ETUDE DES PERFORMANCES THERMIQUES DE TROIS SYSTEMES DE CHAUFFE EAU SOLAIRE TYPE CAPTEUR STOCKEUR

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1 ETUDE DES PERFORMANCES THERMIQUES DE TROIS SYSTEMES DE CHAUFFE EAU SOLAIRE TYPE CAPTEUR STOCKEUR Anis MESSAOUDA, Chakib KERKENI Laboratoire d Energétique et des Procédés Thermiques, Centre de Recherches et des Technologies de l Energie, BP 95,2050 Hammam Lif, Tunisie. Tel : Anis_messa@Yahoo.fr Résumé: Une étude expérimentale a été menée sur trois système de chauffe eau solaire type capteur stockeur conçus et réalisés dans le laboratoire des Procédés Thermiques (LPT).Cette étude consiste à réaliser en premier lieu un capteur stockeur simple vitrage de capacité 160 litres et d évaluer son rendement thermique et son coefficient de déperdition qui sont les deux facteurs principaux de chaque système thermique. On remarque que ce type de système présente un coefficient de déperdition élevé, d ou des modifications dans la structure du système ont été apportées en vue de réduire au maximum son coefficient de déperdition. Les modifications sont réalisées dans l ordre suivant : a/ ajout d un deuxième vitrage pour réduire les pertes diurnes et nocturnes du système. b/ ajout d une structure à nid d abeille en vue de réduire les déperditions du système par convection entre le ballon (absorbeur) et la vitre. c/ajout de couverture (isolation nocturne) suivie au niveau de la face d entrée du système. Cette couverture protège le système surtout la nuit et aussi au cours des journées non ensoleillée. Les résultats montrent que le capteur stockeur avec nid d abeille et isolation nocturne présent des performances thermiques comparables avec celles d un système conventionnel avec un temps de retour d environ de moitié. L ensemble de ses caractéristiques lui offre donc un rapport qualité prix concurrentiel. Mots clés : chauffe eau solaire, performance thermique, nid d abeille Introduction Avec la flambé du prix du pétrole et les problèmes de pollution et de réchauffement de l atmosphère par les gaz polluants et à effet de serre une recherche dans le domaine du solaire thermique nécessite encore plus d intérêt pratique. Vu le rôle qu elle peut jouer dans des pays comme la Tunisie, recevant une insolation relativement forte environ 3000 heures d ensoleillement annuel et une radiation globale moyenne quotidienne de 5Kwh/m 2 [1], l énergie solaire apparait comme étant l énergie de l avenir du point de vue économie d énergie et protection de l environnement. Cette énergie peut être utilisée efficacement pour la production d eau chaude sanitaire, le chauffage des bâtiments et le dessalement de l eau. L évolution rapide des procédés modernes d utilisation de l énergie solaire a conduit au développement de plusieurs types de systèmes de chauffe eau solaire. Dans cette étude on s intéresse particulièrement à un chauffe eau solaire type capteur stockeur dans le but d améliorer son rendement thermique, d élargir son domaine d utilisation et de satisfaire les critères de réduction de son coût a fin de donner au chauffe-eau solaire un prix abordable pour le foyer tunisien tout en garantissant un niveau de performance acceptable. 1

2 I-Description du capteur stockeur cylindro-parabolique (CSCP) Le système (CSCP) conçu et fabriqué dans notre laboratoire est d une surface de captation de 1.45m², composé d un ballon de stockage cylindrique (de volume 160L), recouvert d une couche de peinture noire et placé à l intérieur d un coffre isolé muni d un réflecteur cylindroparabolique. L ensemble est couvert par une vitre. Fig.1. Capteur Stockeur Cylindro-Parabolique (CESP) Les figurent suivantes montrent les différentes modifications apportées sur le CSCP Fig.2- CSCP simple vitrage Fig.3- CSCP double vitrage Fig.4- CSCP avec nid d'abeille simple vitrage Fig.5- CSCP avec nid d'abeille et isolation nocturne 2

