État de l’art sur les chauffe-eau solaires vidangeables

Études numériques réalisées

En 1980, trois systèmes de chauffage solaire vidangeables ayant des configurations différentes, ont été simulés avec le logiciel TRNSYS pour une période s’étalant de novembre à mars à Fort Collins, États-Unis (Goumaz et Duffie, 1982). Le premier a été un système à retour ouvert avec stratification, le deuxième a été à retour ouvert sans stratification dans le réservoir, avec alimentation en eau froide en bas et retour de l’eau chaude en haut, et le troisième a été un système à retour par thermosiphon. Un seul modèle TRNSYS a été utilisé pour ces systèmes en y incorporant de légères modifications. Le débit massique dans le collecteur, par exemple, a été sélectionné de telle façon que le débit capacitif restait le même pour ces différentes configurations puisque le rendement du collecteur est fonction du débit capacitif plutôt que du débit massique. Le modèle a été validé en fonction des données de performance des systèmes réels au cours d’une période de vingt jours. Le meilleur chauffe eau solaire vidangeable trouvé, a été celui à retour ouvert avec stratification. Durant cette étude, il a été constaté aussi que le matin, une boucle solaire pleine (sa capacitance thermique a été 1 230 kJ/°C) se réchauffe 30 min après une boucle solaire vide (sa capacitance thermique a été 767 kJ/°C).

Ce qui démontre davantage l’intérêt des systèmes vidangeables. En 1990, une étude de faisabilité de remplacement des méthodes de certification des chauffeeau solaires par Solar Rating and Certification Corporation SRCC par des simulations réalisées avec TRNSYS, a été effectuée. Trois systèmes génériques ont fait partie de cette étude; un système vidangeable, un système à recirculation et un système avec antigel (Carlson et al., 1990). Les effets significatifs sur les performances des systèmes ont été déterminés en se basant sur cinq facteurs; débit dans le collecteur, débit de recirculation, surface des collecteurs, volume du réservoir de stockage et la conception de ce dernier. Ces effets ont été basés aussi sur les interactions entre ces facteurs. Parmi ces effets, ceux qui ont représenté des différences entre les résultats expérimentaux et simulés, ont été retenus afin d’éliminer les confusions de certains facteurs sur les prédictions de TRNSYS par la réalisation d’autres expériences. Pour cette raison, l’étude a été poursuivie ultérieurement. Des mesures expérimentales des performances du chauffe-eau solaire vidangeable opérant sous les procédures de SRCC ont été examinées sous une variété de conceptions et de conditions d’opération. Une analyse factorielle à deux niveaux a été effectuée par la suite en utilisant comme réponses :

Études économiques

En ce qui concerne les coûts, Goumaz et Duffie (Goumaz et Duffie, 1982) ont fait une étude économique qui a montré que les systèmes vidangeables ont un avantage économique significatif sur les systèmes à glycol. Avec les paramètres choisis dans leur article, un chauffe-eau solaire à glycol, en 1982, devrait coûter 750 $ de moins qu’un chauffe-eau solaire vidangeable afin d’avoir le même coût du cycle de vie. Dans le même cadre, une évaluation des coûts des chauffe-eau solaires domestiques installés au Canada a été effectuée par Mills (Mills, 1986). L’étude a été menée en vue de déterminer où des économies peuvent être réalisées dans le coût d’installation de ces systèmes. 20 systèmes similaires ont été ainsi installés à l’ile du Prince Edward. L’analyse a été basée sur l’hypothèse que la réduction des coûts peut être effectuée avec un effet négligeable sur les performances. Il s’est avéré que le coût moyen d’un chauffe-eau solaire à boucle fermée avec antigel ayant une superficie de 4.6 m² et qui supplée 150 L d’eau chaude par jour au Canada, était 1 485 $ à cette époque alors que le coût moyen d’un chauffe-eau solaire vidangeable était 1 271 $. Une autre étude a été faite à Austin au Texas, États-Unis (Vliet, 1990).

Cette étude détaille les différents frais payés afin de modifier un chauffe-eau solaire direct à circulation à débit faible comme protection contre le gel en un chauffe-eau solaire indirect vidangeable. Le système initial a couté 760 $ et a souvent mal fonctionné pendant sept ans alors que le deuxième n’a présenté aucune difficulté pendant six ans, depuis son installation, et sa modification a couté 85 $ pour un nouveau collecteur, 402 $ pour les changements apportés et 85 $ pour le système de contrôle, donc un total de 1 282 $. En 2004, des mesures de réduction des coûts des systèmes solaires thermiques ont été prises pour encourager la propagation de cette technologie dans les pays nordiques (Bales et Furbo, 2004). L’accent a été mis sur les systèmes à boucle fermée utilisant le glycol et les systèmes vidangeables utilisant l’eau sanitaire. Ce dernier a été recommandé que ce soit pour des nouveaux bâtiments ou bien ceux à rénover. L’intégration des collecteurs sur les façades a été proposée aussi afin de minimiser les coûts.

