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Etude et conception d'un systeme de climatisation utilisant le rayonnement solaire


par Guillaume Deguy LUMPUNGU MABEYA
Université de Lubumbashi - Ingenieur Civil Electromecanicien 2004
Dans la categorie: Sciences
   
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II.2.3. Dimensionnement des composants

Présentation du chauffe-eau solaire

Le circuit est tel que le soleil chauffe un liquide antigel qui circule entre le capteur solaire et un échangeur thermique (serpentin) placé dans un réservoir. Celui-ci, bien sûr, rempli d'eau"sanitaire" qui donc est chauffée par l'autre liquide. La source d'appoint ne démarre que si l'eau à l'entrée n'atteint pas une certaine température de consigne. L'eau chaude produite est directement acheminée pour alimenter l'appareil de climatisation. En voici, les détails sur la figure ci- dessous.

La figure 18 montre le schéma d'un chauffe-eau solaire.

Figure 18 : Chauffe-eau solaire à appoint électrique séparé

a) Capteur solaire

Nous pouvons définir le capteur solaire comme étant un dispositif destiné à recueillir le rayonnement solaire pour le convertir en énergie thermique et le transférer à un fluide caloporteur (eau, air). La paroi absorbante doit comporter deux qualités:"Capter le plus possible et émettre le moins possible". Pour la suite de notre travail nous dimensionnerons le capteur solaire plan.

Implantation

Les capteurs solaires peuvent être installés sur un toit, sur une terrasse d'un immeuble ou sur un emplacement réservé au sol. Dans tous les cas il est bien évident qu'il doit être orienté le plus possible face au soleil; cet emplacement doit donc être dégagé vers le Sud sans ombres portées par des arbres ou d'autres bâtiments pendant toute l'année. Le champ des capteurs doit être incliné selon que le soleil est plus ou moins haut dans le ciel

Schéma : La figure 19 montre le schéma d'une implantation des capteurs.

Figure 19 : Schéma d'une implantation des capteurs

Légende :   

        A. Hauteur du soleil en hiver
        B. Hauteur du soleil en été
        C. Implantation de capteurs en toiture terrasse
        D. Implantation de capteurs au sol
        E. Local technique
        F. Liaison hydraulique entre les capteurs et le local technique

La bonne inclinaison

L'inclinaison peut se calculer avec précision en faisant le rapport entre la puissance captée sur une surface verticale et celle qui tombe sur la même surface placée horizontalement à chaque période de l'année. L'idéal serait une double inclinaison pour l'été et l'hiver. Mais comme la chose n'est guerre praticable, il vaut mieux adopter un compromis plus proche de la solution de l'hiver plutôt que celle de l'été dans la mesure où il est préférable que la captation soit optimale quand la chaleur est plus rare. C'est ainsi qu'il est conseillé une inclinaison égale à la latitude de l'endroit (car le soleil est d'autant plus haut dans le ciel qu'on est proche de l'équateur) augmenté de 10°

Dans le cas d'espèce l'inclinaison sera de:

Ù = 11°29+10°=21°29

Les capteurs solaires implantés sur un toit incliné comme dans le cas d'espèce seront mieux perçus s'ils sont intégrés dans la toiture même. Ainsi, les capteurs solaires seront utilisés pour remplacer la couverture traditionnelle.

Schéma

Coupe du dit capteur solaire intégré au toit incliné de 21°29

Figure 20 : Capteur solaire intégré au toit.
Légende :

        A. Vitrage intégré dans la couverture du toit
        B. Absorbeur du capteur solaire
        C. Isolation thermique
        D. Couverture traditionnelle
        E. Charpente
        F. Arrivée d'eau froide
        G. Départ d'eau chaude

Dimensionnement

Calculons d'abord l'irradiation globale journalière sur un plan horizontale par la formule (1.3)

G = Go [0,29.Cos (L) +0,25ó]

(1.1) Donne: ó =

Dans notre contrée SS est estimé à 7h alors que SSo vaut 12h;

Ainsi : ó = = 0,58

L'expression (1.2) donne ä = 23,45° Sin [0,980(j+284)]

La date j est celle du 8 / Juin, d'où j = 8.

ä = 23,45 Sin [0,980.292] = - 22,52°

Par la relation (1.5) on a: Cos (ù1) = - tan (L).tan (ä)

= -tan (11°29).tan (-22,52)

Cos (ù1) = 0,08423

.ù1 = 85,16°

L'expression (1.4) donne Go = 3,795.104.Cos (L).Cos (ä)[Sin(ù1) - ð.ù1/180.Cos(ù1)]

Go = 3,795.104.Cos(11°29).Cos(-22,52)[Sin(85,16) - 3,14.85,16/180.Cos(85,16)]

Go = 29925, 84 kj/m²

D'où G = 29925,84.[0,29.Cos(11°29)+0,52.0,58] = 17530,406 kJ/m²

Sur une surface inclinée de 21°29 G sera de:

G = 17530,406/Cos (21°29) = 18839,281 kJ/m²

Or la durée effective d'ensoleillement est de 7h soit 25200 secondes, d'où la densité de flux correspondante sera de:

G* = 18839,281/25200 = 0,747590 kW/m²

G* = 747,59 w/m²

Nous dimensionnons un capteur solaire plan capable d'élever la température d'un débit d'eau de Tfe égale à 20°c à Tfs égale à 90°c et dont on connaît:

