Conception et optimisation d'un capteur solaire thermique innovant adapté à la rénovation énergétique grâce à l'intégration du stockage PDF Download
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Author: Jeronimo Vidigal Duarte Souza
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La part de consommation d'énergie primaire d'eau chaude sanitaire (ECS) dans des bâtiments à basse consommation (BBC) devient proportionnellement importante quand comparée aux autres postes. Actuellement, l'intégration des systèmes dans les nouveaux bâtiments ne présente pas de difficulté. En revanche, le marché de la rénovation est mal exploité, et une des contraintes importante est le placement du ballon de stockage. Dans le cas où le ballon doit être placé en dehors du bâtiment, les solutions existantes ne sont pas satisfaisantes, ni d'un point de vue thermique (fortes pertes), ni d'un point de vue esthétique (réservoir visible à l'extérieur). Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié une solution innovante visant à intégrer le stockage au capteur, afin de permettre une intégration complète du système au niveau de la toiture. Le critère énergétique nous a conduit à proposer un volume de stockage totalement isolé où l'apport de chaleur se produit en partie basse. Nous réalisons dans le cadre de la thèse une étude expérimentale d'une cavité à haut rapport de forme, qui nécessite la réalisation d'un système de stratification. Ce système, une plaque, a été étudié numériquement pour optimiser le placement du fluide en partie haute. Enfin un modèle global a été conçu pour les simulations de performance annuelle. Ce modèle se montre satisfaisant, et montre que la performance du système est légèrement inférieure aux systèmes classiques (thermosiphon). Les pertes thermiques ont été le facteur le plus pénalisant. Le dimensionnement d'un prototype a été réalisé, et ce dernier sera testé au cours de l'année 2012.
Author: Jeronimo Vidigal Duarte Souza
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La part de consommation d'énergie primaire d'eau chaude sanitaire (ECS) dans des bâtiments à basse consommation (BBC) devient proportionnellement importante quand comparée aux autres postes. Actuellement, l'intégration des systèmes dans les nouveaux bâtiments ne présente pas de difficulté. En revanche, le marché de la rénovation est mal exploité, et une des contraintes importante est le placement du ballon de stockage. Dans le cas où le ballon doit être placé en dehors du bâtiment, les solutions existantes ne sont pas satisfaisantes, ni d'un point de vue thermique (fortes pertes), ni d'un point de vue esthétique (réservoir visible à l'extérieur). Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié une solution innovante visant à intégrer le stockage au capteur, afin de permettre une intégration complète du système au niveau de la toiture. Le critère énergétique nous a conduit à proposer un volume de stockage totalement isolé où l'apport de chaleur se produit en partie basse. Nous réalisons dans le cadre de la thèse une étude expérimentale d'une cavité à haut rapport de forme, qui nécessite la réalisation d'un système de stratification. Ce système, une plaque, a été étudié numériquement pour optimiser le placement du fluide en partie haute. Enfin un modèle global a été conçu pour les simulations de performance annuelle. Ce modèle se montre satisfaisant, et montre que la performance du système est légèrement inférieure aux systèmes classiques (thermosiphon). Les pertes thermiques ont été le facteur le plus pénalisant. Le dimensionnement d'un prototype a été réalisé, et ce dernier sera testé au cours de l'année 2012.
