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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.

Qu'est-ce qu'un thermosiphon ?

Le thermosiphon est le phénomène physique par lequel une circulation de fluide s'établit en circuit fermé du fait de la différence de densité entre les fluides à différentes températures.

Le principe du thermosiphon est utilisé dans certaines installations de chauffage solaires thermiques, lorsque la structure des canalisations le permet. Pour ce faire, il faut que le trajet du fluide caloporteur soit à différents niveaux et ne soit pas trop long. La circulation du fluide caloporteur entre les panneaux solaires et le ballon d’eau chaude s'effectue uniquement par convection.

A quoi sert un thermosiphon solaire ?

Un panneau solaire thermosiphon permet de chauffer l'eau de chauffage d'une habitation ou d'obtenir de l'eau chaude sanitaire grâce aux énergies renouvelables.

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 au ballon de stockage.

  • Le circuit primaire de l'installation solaire thermique est un circuit hydraulique le plus court possible et avec une pente continue qui facilite la circulation naturelle.

Thermosiphon fonctionnement

Le d’un chauffe-eau solaire thermosiphon commence au moment où le rayonnement solaire frappe le capteur solaire, avec des valeurs supérieures à 200 watts/m2. Le fluide présent dans les capteurs solaires monte en température.

Thermosiphon solaire : types, fonctionnement et caractéristiquesEn 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'au ballons de stockage qui peut être de 100 à 300 litres.

L'eau froide est plus dense et a tendance à descendre à cause de la variation de sa masse par volume. De même que le fluide chaud a tendance à monter. Une fois le fluide dans le ballon de stockage, un échange de chaleur s'effectue au moyen d'un processus de convection thermodynamique.

Quelle est la différence de température d'un thermosiphon ?

La différence de température dans le circuit primaire d'une installation de panneaux solaires thermiques à thermosiphon est généralement de 5 à 15 degrés Celsius, selon le niveau d'ensoleillement.

Au fur et à mesure qu'il se réchauffe, l'eau du ballon de stockage 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 ballons de stockage verticaux, ce différentiel de température peut atteindre 15ºC. Dans les ballons de stockage horizontaux, ce différentiel tombe à seulement 4-5 degrés Celsius.

Types de thermosiphon : horizontal et vertical

Étant donné que le fonctionnement du chauffe-eau 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 ballon horizontal sont influencées par la conduction entre la zone auxiliaire haute température en tête de ballon et la zone solaire et par le mélange des points d'injection de débit.

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 thermosiphon solaire

Les systèmes solaires thermiques à thermosiphon ont une configuration très simple avec peu d'éléments. Les éléments les plus importants en plus des systèmes de sécurité pour réduire les risques de panne sont le capteur solaire et le ballon de stockage.

Panneaux solaires

Dans les systèmes solaires à thermosiphon, la circulation de l'eau qui circule à travers les panneaux solaires n'est pas forcée. Comme il ne s'agit pas d'une circulation forcée, il est conseillé que la perte de charge soit minimale, c'est-à-dire que les tubes qui forment la grille du collecteur aient une section circulaire et le diamètre maximum possible.

Concernant le nombre de capteurs solaires connectés, il est déconseillé de connecter plus de 10 m2 de capteurs. La raison est d'éviter la perte de charge dans le circuit de collecte et d'éviter une réduction considérable des performances de l'installation solaire.

Balloon de stockage solaire

Les ballons de stockage utilisés dans les équipements à fonctionnement par thermosiphon à circuit indirect sont généralement du type à double enveloppe. Les ballons de stockage à double enveloppe ont une plus grande surface d'échange thermodynamique avec une perte de charge minimale dans le circuit hydraulique.

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

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Date de Publication: 22 septembre 2015
Dernière Révision: 30 août 2022