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Installation solaire thermique

Thermosiphon solaire : types, fonctionnement et caractéristiques

Thermosiphon solaire : types, fonctionnement et caractéristiques

Les systèmes solaires à thermosiphon sont des équipements d'énergie solaire qui présentent une circulation naturelle du fluide de travail. Cette circulation est basée sur des courants de convection qui se forment dans des fluides à différentes températures.

Le thermosiphon est le phénomène physique par lequel une circulation convective s'établit dans un circuit hydraulique en raison de la seule différence de densité entre des volumes de fluide à des températures différentes. Le principe du thermosiphon est utilisé dans certaines installations solaires thermiques, lorsque la structure des canalisations le permet, c'est-à-dire lorsque le parcours du fluide frigorigène est à plusieurs niveaux et n'est pas trop long (comme dans l'installation présentée). La circulation du fluide caloporteur entre le capteur solaire et le ballon d'eau chaude s'effectue uniquement par convection.

Si nous chauffons un réservoir d'eau par le bas, lorsque l'eau du fond est chauffée, elle perd de sa densité et remonte à la surface où elle se refroidit. Ensuite, il retourne au fond du récipient et ainsi un courant de circulation naturel est généré.

C'est le principe de fonctionnement d'un groupe thermosiphon, dans lequel il sera indispensable que :

  • Le capteur solaire (sources de chaleur) est toujours situé à un niveau inférieur à l'accumulateur.
  • Le circuit primaire de l' installation solaire thermique est le plus court possible et avec une pente continue qui facilite la circulation naturelle.

Comment fonctionne un thermosiphon solaire ?

Système d'énergie solaire thermique par radiateurLe cycle d'un système thermosiphon commence au moment où le rayonnement solaire frappe le capteur solaire, avec des valeurs supérieures à 200 watts/m 2 . Le fluide présent dans les capteurs solaires monte en température. En raison de cette augmentation de température, la densité de flux varie légèrement. Cette variation est suffisante pour que le fluide circule dans le circuit primaire jusqu'à l'accumulateur. Le fluide froid est plus dense et a tendance à descendre, de même que le fluide chaud a tendance à monter. Une fois le fluide dans l'accumulateur, un échange de chaleur s'effectue au moyen d'un processus de convection thermodynamique.

Le fonctionnement dans le circuit primaire de ce système d' énergie renouvelable se fait par thermosiphon. La différence de température habituelle aux bouches des capteurs (T2-T1) est généralement de 5 à 15 degrés Celsius, selon le niveau d'insolation.

Au fur et à mesure qu'il se réchauffe, l'eau de l'accumulateur est stratifiée par la température, c'est-à-dire que la partie supérieure est occupée par de l'eau chaude et que l'eau plus froide reste dans la partie inférieure. Dans les accumulateurs verticaux, ce différentiel de température peut atteindre 15ºC. Dans les accumulateurs horizontaux, ce différentiel tombe à seulement 4-5 degrés Celsius.

L'eau accumulée dans l'accumulateur augmente son énergie thermique et est maintenant disponible pour être utilisée principalement comme chauffage ou eau chaude sanitaire.

Types de thermosiphon : horizontal et vertical

Étant donné que le fonctionnement du système de thermosiphon dépend de la stratification de l'eau dans le réservoir de stockage, les réservoirs verticaux sont plus efficaces. Il est également préférable d'avoir le chauffage d'appoint aussi haut que possible dans le réservoir de stockage, pour ne chauffer que le haut du réservoir avec une puissance auxiliaire en cas de besoin. Ceci est important pour trois raisons :

  • Améliore la superposition.
  • Les pertes de chaleur du réservoir augmentent linéairement avec la température de stockage.
  • Le capteur solaire fonctionne plus efficacement à une température d'entrée du capteur plus basse.

Cependant, pour réduire la hauteur totale de l'unité, des réservoirs horizontaux sont souvent utilisés. Les performances des systèmes à thermosiphon à réservoir horizontal sont influencées par la conduction entre la zone auxiliaire à haute température au sommet du réservoir et la zone solaire et par le mélange des points d'injection de flux.

Les performances de ces systèmes peuvent être améliorées en utilisant des réservoirs solaires et auxiliaires séparés ou en séparant les zones auxiliaire et de préchauffage avec un déflecteur isolé. Un inconvénient des systèmes à deux réservoirs ou à réservoirs segmentés est que l'entrée ne peut pas chauffer la zone auxiliaire jusqu'à ce qu'il y ait une demande.

Composants de base d'un radiateur solaire

Les systèmes solaires thermiques à thermosiphon ont une configuration très simple avec peu d'éléments. Les éléments les plus importants sont le capteur solaire et l'accumulateur. 

Dans ces systèmes, la circulation de l'eau qui circule à travers les capteurs solaires n'est pas forcée. Comme il ne s'agit pas d'une circulation forcée, il convient que la perte de charge soit minimale, c'est-à-dire que les tubes qui forment la grille du capteur aient le diamètre maximal possible.

Concernant le nombre de capteurs solaires à raccorder, il est déconseillé de raccorder plus de 10 m 2 de capteurs. La raison de ne pas connecter trop de capteurs solaires est d'éviter la perte de charge dans le circuit de collecte et d'éviter une réduction considérable des performances de l'installation.

L'accumulateur utilisé dans les équipements à fonctionnement par thermosiphon à circuit indirect est généralement du type à double enveloppe. Les accumulateurs à double enveloppe ont une plus grande surface d'échange thermodynamique avec une perte de charge minimale dans le circuit.

La disposition du réservoir de stockage facilitera la circulation naturelle. Dans ce cas, la meilleure configuration serait de pouvoir utiliser des accumulateurs verticaux pour profiter de la stratification de température. Cependant, les conditions d'intégration esthétique font que la plupart des unités intègrent des accumulateurs horizontaux.

Une autre qualité à considérer est que les prises d'eau des composants du circuit primaire ont un diamètre similaire à celui de la conduite de raccordement afin d'éviter les pertes de charge que représentent les réductions de débit.

Il est également important que l'entrée d'eau froide soit située dans la partie inférieure du réservoir afin d'éviter qu'elle ne refroidisse la zone d'eau chaude lorsque de l'eau nouvelle entre.

Éléments de sécurité d'un système solaire à thermosiphon

Pour protéger le circuit primaire des surpressions, il est obligatoire d'installer une soupape de sécurité (VS) dépourvue d'élément de sectionnement ou de coupure qui isole hydrauliquement l'installation.

C'est le seul élément de sécurité nécessaire dans les installations fonctionnant à pression ambiante. Dans les installations sous pression, il est indispensable d'ajouter un vase d'expansion (VE) et un manomètre.

En raison des caractéristiques spécifiques de ces installations, il n'est pas envisageable d'installer des éléments de protection active contre les basses températures (gel) ou contre les hautes températures (surchauffe).

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Date de publication : 22 septembre 2015
Dernier examen : 16 septembre 2019