· Le coefficient d'absorption de la paroi î = 0,8;

· Le coefficient de transmission de la couverture transparente æ = 0,7;

· Le coefficient caractéristique de gains du capteur B = 0,75;

· Le coefficient caractéristique de pertes du capteur K = 7 w/m²/°c;

· La conductivité thermique de la paroi absorbante â= 22,7 w/m/°c

L'eau circule à la vitesse v = 1,2 m/sec, sa capacité calorifique cf est de 4180 J/kg°c

Le capteur comporte 14 tubes (n = 14) de 25mm de diamètre extérieur (De) et dont la distance entre 2 tubes vaut x = 10mm

La principale question consiste à calculer la surface du capteur. Le problème se resoud par la méthode itérative:

· On se fixe une valeur"réaliste "de S

· On calcule le flux solaire absorbée par le capteur: Ôa = G*.î.æ. ;

· On calcule la puissance absorbée par le capteur Pa = Ôa.S ;

· On calcule la puissance utile du capteur:Pu = S. [B.G* - K (Tfs - Tfe)];

· On calcule le coefficient global de perte hp = (Pa - Pu)/S (Tfs - Tfe) ;

· On calcule le rendement de l'ailette F =

l² = ; avec ep = 5mm:épaisseur de la paroi;

· On calcule le facteur de conductance de l'absorbeur FR = Où: qe:Débit total du fluide dans l'absorbeur

Constitué de n tubes en parallèle [kg/ sec]. Dans ce cas qe=n.v.s.ö =,14.(0,025)².3,14.1,2.1000/4 =8,12 kg/sec

· On recalcule S=

· On compare la valeur recalculée à la valeur de départ. Si la différence dépasse un critère de convergence (#177;O, 1) on réitère la boucle de calcul en prenant comme valeur initiale la valeur recalculée. Sinon on arrête les calculs en retenant le résultat de la dernière boucle effectuée.

Calculs

Nous effectuons les calculs à l'aide d'un programme en Excel :

Tableau 1 : Programme en Excel

D'où la surface du capteur est de : Sc = 6,7 m²

Ainsi donc le rendement optique du capteur est donné par :

o =Pa/G*.Sc = 2834,26/747,59.6,7= 0,5658

ç0 = 56,58%

Le rendement globale du capteur est donné par :

g = Pu/G*.Sc = 478,58/747,59.6,7= 0,0955

çg = 9,55%

b) Groupe de transfert

Le groupe de transfert sera essentiellement composé d'un système de régulation et d'une pompe de circulation.

Principe

Le principe de base de la régulation de cette installation solaire est simple. Une sonde est située dans le capteur solaire, une autre dans le bas du ballon d'eau chaude solaire (au 1/9 de la hauteur de la virole).

Dès que le capteur est plus chaud que le ballon solaire de quelques degrés, la pompe de circulation est mise en service; des que les température s'équilibrent la pompe s'arrête. Le régulateur différentiel est bien approprié pour ces opérations.

Le rôle du dispositif de régulation est de commander le transfert de l'énergie captée, seulement si la température du fluide caloporteur dans le capteur est supérieure à celle de l'eau contenue dans le ballon de stockage.

Réglage du régulateur différentiel

Le fonctionnement du régulateur dépend essentiellement des réglages des différentiels de températures.

Appelons:

· ?T1:valeur ajustable du différentiel d'enclenchement du régulateur;

· ?T2:valeur ajustable du différentiel d'arrêt du régulateur

La circulation du fluide dans le capteur ne peut s'établir que quand Tcapteur>Tstockage+?T1

La pompe de circulation s'arrête quand Tcapteur<Tstockage+?T2

Dans le cas d'espèce notre installation est équipée d'un échangeur extérieur. Dans ce cas la mise en circulation de l'eau dans le circuit secondaire de l'échangeur (échangeur - ballon de stockage) nécessite la mise en oeuvre d'un second circulateur. Ainsi donc la régulation de l'installation sera assurée par deux régulateurs différentiels R1 et R2.

Schéma de principe

La figure 21 montre le schéma complet de l'installation solaire.

Ballon de stockage

R1

R2

Tc

T1

Echangeur

Circulateur 1

Circulateur 2

Eau chaude

Capteur solaire

Tstockage

Figure 21 : Schéma complet de l'installation solaire

Le circulateur du circuit primaire (1) est mis en service lorsque Tcapteur>Tstockage+?T1 :

· Si T1(température d'homogénéisation du circuit primaire)>Tstockage+?T1, le régulateur R2 commande la mise en service du circulateur du circuit secondaire.

· Si T1<Tstockage+?T2, la circulation de l'eau dans le circuit secondaire est interrompue

De manière à assurer les bonnes conditions de fonctionnement de l'installation, il est conseillé de prendre ?T1=6k et ?T2=2k

L'unité de stockage

Le stockage de l'énergie captée permet de palier le caractère discontinu de l'énergie solaire.

Pour le dimensionnement du stock, on définit le volume du stock en fonction de la quantité d'eau chaude nécessaire pour le besoin de climatisation

Le débit massique d'eau qui circule a été calculé à:qe=8,12kg/sec; soit qe= 29232kg/h

On a donc un débit de 29,2 litres/h.

Ainsi donc le volume du stock V doit être supérieur ou égal à 29,2 litres

D'où V = 30 litres

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