Author: Christophe Plantier
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Pages : 207
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Cette étude a pour objet la recherche d'innovations dans le domaine des chauffe-eau solaires afin d'améliorer le ratio "production de chaleur 1 investissement' de cette technologie. Dans ce but, la démarche de travail a consisté, dans un premier temps, à établir le bilan énergétique détaillé d'un chauffe-eau solaire en fonctionnement pour repérer les points faibles du système et cibler l'apport d'innovation. Pour ce faire, l'outil numérique de simulation dynamique TRNSYS a été utilisé. L'analyse du bilan énergétique du chauffe-eau solaire a montré l'intérêt de réduire les niveaux de températures auxquels le système fonctionne. On peut ainsi espérer réduire les déperditions thermiques et donc fonctionner à un meilleur rendement, mais aussi ralentir la dégradation du matériel due aux sollicitations thermiques. En suivant cette voie de recherche, nous nous sommes intéressés au stockage de chaleur latente dans des matériaux à changement de phase. Le principe de fonctionnement thermique de ces matériaux permet d'envisager un stockage de chaleur beaucoup plus dense qu'un stockage de chaleur sensible dans l'eau, dans des plages de températures intéressant directement la production d'eau chaude sanitaire. Ces matériaux peuvent donc servir de stockage de chaleur et de régulateur des niveaux de températures du système. Un ballon de stockage, intégrant des matériaux à changement de phase encapsulés dans des nodules sphériques, a donc été élaboré puis modélisé. La modélisation des transferts de chaleur dans les matériaux à changement de phase repose sur une méthode appelée enthalpique. Des essais en laboratoire sur un prototype expérimental de ce ballon de stockage ont permis de vérifier le bon fonctionnement du modèle numérique. Grâce au modèle développé, on a pu simuler, dans l'environnement TRNSYS, un chauffe-eau solaire intégrant un stockage à chaleur latente et obtenir ainsi son bilan énergétique détaillé. La comparaison de ce bilan énergétique avec celui d'un système classique a permis d'évaluer l'intérêt de l'innovation. Compte-tenu de la complexité du comportement thermique des matériaux à changement de phase et des simplifications i adoptées par le modèle numérique, il faut rester prudent sur l'analyse des résultats de simulation. Toutefois, ceux-ci révèlent des tendances très positives du nouveau système. Le stockage de chaleur latente sert en effet de régulateur thermique du système et réduit sensiblement les niveaux de températures auxquels fonctionne le chauffe-eau solaire. D'un point de vue numérique, les perspectives de travail concernent un perfectionnement du modèle numérique dans sa précision mais surtout dans ses temps de calcul. Ceux-ci sont trop élevés et empêchent une étude numérique complète du système dans des délais raisonnables. Avec un modèle perfectionné, on pourra mener une recherche du meilleur dimensionnement du stockage à chaleur latente permettant d'optimiser les performances du chauffe-eau solaire. D'un point de vue technologique, une étude technico-économique devrait montrer l'intérêt industriel de l'innovation développée qui est basée sur la simplicité et ne devrait pas entraîner de surcoût rédhibitoire
Author: Fabrice Motte
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Pages : 269
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Cette thèse a pour objectif d'optimiser les performances d'un capteur solaire innovant à haute intégration bâti en vue de sa commercialisation : la corniche solaire H2OSS®. Une étude bibliographique a été entreprise afin d'identifier les verrous au développement de la filière du solaire thermique et a montré la nécessité de son intégration dans l'architecture actuelle. La corniche solaire H2OSS® s'inscrit dans cette logique : il s'agit d'un capteur solaire thermique plan à absorbeur sélectif, intégré à l'intérieur d'une gouttière assurant alors une double fonction (récupération des eaux de pluies et captation de l'énergie solaire). (.../...).
