Maîtriser le stockage thermique : la clé d'un chauffage solaire de l'eau efficace

Stockage thermique dans un système de chauffage solaire de l'eau

Dans un système de chauffage solaire de l'eau, un ballon de stockage d'eau, parfois appelé réservoir de stockage de chaleur, sert à emmagasiner la chaleur produite par les capteurs solaires. L'utilisation de liquides (notamment l'eau) pour le stockage thermique est la méthode la plus éprouvée, la plus fiable techniquement et la plus répandue. Il est généralement souhaitable que le liquide possède non seulement une capacité thermique massique élevée, mais aussi un point d'ébullition élevé et une faible pression de vapeur. La première condition permet d'éviter le passage à l'état gazeux, tandis que la seconde permet de réduire la pression à l'intérieur du ballon de stockage. Parmi les fluides caloporteurs liquides à basse température, l'eau offre les meilleures performances et est donc la plus couramment utilisée.

Avantages et inconvénients de l'utilisation de l'eau comme milieu de stockage thermique

Avantages

① Ses propriétés physiques, chimiques et thermiques sont très stables, il est bien compris et sa technologie d'application est mature.

② Il peut servir à la fois de milieu de stockage thermique et de milieu de transfert de chaleur, éliminant ainsi le besoin d'échangeurs de chaleur dans les systèmes de stockage thermique.

③ Il possède d'excellentes propriétés de transfert thermique et de fluidité. Parmi les fluides couramment utilisés, il présente la capacité thermique massique la plus élevée, le coefficient de dilatation thermique le plus faible et une faible viscosité, ce qui le rend parfaitement adapté à la circulation naturelle et forcée.

④ La relation température-pression à l'équilibre liquide-gaz est très stable, ce qui la rend adaptée aux capteurs solaires à plaques planes.

⑤ Il est disponible en abondance et peu coûteux.

Inconvénients

① Substance électrolytiquement corrosive, l'oxygène produit corrode facilement les métaux. Il est également un solvant pour la plupart des gaz (notamment l'oxygène), ce qui le rend susceptible de corroder les conteneurs et les canalisations.

② Lors de sa solidification (congélation), son volume augmente considérablement (jusqu'à environ 10 %), ce qui peut endommager les conteneurs et les tuyaux.

③ À des températures supérieures à la normale (plus de 100 °C), la pression de vapeur de l'eau augmente de façon exponentielle avec la température. Par conséquent, pour le stockage de chaleur, la température et la pression ne doivent pas dépasser le point critique (373 °C, 2,2 × 10⁵ Pa). Par exemple, le coût du stockage de chaleur à 300 °C est 2,75 fois supérieur à celui à 200 °C.

Lorsqu'on utilise l'eau comme fluide caloporteur, les réservoirs de stockage de chaleur peuvent être fabriqués à partir de divers matériaux, tels que l'acier inoxydable, l'émail, le plastique, l'alliage d'aluminium, le cuivre, le fer, le béton armé et le bois. Leurs formes peuvent être cylindriques, cubiques ou sphériques. Toutefois, la résistance à la corrosion et la durabilité des matériaux utilisés doivent être soigneusement étudiées. Par exemple, si l'on choisit le ciment ou le bois pour la fabrication de réservoirs de stockage de chaleur, il est impératif de prendre en compte leur dilatation thermique afin de prévenir les fissures et les fuites lors d'une utilisation prolongée.

Un ballon d'eau chaude sanitaire est un appareil capable de stocker à la fois la chaleur et le froid. Il a été conçu comme un composant des systèmes de production d'eau chaude sanitaire, de chauffage et de climatisation des bâtiments. Sa fonction principale est de compenser le déséquilibre entre la consommation d'énergie et la demande énergétique, améliorant ainsi le rendement thermique du système et répondant aux besoins de chauffage.

Les ballons d'eau chaude peuvent être classés en différentes catégories selon leurs caractéristiques de dégagement de chaleur (extrusion totale, mélange total et mélange partiel), leur état de pression (ouvert ou fermé), leur nombre (un seul ou plusieurs ballons), leur mode d'installation (vertical, longitudinal, horizontal ou transversal), les matériaux de construction et leur usage prévu. Nous nous concentrerons ici sur les deux premières catégories.

caractéristiques de dégagement de chaleur d'un réservoir d'eau chaude

En fonction de leurs caractéristiques de dégagement de chaleur (ou de mélange au sein du réservoir), les réservoirs d'eau chaude sanitaire se classent en trois catégories : à écoulement par extrusion complète, à écoulement par mélange complet et à écoulement par mélange partiel. Si υ représente la vitesse d'écoulement de l'eau, L la longueur du réservoir et E le coefficient de diffusion du mélange, ces trois catégories correspondent au degré de mélange de l'eau dans le réservoir, soit à la valeur du coefficient de mélange M = υL/(2E).

