Conception et optimisation d'un capteur solaire thermique innovant adapté à la rénovation énergétique grâce à l'intégration du stockage

Design and optimization of an inovating thermal solar collector adapted to the energy restoration thanks to the storage integration

• Auteur / Autrice : Jeronimo Vidigal Duarte Souza
• Direction : Gilles Fraisse, Shihe Xin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Génie des procédés
• Date : Soutenance le 05/03/2012
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry ; 2007-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire d'optimisation de la conception et ingénierie de l'environnement (Le-Bourget-du-Lac, Savoie)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Ménézo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Fraisse, Shihe Xin, Gilbert Achard, Céline Coulaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Inard, Stéphane Lassue

Mots clés

Mots clés contrôlés

Habitations -- Consommation d'énergie

Mots clés libres

Solaire thermique

Rénovation

Eau chaude sanitaire

Modélisation et expérimentation

Optimisation

Capteur intégré

Thermal solar energy

Restoration

Domestic hot water

Modeling and experimentation

Optimization

Integrated collector

Résumé

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.

The primary energy consumption of domestic hot water (DHW) in low energy house becomes proportionately large when compared to other energy consumptions. In new buildings, the integration of DHW systems do not present any difficulty. However, the thermal renovation market is poorly operated, with the storage's placement as the main constraint. When the storage must be placed outside the building, nowadays the solutions are not satisfactory, or by a thermal point of view (high losses), or an aesthetic point of view (tank visible from outside). In this thesis we studied an innovative solution of an integrated storage collector, allowing full integration at the roof and completly insulated. The storage is heated at the bottom. A cavity with high aspect ratio has been studied experimentaly and the cavity requires a stratification system. This system, a plate, was numerically studied to optimize the placement of the fluid at the top. Finally a global model was developed for annual performance simulations. This model proves satisfactory and shows that system performance is slightly lower than conventional systems (thermo- siphon). Heat loss was most detrimental factor. The design of a prototype was produced, and it will be tested during the year 2012.