Author: Antoine Mathieu
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En ce début de millénaire 1,4 Milliards d'humains, parmi les plus démunis de la planète, vivent dans des sites isolés et ne bénéficient pas de réseaux de distribution d'énergie. Leur besoin en électricité est modeste, mais important en terme d'usages : accès aux soins médicaux et à l'instruction, communication, développement d'économies locales. C'est face à ce constat que Schneider Electric Industries relève, depuis 2009, le défi de concevoir et réaliser des microcentrales solaires thermodynamiques, concurrentielles à d'autres solutions, pour fournir à ces populations une énergie électrique fiable et respectueuse de l'environnement. Inscrit dans le cadre de ce projet, le présent travail - réalisé en Cifre - est séquencé par l'évolution industrielle du projet. Dans un premier temps, un Etat de l'Art, étendu à une analyse de détail, a contribué à privilégier certains choix technologiques : capteurs solaires à concentration, stockage thermique à chaleur sensible et moteur de Stirling. Dans un second temps, une étude thermodynamique préliminaire a permis d'évaluer le dimensionnement d'éléments clefs du système : champ de captage solaire et stockage thermique. En complément une étude de sensibilité paramétrique du dimensionnement et des performances à divers facteurs de pertes énergétiques a souligné les points durs techniques et participé à l'orientation des travaux de conception. Enfin, l'analyse exergétique de fonctionnement de capteurs solaires et d'un moteur Stirling en régimes dynamiques stationnaires proposent des bases pour l'optimisation de contrôle et commande, visant à accroître les performances énéergétiques du système et favoriser sa viabilité thermoéconomique.
Author: Patricia Carbajo Jiménez
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En réponse à l'évolution de la réglementation thermique, les bâtiments tendent à être mieux isolés et plus étanches, diminuant leurs besoins de chauffage. La ventilation, nécessaire pour garantir la qualité de l'air intérieur, représente une perte énergétique non négligeable. De plus, les besoins d'eau chaude sanitaire (ECS) deviennent prépondérants par rapport à ceux de chauffage. Dans ce contexte, les systèmes solaires thermiques peuvent fournir une part importante des besoins du bâtiment. Ce travail étudie ainsi un système solaire thermique qui produit de l'ECS et préchauffe l'air de ventilation. Le principe de fonctionnement est d'abord analysé expérimentalement. Le concept se présentant prometteur, une co-simulation entre Dymola (langage Modelica) et EnergyPlus permet d'étudier plus en détail les performances du système dans son environnement (le bâtiment) pour différents hypothèses et paramètres de fonctionnement. Les résultats montrent un meilleur rendement des capteurs et du ballon par rapport à un CESI classique, ainsi qu'une augmentation de la fraction solaire pour la production simultanée d'ECS, de préchauffage d'air et de chauffage.
Author: Simon Scolan
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Dans le contexte climatique et énergétique actuel, des solutions doivent être trouvées pour remplacer progressivement l'usage des énergies fossiles. Le solaire thermique est une ressource disposant d'un fort potentiel encore trop peu exploité en France à l'échelle industrielle. Dans ce contexte, les grandes installations solaires thermiques sont de plus en plus étudiées. Actuellement, la majorité des études porte sur l'optimisation du dimensionnement des centrales en se basant sur des stratégies de pilotage standard. Le présent manuscrit propose une méthodologie de résolution mathématique pour la simulation et l'optimisation dynamique d'une centrale solaire thermique. Ce type d'optimisation permet de prendre en compte la dynamique de ce système, et en particulier la dynamique lente d'un stockage d'énergie thermique, et est réalisée en exploitant les degrés de liberté du problème tel qu'on le pose. Ainsi, en laissant libres certains paramètres de design, l'optimisation dynamique permet d'optimiser simultanément le fonctionnement et le dimensionnement de la centrale. Les différents éléments d'une centrale solaire thermique (champ solaire, échangeur de chaleur, stockage thermique, pompes, canalisations) sont modélisés et forment un système d'équations