pour préserver la performance de l ensemble du capteur. - Au contact de l'air, le baryum change de propriété, est blanchi... 2

3 2. Le ballon solaire Le stockage / Caractéristiques : En réponse au caractère discontinu de la ressource. Limiter les pertes. Favoriser la stratification. La fonction du ballon solaire : chauffer et accumuler l eau chaude sanitaire. Dans le ballon, on observe un échange de chaleur entre l eau et le fluide chaud provenant des panneaux solaires. Le fluide solaire circule à l intérieur du serpentin, si sa température est supérieure à la température de l eau du ballon, il lui cède sa chaleur puis s étant refroidi, il remonte aux panneaux solaires pour récupérer de nouveau la chaleur du soleil. L eau froide sanitaire pénètre par le bas du ballon et que sous l effet du réchauffement procuré par le serpentin, elle s élève vers le haut du ballon (stratification). Le fluide doit pénétrer dans les panneaux solaires par le bas. Au fur et à mesure de son réchauffement, il remonte vers le haut. Les accumulateurs les plus fréquemment rencontrés dans les installations actuelles sont des réservoirs thermiquement isolés qui peuvent contenir ou non un échangeur thermique. Les aspects les plus importants d'un accumulateur sont sa résistance mécanique, sa longévité et la qualité de l'isolement qui se mesure en W/K. Plus le c oefficient de pertes est faible meilleur est le comportement de l'accumulateur. Un accumulateur bien conçu doit permettre une distribution verticale de l'eau chaude. Ceci améliore le rendement de l'installation. 3. Primaire et secondaire Le circuit primaire (circuit fermé) permet de chauffer l eau chaude sanitaire. Le circuit secondaire (circuit ouvert), c est le circuit d eau chaude sanitaire. 3

4 4. Soupape de sécurité et disconnecteur du circuit secondaire La soupape de sécurité est installée à droite du clapet de retenue. Quand la pression augmente dans le ballon, elle s ouvre pour maintenir une pression raisonnable dans le ballon. Ici, ce n est pas un clapet de retenue qui est installé, mais un disconnecteur, qui empêche le retour de l eau du ballon vers le réseau d eau potable. 5. Purgeur Un dispositif de purge doit être installé au point le plus haut de l installation (A). L air étant plus léger que l eau, il est conseillé de remplir le circuit par le bas. C est le rôle de la vanne de remplissage avec clapet de retenue (2). Dans le cas d une maintenance, la vidange sera assurée par la vanne de vidange (3). Même si le circuit est parfaitement purgé, des nappes de gaz peuvent apparaître par la suite. En effet, lorsque l on chauffe de l eau, il se crée un dégazage de l air dissous dans cette eau. De plus, certaines réactions chimiques entre l eau et les matériaux peuvent générer des gaz. 6. Soupape de sécurité du circuit primaire. Suite à la montée de la température, le fluide caloporteur se dilate et la pression augmente aussi. Le rôle de la soupape de sécurité est de limiter la pression à l intérieur du circuit. La température atteint la valeur de 120 C et la pression augmente de 2 bar pour atteindre la valeur de 6 bar. La soupape de sécurité, tarée à 6 bar crache pour limiter la montée de la pression. En plus il faut installer un vase d expansion. 4

5 7. Vase d expansion : Cas d un vase gonflé à 6 bar. - au remplissage du circuit, le fluide va pénétrer dans l installation et l air sera chassé par le purgeur automatique. - L installation est remplie mais le vase ne contient pas une goutte d eau. - A la montée de la température, la pression monte et la soupape de sécurité va cracher et le circuit manquera d eau et l air va pénétrer dans l installation. Remarque : le même phénomène sera observé dans le cas où le vase sera peu gonflé ; voir TD et TP. Tant que la température du circuit ne variera pas, le manomètre coté vase d expansion indique 2 bar, que le circulateur soit ou non en fonctionnement. La pression dans le vase d expansion ne dépend que de la variation de la température. 8. Les vannes d isolement Elles sont installées pour faciliter les opérations de maintenance et de mise en service. Ces vannes sont installées de manière à permettre le fonctionnement normal du vase d expansion et de la soupape de sécurité. Elles sont installées pour faciliter les opérations de maintenance et de mise en service. Il y a risque de surpression dans le cas ou ces vannes sont fermées. 5