Différentes classifications

Après avoir vu l’évolution de la connaissance sur les chauffe-eau solaires vidangeables au niveau expérimental, numérique et théorique, il est intéressant de faire la distinction entre les différents types rencontrés. Dans la littérature, plusieurs notations ont été employées afin de différencier entre les configurations existantes des chauffe-eau solaires vidangeables. Ces derniers ont été subdivisés en deux groupes; systèmes hermétiques et systèmes ventilés (Goumaz et Duffie, 1982). Dans les systèmes hermétiques, la conduite de retour du collecteur au réservoir du stockage est surdimensionnée. En effet, lorsque la pompe s’arrête, le fluide circulant par gravité est remplacé par de l’air qui monte de la conduite de retour à partir d’une extension ou d’un réservoir de stockage. Dans ces systèmes, l’évaporation ne peut se produire et la corrosion est réduite puisqu’il n’y a pas d’air extérieur qui entre dans le système. De même, dans un système ventilé le fluide s’écoule par gravité et est remplacé par de l’air extérieur. Cependant, l’air cette fois vient d’une soupape de purge d’air située au point le plus haut du système. Donc la conduite de retour dans ce système a le même diamètre que la conduite d’alimentation.

Selon Goumaz et Duffie (Goumaz et Duffie, 1982), une autre subdivision de ces deux systèmes, en systèmes pressurisés et systèmes non-pressurisés, peut être faite. Lorsque le réservoir est directement connecté à l’eau domestique, le système est pressurisé et une contre-pression du système doit être créée. Dans un système non-pressurisé, lors de l’expansion du fluide chauffé dans le réservoir, l’excès de pression débouche dans l’atmosphère. En se refroidissant, le fluide se contracte et l’air de l’atmosphère entre dans le réservoir afin de garder la pression aux alentours de la pression atmosphérique (Avery, 1987). Une autre distinction entre ces systèmes a été trouvée dans l’état de l’art; les systèmes vidangeables indirects et les systèmes vidangeables directs (Grunes et Morrison, 1983). Ces derniers ne requièrent pas l’utilisation d’un échangeur de chaleur entre le fluide du collecteur et le réservoir, néanmoins ils ne sont pas fiables. Les systèmes indirects par contre, nécessitent un échangeur de chaleur à paroi unique entre le fluide caloporteur et le fluide à chauffer. Ceci permet au circuit primaire du collecteur de fonctionner sous une basse pression en boucle fermée, ce qui élimine le besoin d’électrovanne et permet aussi de surmonter le problème des dépôts minéraux.

Description de la mise en service du système Le réservoir de stockage, montré à la Figure 2.4, étant le même que celui de drainage, est rempli initialement d’eau de la ville à la température Tmain. Le système est, par la suite, mis en marche. La pompe s’active et se désactive selon les ordres du contrôleur. On appelle S1 le point situé dans l’absorbeur du deuxième collecteur, montré à la Figure 2.5. La température, ToutColl, mesurée à ce point est considérée une température représentative de la sortie des deux collecteurs. Soit S2 le point situé au fond du réservoir où on mesure TbottomTk. Lorsque la différence de température ToutColl – TbottomTk est supérieure à 10 °C et lorsque la température à la sortie des collecteurs, ToutColl, est supérieure ou égale à 20 °C, la pompe est mise en marche et l’eau du réservoir circule dans le circuit primaire du système afin de collecter l’énergie solaire reçue par les collecteurs. La pompe est arrêtée lorsque la différence de température devient inférieure à 3 °C, tout en respectant une température maximale de 85 °C qui peut être atteinte au fond du réservoir.