algébro-différentielles. Nous détaillons la méthode de collocation orthogonale sur éléments finis permettant de discrétiser ces équations et d'obtenir ainsi un système comprenant uniquement des équations algébriques. Différents modèles sont confrontés à des données expérimentales issues de la centrale de Condat-sur-Vézère et leur précision est quantifiée. Le développement d'une méthode par simulations et initialisations successives nous a permis de réaliser la simulation dynamique d'une centrale solaire thermique. Cependant, certaines contraintes de fonctionnement (règles de pilotage nécessaires pour saturer les degrés de liberté) sont difficiles à formuler de façon cohérente et implémentable dans le logiciel GAMS utilisé dans ces travaux. L'intérêt de l'optimisation dynamique est de tirer profit des degrés de liberté du problème afin de minimiser/maximiser une fonction objectif (en respectant les contraintes du problème) sans avoir à formuler des contraintes pour saturer les variables d'intérêt. Un premier problème d'optimisation dynamique a été formulé puis résolu suivant une stratégie orientée-équation. Sur un horizon de temps de cinq jours et avec un dimensionnement de centrale fixé, nous avons maximisé les bénéfices liés à la vente de chaleur solaire à un consommateur en optimisant le fonctionnement de la centrale. Cela a notamment fait ressortir des stratégies parfois contre-intuitives permettant une amélioration significative de la fonction objectif par rapport à des pilotages plus « classiques ». En particulier, l'utilisation d'une inclinaison dynamique des capteurs s'est montrée efficace, d'une part, pour augmenter l'énergie captée par le champ solaire et, d'autre part, pour gérer d'éventuelles surchauffes en défocalisant les capteurs par rapport à la trajectoire de captation maximale. L'utilisation d'un stockage thermique a également été utile pour permettre le déphasage entre la production et la demande. La formulation d'un second problème d'optimisation, sur un horizon de temps d'un an, a permis de minimiser le coût moyen de la chaleur solaire vendue au consommateur (sur la durée du projet) en déterminant le dimensionnement optimal de la centrale et les profils temporels optimaux des variables de fonctionnement en fonction de la courbe de charge. Des difficultés ont été rencontrées, notamment pour conserver un fonctionnement cohérent sur la période d'optimisation. Finalement, nous avons listé un certain nombre de pistes qui pourraient potentiellement améliorer les résultats obtenus.
Author: Mame Mor Diarra Ndiaye
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Dans ce travail, on présente une étude des performances d'un capteur solaire plan double passe destiné à la production de l'air chaud permettant d'alimenter et d'améliorer les techniques de séchage. On analyse les cas d'un absorbeur avec et sans ailettes.Les modèles théoriques relatifs au capteur à air double passe avec et sans ailettes ont été établis et résolus numériquement à l'aide de codes élaborés en Fortran pour obtenir une approche globale de leur comportement ou alors à l'aide de Comsol multiphysique pour une étude plus locale. Un dispositif expérimental a été conçu pour valider les résultats obtenus numériquement. Une des particularités du capteur mis au point au laboratoire est relative à son système d'isolation. À cet effet, un matériau local composé de tiges de mil broyées (biosourcé) a été réalisé dans le but d'augmenter les performances du capteur solaire. Les propriétés des matériaux biosourcés utilisés pour l'isolation ont été identifiées à l'aide de moyens existant au laboratoire. Une comparaison des températures mesurées et calculées a permis de valider les deux approches expérimentale et numérique. L'évaluation des performances a montré une forte influence du débit et du rayonnement solaire sur le rendement énergétique du capteur solaire double passe avec ailettes. L'approche globale des bilans thermique au sein du capteur solaire repose principalement sur une bonne connaissance des coefficients d'échange entre le fluide caloporteur et l'absorbeur, un travail d'estimation de ces coefficients d'échange convectif est proposé dans la dernière partie de ce travail.Mots clés : Capteur solaire, double passe, tige de mil broyée, matériau biosourcé, modélisation numérique, expérimentale, performance.