(1) Flux d'extrusion complet

Également appelé écoulement piston, ce type d'écoulement dans le réservoir d'eau est parfaitement pistonné, créant deux zones distinctes : une zone d'eau chaude et une zone d'eau froide. L'interface entre ces deux zones est très nette, indiquant un mélange quasi inexistant. Dans ces conditions, on peut considérer que E → 0 ou M → ∞. Lorsque le réservoir d'eau chaude libère de la chaleur (se refroidit), l'eau y entre par le bas (par le haut) et toute la chaleur est ainsi récupérée. Il s'agit d'un état idéal, comme illustré sur la figure 2-11. Supposons que le réservoir contienne 100 L d'eau chaude à 80 °C, et que de l'eau froide à 20 °C soit injectée lentement par l'orifice A situé en bas. L'eau sortant par la sortie B est alors exclusivement à 80 °C. Cependant, dès que le débit dépasse 100 L, la température de l'eau chute brutalement à 20 °C.

(2) Flux complètement mélangé

La température dans le réservoir d'eau est parfaitement uniforme, ce qui indique un mélange très homogène. Dans ce cas, on peut envisager que E→∞ ou M→0. En temps normal, cela n'est possible qu'avec un agitateur puissant installé dans le réservoir d'eau chaude et une injection lente d'eau froide sous agitation. Au départ, la température de l'eau sortant par la sortie B est de 80 °C. Ensuite, elle diminue progressivement selon une fonction exponentielle. Lorsque le débit atteint 100 L, la température de l'eau est descendue à environ 80 × e ≈ 29,3 °C.

(3) Écoulement partiellement mélangé

Également appelé écoulement stratifié en température, ce phénomène indique une distribution non uniforme de la température dans le réservoir d'eau, avec formation d'une stratification. Dans ce cas, la valeur de E peut être considérée comme finie, c'est-à-dire égale à 0.

État de pression du réservoir d'eau chaude

Selon l'état de pression du réservoir d'eau chaude, on distingue deux catégories : ouvert et fermé. À pression atmosphérique normale, la forme de l'espace à occuper dépend des circonstances.

(1) Type ouvert

Le réservoir d'eau, ouvert à l'atmosphère, est soumis à une pression moindre, mais est facilement corrodé par les acides. L'oxygène étant très soluble dans l'eau, la résistance à la corrosion du réservoir doit être élevée. De plus, la hauteur manométrique requise par le système doit également être importante. Ce type de réservoir est généralement utilisé dans les grandes installations solaires.

(2) Type fermé

Le réservoir d'eau étant rempli d'eau, un vase d'expansion doit être installé sur le dessus pour éviter d'endommager le réservoir de stockage de chaleur. Ses avantages sont un système de tuyauterie simple, une petite hauteur de pompe à eau requise et moins d'énergie consommée par la pompe de circulation ; ses inconvénients sont une pression statique relativement élevée, une exigence de résistance à la pression élevée pour le réservoir de stockage de chaleur et un coût d'équipement élevé pour le conteneur résistant à la pression. Il est généralement utilisé dans les petits systèmes d’énergie solaire.

Dans la pratique, le système de production d'eau chaude sanitaire et le ballon de stockage de chaleur en toiture (utilisé avec un système de production d'eau chaude à circulation naturelle) sont généralement de type ouvert. De même, l'utilisation de l'espace entre les poutres de fondation comme ballon de stockage de chaleur et l'utilisation d'un ballon de stockage de chaleur séparé en béton constituent également des solutions de type ouvert. En revanche, lorsque la température de fonctionnement du système dépasse 100 °C, le ballon de stockage d'eau chaude doit être fermé, sauf si un fluide caloporteur spécifique est utilisé. Par ailleurs, les ballons de stockage d'eau chaude des systèmes de production d'eau chaude à circulation forcée installés au sol sont généralement fermés.

Les réservoirs d'eau chaude de type ouvert sont souvent fabriqués en acier galvanisé, en acier inoxydable et en fibre de verre, tandis que les modèles fermés sont souvent fabriqués en émail, en acier inoxydable et en fibre de verre.

Les ballons d'eau chaude sont souvent de forme cylindrique. Premièrement, leur fabrication et leur étanchéité sont simples, ce qui les rend économiques. Deuxièmement, ils offrent une meilleure dissipation de la chaleur et minimisent les zones d'eau stagnante. Troisièmement, ils offrent une meilleure résistance à la pression (sous pression interne constante, la tension exercée sur la paroi du cylindre est proportionnelle à son rayon).