3 II-Étude des performances thermiques du système Les mesures des performances thermiques du système CSCP consistent à évaluer en premier lieu le coefficient de déperditions, noté U s. Cette étape de mesure est réalisée selon la norme Tunisienne (NT 67.10) [2], elle consiste à remplir le ballon de stockage et le chauffer jusqu'à une température supérieur à 60 C, puis à laisser l ensemble se reposé dans un local à température ambiante connue pendant 24 heures. La mesure des températures de l eau à l état initial et à l état final permet d évaluer le coefficient de déperdition en appliquant la formule suivante : ρ C pv s T i-t a Us= Ln (1) t Tf -T a La deuxième composante des performances thermiques du système est son rendement journalier noté η qui est défini comme étant le rapport entre l'énergie utilisable fournie (Qu) et l'énergie reçue par le système (H). η = Qu.(2) H L évaluation du rendement journalier est obtenue à l aide de la méthode input/output [3], qui consiste à remplir dès le matin le ballon de stockage avec de l eau froide à température constante et le laisser s'échauffer par les rayonnements solaires durant douze heures d ensoleillement. Enfin de la journée, on effectue un soutirage d eau équivalent à 3 fois le volume du ballon. Pour déterminer l énergie thermique fournie (Qu) et l énergie solaire reçue (H) par le système, les températures de l eau à l entrée et à la sortie du capteur (Tsi,Tei) sont mesurées avec un pas de temps t 1 =30 secondes et l intensité du rayonnement est mesuré pendant toute la journée avec un pas de temps t 2 =300 secondes. Ces mesures permettent d évaluer Qu et H en appliquant les formules suivantes : Q u n 1. C p. ( Tsi Tse ) i= 1 = D. t ρ Où: D:Débit massique de l eau, Cp: Chaleur massique moyenne de l eau, ρ: Masse volumique moyenne de l eau, n : nombre de soutirage. H = S. t2 avec G ti : l intensité du rayonnement instantané (W.m - ²). S : Surface d entrée du capteur (m²). i G ti Notre approche expérimentale est composée de trois étapes qui consistent à déterminer les coefficients de déperditions thermiques et le rendement journaliers du : 1. CSCP simple vitrage 2. CSCP double vitrage 3. CSCP avec nid d'abeille [4] 3

4 1-Performances thermiques du système simple vitrage: 1.a-: Coefficient du déperdition thermique U s : Tab. (1.a) : Conditions expérimentales de mesure T a ( C) 25,40 T i ( C) 65,80 T f ( C) 38 (s) t D après la formule (1) U s =9 W/K 1.b-: Rendement thermique journalier: Les données climatiques et les profils de soutirage pour trois journées de tests sont représentés sur les figures suivantes : Le rendement thermique journalier est donné dans le tableau suivant : Tab.1.b: Rendement thermique H (M) 41,33 Q u (M) 14,60 η 35,25% 4

5 2-Performances thermiques du système double vitrage: 2.a-: Coefficient du déperdition thermique(u s ):(KW) Tab. (2.a) : Conditions expérimentales de mesure T a ( C) 29,1 T i ( C) 61,95 T f ( C) 44,1 (s) t D après la formule (1) U s =7 W/K 2.b-: Rendement thermique journalier: Données climatiques et profils de soutirage Le rendement thermique journalier est donné dans le tableau suivant : Tab.2.b: Rendement thermique H (M) 39,40 Qu (M) 8,88 η 22,50% 5

6 3-Performances thermiques du système à structure nid d'abeille: 3.a-: Coefficient du déperdition thermique U s : Tab. (3.a) : Conditions expérimentales de mesure T a ( C) 33,40 T i ( C) 75 T f ( C) 48 (s) t D après la formule (1) U s =8 W/K 3.b-: Rendement thermique journalier: Données climatiques et profils de soutirage Le rendement thermique journalier est donné dans le tableau suivant : Tab.3.b: Rendement thermique H (M) 40 Qu (M) 18 η 45% 6