Author: Jérémy Bois
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Les enjeux énergétiques et environnementaux liés au réchauffement climatique amènent à généraliser la sobriété énergétique des bâtiments neufs ainsi que la production locale d'énergie à l'horizon 2020. Ce travail de thèse se concentre sur le secteur de la maison individuelle qui représente près de la moitié des logements neufs construits en France pour un volume d'environ 200000 unités par an.Le contexte de la maison individuelle à énergie positive 100 % solaire consiste à rechercher les compromis entre le niveau de performance du bâti qui détermine les besoins en énergie et la capacité des équipements à valoriser l'énergie solaire pour d'une part subvenir aux besoins en chaleur pour assurer le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire, et d'autre part produire l'électricité nécessaire à l'éclairage et aux autres usages spécifiques (matériels électroménager, vidéo, etc.). Après un examen des différents concepts de bâtiments à énergie positive, une analyse a été menée pour identifier les solutions techniques de systèmes solaires combinés capables de fournir le double service de production d'eau chaude et de chauffage. Un modèle détaillé a été développé dans l'environnement Dymola et vérifié par inter-comparaison de modèles à l'échelle des composants. Un algorithme de contrôle original a été mis au point pour maximiser la performance globale du système.Une première étude paramétrique a montré que ce système est capable dans certaines conditions de couvrir près de 80 % des besoins en chaleur de la maison étudiée. Néanmoins, son dimensionnement demeure complexe et la recherche de compromis entre la sobriété de la maison et le dimensionnement des systèmes solaires thermiques et photovoltaïques doit s'appuyer sur un algorithme d'optimisation multi-objectifs adapté.Un chapitre est donc consacré à l'élaboration d'un algorithme d'optimisation multi- objectifs qui s'appuie sur la méthode des colonies d'abeilles virtuelles. Cette approche s'est avérée particulièrement pertinente vis à vis du problème (paramètres discrets, continus et qualitatifs) à caractère multiobjectifs(maximiser la valorisation du solaire thermique pour le chauffage d'une part et pour la production d'eau chaude d'autre part, minimiser la consommation d'énergie conventionnelle) et sous contrainte car seules les solutions à bilan d'énergie positif sur l'année seront retenues. L'algorithme d'optimisation développé ici a été confronté à une série de problèmes classiques et a démontré sa capacité à construire l'ensemble des solutions avec un nombre relativement faible d'évaluations du modèle.Le dernier chapitre présente deux applications de conception de maisons à énergie positive. La première se situe en région bordelaise alors que la seconde est située à proximité de Strasbourg. Ces deux conditions climatiques permettent de mettre en évidence la capacité de l'algorithme d'optimisation à proposer un éventail de solutions optimales présentant des compromis différents en termes de performance du bâti et de dimensionnement des équipements solaires. Enfin, un outil d'aide à la décision permet d'explorer les fronts optimaux pour dégager les solutions à retenir.
Author: Lana Kenjo
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Languages : fr
Pages : 277
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Book Description
Le chauffe-eau solaire à faible débit dans le circuit primaire à savoir de 7 à 15 kg/h. par m2 de capteur est une voie prometteuse pour améliorer les performances thermiques des chauffe-eau solaires. L'augmentation des performances est essentiellement due à l'optimisation de l'utilisation du potentiel inhérent à la stratification thermique au sein du ballon de stockage. Cela permet de diminuer l'énergie de l'appoint et d'améliorer l'efficacité du capteur grâce à une température d'entrée du fluide primaire plus faible. Pour ce faire, la technologie qui parait fournir les meilleurs résultats utilise un ballon de stockage de type double enveloppe avec injection du fluide primaire à plusieurs niveaux de l'enveloppe. Durant cette étude, un modèle de ballon de stockage à double enveloppe a été développé. Il repose sur une discrétisation aux différences finies du domaine étudié associée à une modélisation zonale de l'eau dans le ballon. Des essais réalisés sur un ballon de stockage réel ont permis de valider le modèle. Par la suite, un chauffe-eau solaire à faible débit a été modélisé dans l'environnement TRNSYS. Celui-ci est constitué du ballon de stockage développé dans ce travail associé à des types standards de TRNSYS afin de pouvoir modéliser le système complet. Ce modèle a été calé à l'aide d'expérimentations réalisées avec un système réel. Enfin, des études paramétriques ont été réalisées afin d'étudier le comportement thermique du système et d'en optimiser la conception et la gestion.
Author: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers
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ISBN: 9781883413453
Category : Air conditioning
Languages : en
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