6 9. Circulateurs 9.1 Les circulateurs à débit constant Exigences : - pression de fonctionnement sur le circulateur supérieure à 1 bar pour éviter le phénomène de cavitation lorsque la température du circuit est élevée. - doit résister à des températures dépassant les 100 C. Choix : - circulateur standard de chauffage - le circulateur sera installé sur la conduite de retour au capteur - il comprendra trois vitesses permettant d'ajuster au mieux le débit de circulation du fluide antigel. 9.2 Les circulateurs à débit variable Les circulateurs à débit variable permettent de faire " travailler " les capteurs à faible débit (low flow), ce qui permet d'obtenir des températures plus élevées, permettant de diminuer dans certains cas le recours à l'appoint. De plus, la consommation d'électricité est diminuée. 10. Clapet anti-retour Sans clapet anti-retour, il peut se produire une circulation par thermosiphon lorsque le ballon est plus chaud que les capteurs (la nuit par exemple). Le ballon perd toute l'énergie accumulée pendant la journée. Attention à sélectionner un clapet résistant aux hautes températures. 11. Remplissage de l installation La solution d eau glycolée doit être préparée avant injection. Les glycols proposés par les constructeurs sont élaborés pour des applications bien spécifiques. Ils ajoutent des additifs anti-mousse, antitartre, antibactériens qui protègeront le circuit. Le remplissage de l installation se fait ici à 18 C et une pression de gonflage de 1 bar (Pression du vase = pression statique + 0,5 bar). Cette pression reste théorique, car dans la pratique on préfère sur dimensionner la pression de gonflage du vase. Lorsq ue la température descend à -10 C, l installation se trouve pas exposée à l entrée d air dans la partie supérieure. La tendance actuelle est de très largement sur dimensionner le vase, de le pré gonfler à une pression de 1,5 à 2 bar et de remplir l installation jusqu à 3 bar avec de l eau à 18 ou 20 C. 6

7 12. Régulation - Si la θ1 > θ2, le circulateur se met en marche. - Si θ1 = θ2, le circulateur est à l arrêt. - Si la θ1 < θ2, c est le cas de la nuit ou manque de rayonnement, le circulateur se met à l arrêt. - Le régulateur agit en fonction de deux θ. Le premier pour la mise en marche et deuxième pour son arrêter le circulateur. Le régulateur calcule la différence de θ entre les 2 sondes. Il n autorise la mise en service du circulateur que si la θ des panneaux est supérieure à celle du ballon suivant un θ. 13. Quelques repères - θ = 20 C est tout à fait correcte, une valeur supérieure à 20 C implique un débit faible. - θ < 10 C implique un débit élevé. - Ici, le vase est largement dimensionné, ce qui est toujours conseillé. Puisque le manomètre indique 3 bar, la pression est bien supérieure au minimum requis. Pour une même puissance transmise par un échangeur, si le débit est divisé par deux ; le θ est multiplié par deux. Lorsque le débit diminue, le delta θ augmente. 7

8 14. l Appoint L appoint est nécessaire pour chauffer l eau lorsque l ensoleillement sera insuffisant. Cet appoint peut être électrique ou assuré par l intermédiaire d une chaudière et d un échangeur supplémentaire placé dans le ballon. L appoint se trouve dans la partie haute du ballon. 15. Le fluide solaire / Eau glycolée utilisée Composition chimique : Propylène glycol (40%), eau (entre 55 et 58 %) et inhibiteurs anticorrosion pour une protection durable et fiable. Ecologie : Fluide biodégradable, non toxique. Pour installations solaires ayant des températures de stagnation élevées Ne peut pas être mélangé avec d autres caloporteurs, ni dilue avec de l eau. Les pertes de fluides doivent être compensées uniquement avec le même fluide. Température de stagnation maxi: 170 C. Modification chimique à des températures supérieures à 200 C. N attaque pas les matériaux d étanchéité. Pas de Zinc dans le circuit solaire. Le propylène glycol peut le dissoudre. La stagnation est l'état d'un capteur ou d'un système sans circulation du fluide caloporteur. Un capteur solaire ne monte pas indéfiniment en température. Plus sa température de fonctionnement augmente, plus le rendement diminue jusqu'à s'annuler. La température de stagnation est la température atteinte par le capteur en l'absence de circulation du fluide, donc à rendement nul. 8

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