Modélisation et validation expérimentale d’un système solaire à retour par gravité

Sam, Farida (2021). Modélisation et validation expérimentale d’un système solaire à retour par gravité. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Un système solaire à retour par gravité installé et testé en 2014 à Montréal a été validé et modélisé. Il est constitué de 4,3 m2 de capteurs plans thermiques et d’un réservoir de stockage de 300 litres installé à l’intérieur d’un local. La validation et la simulation ont été élaborées au moyen du logiciel Trnsys et du langage de programmation Python. Le modèle isotropique pour le calcul de la radiation solaire incidente a été adopté, car les résultats de la comparaison développés avec Python et ceux mesurés en laboratoire atteignent 90 %. Après la validation, le système est simulé pour un chauffe-eau solaire (CES) et pour un système combiné. Dans le cas du (CES), la température de l’eau dans le réservoir est passée de 16 °C à 26 °C. Une différence de 10 °C alors que la température ambiante oscille entre -17 °C et - 12 °C pour une journée type du mois le plus froid de l’année (janvier). Au sommet du réservoir, la température dépasse 50 °C et les pertes causées par la tuyauterie extérieure sont insignifiantes, de l’ordre de 1,2 %. Ces résultats garantissent la protection contre le gel. La part solaire pour cette journée est de 42 % et le rendement affiche 55 %. Pour la majorité des journées de la saison d’hiver, la couverture solaire dépasse 70 %. Pour d’autres le besoin en eau chaude est plutôt satisfaisant même si le rendement est faible. Dans certains cas un appoint est toutefois nécessaire. Pendant l’été, malgré l’intensité du soleil, la température des capteurs ne dépasse pas 100 °C, ce qui règle le problème de surchauffe. Dans le cas du chauffage, une grande installation est nécessaire pour satisfaire les besoins thermiques de 31700 kWh. En effet, après analyse énergétique, pour 44 m2 de surface de captage, la part du soleil est de 47 %, ce qui n’est pas négligeable, mais, le rendement n’est que de 27,9 %. Dans ce cas, le reste des besoins peut être comblé par d’autres sources d’énergie. Il est à noter aussi que 1 m2 de capteurs solaires permet d’éviter chaque année 297 kg de gaz à effet de serre (GES), une quantité significative surtout pour des grandes installations.

Au Québec, en raison du faible coût de l’électricité, les systèmes solaires thermiques les plus connus comme les sous vide utilisant un antigel toxique ne sont pas autant rentables et la période de retour sur investissement dépasse les 25 ans. Une étude comparative élaborée avec les systèmes à retour par gravité montre que ces derniers sont plus avantageux que les systèmes à tubes sous vide, tant sur le plan économique qu’environnemental.

Ces résultats soutiennent ceux de l’étude expérimentale de 2014 fondée sur les normes CSA F379, ISO 9459-2 et ASHREA 95 qui avaient montré que le recours aux systèmes à retour par gravité est réalisable. L’installation est moins coûteuse et plus respectueuse de l’environnement que celle à tube sous vide utilisant un fluide caloporteur non dégradable.

Titre traduit

Modeling and experimental validation of a drainback system

Résumé traduit

A drainback system (DBS) installed and tested in 2014 in Montreal was validated and modeled. It consists of 4.3 m2 of flat thermal collectors and a 300-liter storage tank installed inside a room. The validation and simulation were developed using Trnsys software and the Python programming language. The isotropic model for the calculation of incident solar radiation was adopted, since in most cases the results of the comparison developed with Python and those measured in the laboratory reach 90 %. After validation, the system is simulated for a solar water heater (SWH) and for a combined system (heating and hot water). In the case of (SWH), the temperature of the water in the tank has increased from 16 °C to 26 °C. A difference of 10 °C while the ambient temperature oscillates between -17 ° C and -12 ° C for a typical day in the coldest month of the year (January). At the top of the tank, the temperature exceeds 50 °C and the losses caused by the piping exposed to the outside are insignificant in the order of 1.2 %. These results guarantee protection against freezing. The solar part for this day is 42 % and the efficiency of the system is 55 %. For the majority of days in the winter season, the solar rate exceeds 70 %. For others, the need for hot water is quite satisfactory even if the output is low. In some cases an additional external energy is necessary. During summer, despite the intensity of the sun, the temperature of the collectors does not exceed 100 °C, which fixes the problem of overheating. In the case of heating, a large installation is required to meet the thermal needs of 31700 kWh. Indeed, after energy analysis, for 44 m2 of collection area, the share of the sun is 47 %, which is not negligible. But, the yield is only 27, 9 %. In this case, the rest of the needs can be met by other forms of energy sources. It should also be noted that 1m2 of solar collectors makes it possible to avoid 297 kg of greenhouse gases (GHG) each year, a significant amount especially for large installations.

In Quebec, because of the low cost of electricity, the most famous solar thermal systems such as vacuum systems using toxic antifreeze are not as profitable and the payback period exceeds 25 years. A comparative study developed with drainbak systems shows that the latter are more advantageous both environmentally and economically than vacuum systems.

These results support the results of the 2014 experimental study based on CSA F379, ISO 9459-2 and ASHREA 95 which showed that the use of drainback systems is feasible. The installation is less expensive and more environmentally friendly than the evacuated tube installation using a non-degradable heat transfer fluid.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise en génie de l’environnement". Comprend des références bibliographiques (pages 123-128).
Mots-clés libres:	système à retour par gravité, chauffe-eau solaire, chauffage solaire, Trnsys, python, modèle isotropique, eau, gel, surchauffe, gaz à effet de serre, coût
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Lamarche, Louis
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de l'environnement
Date de dépôt:	03 nov. 2021 15:59
Dernière modification:	03 nov. 2021 15:59
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2771

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