La pompe s’arrête aussi lorsque la température à la sortie des collecteurs dépasse 95 °C afin de protéger le système contre la surchauffe. Elle est remise en marche lorsque cette température chute en dessous de 90 °C. En suivant ce mode de fonctionnement, le système récupère l’énergie solaire disponible dans les collecteurs et la renvoie vers le réservoir. Les Figure 2.4 et Figure 2.5 montrent le sens d’écoulement du fluide caloporteur dans le circuit solaire primaire, colorée en bleu ciel pour représenter l’alimentation en eau froide des collecteurs et en rouge pour représenter le retour de cette eau vers le réservoir, ainsi que la direction de l’eau de la ville dans le circuit solaire secondaire, colorée en bleu foncé pour représenter l’entrée de cette eau à l’échangeur de chaleur et en orangé pour représenter sa sortie. Cet échangeur de chaleur s’étale sur la surface latérale interne du réservoir. Donc, lorsqu’il est alimenté en eau froide de la ville à Tmain, cette dernière récupère à son passage la chaleur de l’eau chaude stockée dans le réservoir et quitte par la suite cet échangeur de chaleur à une température chaude ToutHX. Ce soutirage de chaleur de l’eau chaude produite par le chauffe-eau solaire ne commence que lorsqu’une température TwaterTk suffisamment chaude est atteinte dans le réservoir.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ÉTAT DE L’ART SUR LES CHAUFFE-EAU SOLAIRES VIDANGEABLES
1.1 Études expérimentales réalisées
1.2 Études numériques réalisées
1.3 Études théoriques réalisées
1.3.1 Études techniques
1.3.2 Études économiques
1.4 Différentes classifications
1.5 Les CESDs vidangeables dans le marché canadien
1.5.1 Le CESD vidangeable Solcan
1.5.2 Le CESD vidangeable MD Energy Solutions
1.5.3 Le CESD vidangeable Solaris
1.5.4 Le CESD vidangeable Globe Solar Energy
1.6 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 2 BANC D’ESSAIS
2.1 Choix du système d’essais
2.2 Description du montage des composants du système
2.2.1 Circuit solaire primaire
2.2.1.1 Collecteurs
2.2.1.2 Réservoir de stockage
2.2.1.3 Soupape de détente
2.2.1.4 Pompe
2.2.1.5 Tuyauterie de raccordement
2.2.2 Circuit solaire secondaire
2.2.2.1 Échangeur de chaleur
2.2.2.2 Mitigeur thermostatique
2.2.1 Contrôleur
2.3 Description des conditions climatiques
2.4 Description de la mise en service du système
2.5 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 3 PROCÉDURE EXPÉRIMENTALE
3.1 Classification des procédures
3.2 Essais de protection contre le gel
3.3 Essais de performance
3.3.1 Avec plusieurs soutirages d’eau chaude pendant la journée
3.3.2 Avec un seul soutirage d’eau chaude pendant la nuit
3.4 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 4 RESULTATS
4.1 Analyse de la protection contre le gel
4.2 Analyse des performances journalières
4.2.1 Comportement du circuit solaire primaire
4.2.1.1 Stratification thermique du réservoir
4.2.1.1 Pertes thermiques nocturnes
4.2.1.2 Pertes thermiques pour une journée nuageuse
4.2.1.3 Rendement des collecteurs
4.2.2 Comportement du système
4.2.2.1 Lors des soutirages journaliers
4.2.2.2 Lors du soutirage nocturne
4.2.3 Bilan énergétique
4.3 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 5 ANALYSE ÉCONOMIQUE ET IMPACT ENVIRONNEMENTAL
5.1 Potentiel économique maximal pour l’eau chaude domestique
5.1.1 Potentiel économique du remplacement du chauffage électrique
5.1.2 Potentiel économique du remplacement du chauffage au mazout
5.1.3 Potentiel économique du remplacement du chauffage au gaz naturel
5.1.4 Rentabilité
5.2 Potentiel solaire maximal théorique
5.3 Chauffe-eau solaires : auto-vidangeables versus avec glycol
5.4 Etude de cas : Chauffe-eau solaires installés aux iles de la Madeleine
5.4.1 Intégration au chauffage électrique
5.4.2 Intégration au chauffage au mazout
5.4.3 Impact environnemental
5.5 Conclusion du chapitre
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I ARTICLE SCIENTIFIQUE
ANNEXE II CHAUFFE-EAU SOLAIRES : GÉNÉRALITÉS
ANNEXE III NORMES, STANDARDS ET INSTRUMENTATION
ANNEXE IV CHAÎNE D’ACQUISITION
ANNEXE V INTERFACE D’ACQUISITION
ANNEXE VI DONNÉES DES ESSAIS DE PROTECTION CONTRE LE GEL
ANNEXE VII DONNÉES DES ESSAIS DE PERFORMANCE
ANNEXE VIII CALCUL DE L’INCERTITUDE DE MESURE
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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