Modélisation et validation expérimentale de nouveaux concepts de ballons solaires à forte stratification

Abstract

L'eau chaude sanitaire (ECS) peut représenter jusqu'à 25% de la consommation énergétique d'un logement, voire devenir le premier poste de consommation dans un bâtiment basse consommation. Pour limiter cette part, l'énergie solaire apparaît comme une solution séduisante. Un stockage thermique, très souvent sous forme sensible, est alors essentiel pour faire le lien entre production et consommation. Dans un ballon solaire, la stratification thermique impacte fortement les performances du système. Différentes solutions technologiques sont ainsi mises en œuvre pour favoriser la stratification ou en limiter sa dégradation. Cependant, les modèles numériques existants ne reproduisent pas de façon satisfaisante cette influence dans une simulation annuelle. Un modèle zonal en température et en pression est alors développé dans l'environnement TRNSYS. Les écoulements de faibles quantités de mouvement y sont décrits par une loi en pression dans les zones courantes tandis que les écoulements dominants sont prédits par des lois spécifiques. Du fait du caractère dynamique des situations rencontrées (jet imposé par le puisage, panache dû à la charge par l'appoint résistif ou dû à la charge indirecte par l'échangeur solaire, ), une zone peut changer de nature au cours de la simulation. Le dispositif expérimental montre alors des couches du ballon à température non-uniforme, justifiant le découpage d'une couche en zones. Le modèle est finalement validé expérimentalement sur un ballon solaire.Domestic Hot Water (DHW) can represent 25% of the building energy consumption and can be the major part of a low energy building consumption. Solar energy is a suitable way to decrease the DHW energy demand. In most cases, sensible heat storage links the intermittent production from solar radiation to the energy demand. The performance of solar heating systems is strongly influenced by thermal stratification in a heat storage tank. Technologies tend to take up a double challenge: to provide a high level of stratification and to limit destratification. However, existing tank models don't consider with enough details this influence in annual simulation. A temperature and pressure zonal model is then developed in the TRNSYS environment to take into account flows inside the tank. Specific laws are applied for driving flows and a power-law pressure distribution is used everywhere else. Because of various situations (jet caused by draw-off, plumes due to electrical element charge or due to solar heating heat exchanger, ), the nature of a zone changes during simulation. The zonal model is then experimentally validated on a solar heating tank.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF