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Systèmes solaires thermosiphon

Systèmes solaires thermosiphon

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

Le thermosiphon est le phénomène physique par lequel une circulation convective est établie dans un circuit hydraulique en raison de la seule différence de densité entre les volumes de fluide à différentes températures. Le principe du thermosiphon est utilisé dans certains systèmes d'énergie solaire thermique, lorsque la structure des tuyaux le permet, c'est-à-dire lorsque le circuit de réfrigérant est à plusieurs niveaux et n'est pas trop long (comme dans l'installation présentée). Le déplacement du fluide caloporteur, entre le capteur solaire et le ballon d'eau chaude, se fait uniquement par convection

Si nous chauffons un réservoir d'eau au fond, lorsque l'eau du fond se réchauffe, il perd de la densité et remonte à la surface où il se refroidit. Ensuite, il retourne au fond du conteneur et génère ainsi un courant de circulation naturel.

C'est le principe de fonctionnement d'un équipement à thermosiphon, dans lequel il sera essentiel que:

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

Fonctionnement du système thermosiphon

Système d'énergie thermique solaire par thermosiphonLe cycle d'un système à 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 augmente en température. En raison de cette augmentation de température, la densité de débit varie légèrement. Cette variation est suffisante pour que le fluide circule à travers le circuit primaire vers l'accumulateur. Le fluide froid est plus dense et a tendance à tomber, de la même manière, le fluide chaud a tendance à augmenter. Une fois que le fluide est dans l'accumulateur, un échange de chaleur est effectué en utilisant 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 entre les bouches du capteur (T2-T1) est généralement de 5 à 15 degrés Celsius, en fonction du niveau de coup de chaleur.

Lorsqu'elle est chauffée, l'eau dans l'accumulateur est stratifiée en fonction de la température, c'est-à-dire que la partie supérieure est occupée par de l'eau chaude et la partie inférieure est l'eau la plus froide. Dans les accumulateurs verticaux, ce différentiel de température peut atteindre 15ºC. Dans les accumulateurs horizontaux, ce différentiel chute à seulement 4-5 degrés Celsius.

L'eau accumulée dans l'accumulateur augmente son énergie thermique et est déjà disponible pour le chauffage ou la production d'eau chaude sanitaire.

Thermosiphon horizontal et vertical thermosiphon

Étant donné que le fonctionnement du système à thermosiphon dépend de la stratification de l'eau dans le réservoir de stockage, les réservoirs verticaux sont plus efficaces. Il est également préférable que le réchauffeur auxiliaire soit aussi haut que possible dans le réservoir de stockage, afin de chauffer uniquement la partie supérieure du réservoir avec de l'énergie auxiliaire lorsque cela est nécessaire. Ceci est important pour trois raisons:

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

Cependant, pour réduire la hauteur totale de l'unité, des réservoirs horizontaux sont fréquemment utilisés. La performance des systèmes de thermosiphon à réservoir horizontal est influencée par la conduction entre la zone auxiliaire haute température située au sommet du réservoir et la zone solaire et par le mélange des points d'injection.

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

Éléments de base d'un système thermosiphon

Les systèmes solaires thermiques de 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, la perte de charge doit être minimale, c'est-à-dire que les tubes qui forment la grille collectrice ont le diamètre maximum possible.

En ce qui concerne le nombre de capteurs solaires à connecter, il est déconseillé de connecter plus de 10 m 2 de capteurs. La raison pour ne pas connecter trop de capteurs solaires est d'éviter la perte de charge du circuit de détection et d'éviter une réduction considérable des performances de l'installation.

L'accumulateur utilisé dans les équipements à fonctionnement par thermosiphon en circuit indirect est généralement de type 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 accumulateur facilitera la circulation naturelle. Dans ce cas, la meilleure configuration serait d'utiliser des accumulateurs verticaux pour tirer parti de la stratification en fonction de la température. Cependant, les facteurs d'intégration esthétique font que la plupart des équipements incorporent des accumulateurs horizontaux.

Une autre qualité à considérer est que les entrées d'eau des composants du circuit primaire ont un diamètre similaire à celui du tuyau de raccordement afin d'éviter les pertes de charge représentées par les réductions de débit.

Il est également important que l'entrée d'eau froide soit située au bas du réservoir afin de l'empêcher de refroidir la zone d'eau chaude lorsque la nouvelle entrée d'eau se produit.

Éléments de sécurité d'un système solaire par thermosiphon

Pour protéger le circuit primaire contre les surpressions, il est obligatoire d'installer une soupape de sécurité (VS) ne comportant aucun élément de sectionnement ou de coupe pouvant isoler hydrauliquement de l'installation.

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

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

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Dernier examen: 16 septembre 2019