Caractéristiques thermodynamiques des réservoirs de stockage de chaleur

(1) Principaux paramètres des caractéristiques thermodynamiques

① La taille de la zone d'eau morte dans le réservoir de stockage de chaleur ;

② La valeur de la caractéristique de mélange M est déterminée par le degré de mélange de l'eau à différentes températures dans le réservoir de stockage de chaleur ;

③ Le gradient de température à l'intérieur du matériau de stockage de chaleur ;

④ La capacité thermique de l'échangeur de chaleur ;

⑤ La capacité thermique du système de tuyauterie raccordé au réservoir de stockage de chaleur ;

⑥ La capacité thermique du réservoir de stockage de chaleur lui-même et de l'environnement qui l'entoure (applicable aux réservoirs de stockage de chaleur enterrés sous terre).

Pour les réservoirs de stockage de chaleur qui utilisent l'eau comme milieu de stockage de chaleur, puisqu'un échangeur de chaleur n'est pas nécessaire, les deux points ③ et ④ ci-dessus peuvent être ignorés.

(2) Facteurs affectant les caractéristiques thermodynamiques

① L'état de mélange du fluide dans le réservoir d'eau - Dans l'utilisation réelle des réservoirs de stockage de chaleur, la ligne d'écoulement de l'eau peut former une forme d'écoulement de piston incomplète, ce qui non seulement ne permet pas de stocker complètement la chaleur, mais rend également la chaleur stockée impossible à utiliser pleinement.

② Structure du réservoir d'eau et volume d'eau en circulation — se référant principalement au nombre et à la configuration des chicanes à l'intérieur du réservoir, au nombre, au diamètre et à l'emplacement des tuyaux de raccordement, ainsi qu'à la forme du réservoir et au volume d'eau en circulation.

③ Pertes et gains de chaleur — Du fait de la surface protectrice du réservoir d'eau, les pertes et gains de chaleur sont inévitables. Pour les réservoirs de stockage de chaleur à court terme, conçus pour atténuer les pics transitoires de la demande de chauffage, leur enfouissement et leur isolation peuvent en réalité avoir un impact négatif sur leur dynamique thermique. En effet, le sol, de par sa capacité thermique, peut également contribuer au stockage de la chaleur.

④ Températures de stockage et de soutirage de la chaleur — La température de stockage correspond à la température moyenne de l'eau dans le réservoir à la fin du stockage ; la température de soutirage correspond à la température de l'eau à la sortie du réservoir au moment du soutirage de la chaleur. L'efficacité de l'utilisation de la chaleur et la durée de vie du réservoir de stockage dépendent étroitement de la méthode de mesure de ces deux températures.

Réponse transitoire des réservoirs de stockage de chaleur

Lors de l'utilisation d'un réservoir de stockage de chaleur, la fluctuation de la température de l'eau à la sortie est cruciale pour déterminer la charge thermique. Théoriquement, la relation fonctionnelle entre la température d'entrée et la température de sortie (communément appelées températures d'entrée et de sortie) peut être établie en calculant la distribution de température de l'eau dans le réservoir. Cependant, cela nécessite la résolution de l'équation de continuité tridimensionnelle, de l'équation de conservation de la quantité de mouvement et de l'équation de conservation de l'énergie, ce qui représente un processus complexe et exige un programme de calcul long.

En pratique, il n'est pas nécessaire de connaître précisément la distribution de température de l'eau dans le réservoir. Il suffit de connaître l'évolution temporelle de la température d'entrée et de l'apport de chaleur, et de pouvoir calculer l'évolution temporelle de la température de sortie. Actuellement, la méthode la plus couramment utilisée est la « méthode de la réponse transitoire », qui considère le réservoir comme un système unique. Si l'on suppose une relation linéaire entre l'entrée et la sortie (ce qui est approximativement valable lorsque les températures d'entrée et de sortie de l'eau sont similaires), la variation de la température de sortie peut être calculée pour toute variation de la température d'entrée à l'aide d'une intégrale de convolution.

En résumé, l'utilisation de ballons de stockage de chaleur comme dispositifs de stockage de chaleur à petite échelle et à court terme pour les systèmes de production d'eau chaude sanitaire, de chauffage et de climatisation joue un rôle important dans l'exploitation de l'énergie solaire thermique et trouve de nombreuses applications pratiques. Si un stockage de chaleur à grande échelle et à long terme, s'étendant sur plusieurs saisons, est nécessaire, certains pays ont commencé, au cours des deux ou trois dernières décennies, à étudier les aquifères souterrains comme solution efficace de stockage de chaleur et d'économie d'énergie.