PH3E21 : TP Matlab Énergie solaire thermique dans le bâtiment

PH3E21 : TP Matlab
Énergie solaire thermique dans le bâtiment.
Chauffage / Climatisation
ARNAUD Gabriel
TA Frédéric
CARTER Charles
KROL VEL FARMAS Lucie
1. Chauffage de piscine plein air
1. http://panneau-solaire.comprendrechoisir.com/comprendre/panneau-solaire-piscine
Nous considérons une piscine de 100 m3 (10*5*2), chauffée par un panneau
constitué de capteurs solaires. L’énergie absorbée par les capteurs est de 1 kW/m2.
Les tuyaux utilisés pour les canalisations sont en cuivre (choisi pour sa faible capacité
thermique massique : 385 kj/kg.K).
La piscine est préalablement remplie avec une eau à 17°C. Pour la première
chauffe on souhaite atteindre 22°C en 2 jours, soit ∆T = 22 – 17 = 5
Dans un premier temps on suppose qu’il n’y a aucune perte de chaleur mais
uniquement des apports qui sont l’air, les rayons du soleil, la chaleur initiale du verre
et la conduction du panneau. Pour avoir une modélisation la plus représentative
possible, il faudrait ajouter un à un chaque autre facteur pouvant impacter notre
système (pertes d’énergie, apport d’énergie, modification du rendement, hétérogénéité
de la chaleur, variation de température ambiante et ensoleillement…). Au vu du temps
dont nous disposons, nous modéliserons le système le plus simple possible
a) Energie nécessaire pour la première chauffe de la piscine
W l’apport d’énergie nécessaire à la chauffe de notre piscine, et représente
donc l’énergie à capter grâce aux panneaux solaires
W = m.c.∆T et 1m3 = 1000 kg, en considérant que la densité de l’eau est égale à 1.
On obtient alors meau = 105 kg avec ceau = 4,2*103 kJ.m-3
Donc W =105 * 4,2*103 * 5 = 2,1*106 kJ
Sachant que nous voulons chauffer la piscine en deux jours, et que le soleil
éclaire les panneaux seulement 12 heures par jour en moyenne, W correspond à
l’énergie que nous cherchons à apporter à notre système en 24h d’ensoleillement.
b) Calcul surface A des capteurs solaires
On obtient la surface en divisant l’énergie nécessaire par le temps de collecte
de cette énergie, et la puissance par m². On divise aussi le résultat par un coefficient
d’absorption liée au fait que le matériaux récepteur ne soit pas un corps noir parfait,
mais un corps gris.
𝑊
2.1 ∗ 109
𝑆=
=
𝑇 ∗ 𝑃𝑐 ∗ 𝜖 24 ∗ 3600 ∗ 10 ∗ 0.93
S= 27m² : surface minimum nécessaire pour chauffer la piscine en 2 jours.
2. Modélisation de la piscine sous MatLab
Nous avons modélisé ce projet sur MatLab pour étudier son fonctionnement.
Nous avons représenté chaque échange thermique (convection, conduction et
rayonnement) par leur bloc correspondant. Les éléments à chauffer sont représentés
par des blocs de résistance thermique, par exemple la piscine peut être modélisée
comme une résistance thermique avec des paramètres spécifiques.
Pour le schéma du montage réalisé, nous avons dû paramétrer les différents
blocs selon nos besoins et des valeurs de nos calculs. Nous avons suivi étapes par
étapes la modélisation du chauffage de notre piscine. Au final, nous avons pu observer
le chauffage de notre piscine avec un bloc Scope de MatLab. Cependant, notre
modélisation n’était pas complète. En effet, nous n’avons pas reussi à simuler l’ajout
d’un régulateur de température activant et désactivant le chauffage grâce à des seuils.
Notre piscine chauffe indéfiniment jusqu’à une valeur limite.
Voici les différents échanges thermiques présents dans notre simulation :
Rayonnement : Transformation d’énergie solaire en énergie thermique transmise au
cuivre oxydé. Elle dépend essentiellement de la surface de réception de rayonnement
du capteur ainsi que le coefficient d’absorption de rayonnement
Conduction : Propagation de la chaleur à travers le cuivre le cuivre. Jusqu’à l’eau Elle
dépend essentiellement de l’épaisseur de cuivre, et de sa résistance thermique.
Convection : Propagation de chaleur entre deux milieux différents. Dans notre cas,
c’est la convection entre le cuivre et l’eau. Cet échange est caractérisé par la surface
de contacte ainsi que par le coefficient de transfert des deux milieux.
Inertie : Nous avons aussi pris en compte l’inertie de l’eau. Elle est simulée à l’aide
d’une capacité thermique caractérisée par la capacité massique de l’eau, et par la
masse d’eau à chauffer.
Nous avons rencontré l’erreur suivante, à laquelle nous ne trouvons actuellement
aucune solution :