7 III-Interprétation des résultats Tableau récapitulatif CSCP simple vitrage CSCP double vitrage CSCP simple vitrage à structure nid d'abeille U s (W/K) η 35,25% 22,50% 45% D après le tableau ci-dessus on remarque une importante variation du rendement journalier en passant d un système à l autre : L ajout d une deuxième vitre a pour conséquence une diminution du rendement de l ordre de12%.cette diminution peut être expliquer par le fait que les rayons solaire sont doublement réfléchis par la face d entrée du système, donc le flux absorbé est nettement inférieur a celui des deux autres systèmes, alors que lorsqu on a inséré la structure en nid d abeille on a remarqué une augmentation du rendement journalier de l ordre de 10% par rapport au système simple vitrage que l on peut expliquer par le fait que les rayons solaires arrivent sur le ballon sans réflexion importante et que les déperditions thermiques par rayonnement (rayons infrarouges) et par convection sont sensiblement diminuées durant la journée d où l intérêt de la structure en nid d'abeille. Pour le coefficient du déperdition la variation n était pas très importante, donc pour minimiser encore les pertes thermiques qui s effectuent par convection et par rayonnement au travers la face avant du capteur, une isolation nocturne est utilisée pour couvrir cette face en l absence de rayonnement solaire. Cette isolation est constituée d une couche de polyuréthane sur la quelle on fixe une tôle d aluminium pour la protégée des UV (voir fig.6). Fig.6-photos du CSCP avec nid d abeille et isolation nocturne Avec cette isolation les pertes thermiques sont devenues de l ordre de 4W/K. Donc, d après les résultats obtenus, l optimisation du système est réalisée à l aide d une structure en nid d abeille au lieu d ajouter une deuxième vitre pour améliorer le rendement thermique journalier et une isolation nocturne pour diminuer le coefficient de déperdition afin d améliore ces performances thermiques. 7

8 IV-Comparaison des performances thermiques du CSCP simple vitrage à nid d abeille et isolation nocturne avec celles d un chauffe eau classique: Les résultats obtenus de ce système sont comparés à ceux d un autre système classique commercialisé sur le marché tunisien, composé d un capteur plan de surface utile 2.5 m² et d un ballon de stockage de volume 185L placé horizontalement (Fig.7), ce système fonctionne suivant le principe de la convection naturelle thermosiphon. Fig.7-système classique Les performances thermiques relatives aux deux systèmes sont regroupées dans le tableau suivant : Tab.5 -Performances thermiques relatives aux deux systèmes Cœfficient de déperdition U s (W/K) Rendement thermique journalier η (%) CSCP simple vitrage à structure nid d abeille avec isolation nocturne Système classique Avec son coût relativement faible (de l ordre de 600 dinars) en comparaison avec le système classique commercialisé sur le marché et qui coûte plus que 1200 dinars, et ses performances thermiques relativement acceptables le système CSCP simple vitrage à structure nid d abeille lui présentent une bonne compétitivité sur le marché local puisqu il permettra à l utilisateur de bien satisfaire ses besoins en eau chaude pendant les périodes ensoleillées. Le reste de ses besoins peuvent être couvert à l aide d un système d appoint. Conclusion L'intégration de la structure capillaire nid d'abeille nous a permis de minimiser les pertes thermiques dues aux échanges convectives et radiatifs au niveau du vitrage et d'améliorer le rendement du CSCP d où l'utilité d'utilisation de ce type d'isolation thermique transparente. Les mesures expérimentales ont montré que le système chauffe eau solaire cylindro parabolique CSCP à nid d'abeille simple vitrage peut présenter des performances thermiques comparables au système classique, malgré sa simplicité et son coût peu élevé. 8

9 Nomenclature U s Coefficient de déperdition du système (W/K) t Durée de la période de refroidissement (S) Température ambiante moyenne pendant l essai ( C) T T T a i f Température initiale de l eau chaude ( C) Température finale de l eau chaude ( C) V Volume du ballon de stockage (m 3 ) s ρ Masse volumique moyenne de l eau (Kg/ m 3 ) C Chaleur massique moyenne de l eau (/KgK) p Rendement journalier η H Q u Energie solaire reçue par le système (M) Energie thermique fournie par le système (M) Référence [1] C. Kerkeni, K. Hamdi, L. Dehmani, A. Belghith, Etude des performances thermiques à long terme d un système solaire de chauffage de l eau sanitaire ITH 1993, [2] A.Teyeb, L. Dehmani,A. Ben Ezzine, C. Kerkeni,L. Kaabi Etude des performances thermiques d un capteur stockeur cylindro parabolique Projet de master INSAT,2006 [3] S. amel, 'Test des chauffe-eau solaires, Validation de la méthode Input / Output', Projet de Fin d Etudes, ENIT, [4] Bruno Peuportier L'isolation transparente : une nouvelle technologie au service du solaire thermique ournée d étude du 14 avril