Les systèmes composés de panneaux solaires thermiques et d’une pompe à chaleur avec stockage de glace, appelés systèmes solaire à accumulateur de glace deviennent de plus en plus populaires pour le stockage thermique aussi bien de chau?age que de l’eau chaude sanitaire en Suisse. Ces systèmes ont une e?cacité élevée, similaire voir supérieure à celle obtenue à l’aide d’une pompe à chaleur (PAC) à sonde géothermique et cela sans être soumis à la réglementation de protection des eaux souterraines. Cependant, ce type de système demeure actuellement plus coûteux que les PAC à sonde géothermique un développement est encore nécessaire a?n de rendre les systèmes solaire à accumulateur de glace plus e?caces et leurs prix plus compétitifs.
L’une des approches pour améliorer l’e?cacité et diminuer le coût d’investissement est d’optimiser la surface de l’échangeur de chaleur dans l’accumulateur de glace. En plus des objectifs d’augmentation de l’e?cacité ainsi que de réduction du coût d’installation, une conception d’échangeur de chaleur appropriée peut également permettre d’augmenter la fraction de glace. Le but de ce projet consiste à trouver des échangeurs appropriés et à dé?nir la surface d’échange optimale nécessaire dans l’accumulateur de glace en se basant sur des indicateurs énergétiques et ?nanciers.
Ce rapport est divisé en six chapitres. Outre le premier chapitre (introduction) et le dernier (conclusion), le rapport comporte quatre chapitres principaux. Les résultats expérimentaux de di?érents échangeurs de chaleur (tapis capillaires, plaques plates et bobines) sont présentés dans le chapitre 2. La description mathématique d’un modèle de stockage de glace capable de fonctionner avec tous les types d’échangeurs de chaleur analysés expérimentalement est présentée au chapitre 3. Dans le chapitre 4, les résultats de la validation du modèle utilisant les données expérimentales du chapitre 2 sont exposés. La surface d’échange de chaleur optimale des échangeurs de chaleur les plus prometteurs a été évaluée a` partir des perspectives en termes d’e?cacité énergétique et du coût de production de chaleur. Les simulations énergétiques du systèmes solaire à accumulateur de glace complet en fonction du type d’échangeur ainsi que de la surface d’échange pour di?érentes surface de collecteurs et di?érents volumes de stockage sont présentés au chapitre 5. Dans le même chapitre, un tel système a été évalué sur la base de l’échangeur le moins couteux et comparé à un système standard de PAC à sonde géothermique.
Les principales conclusions de ce projet peuvent se résumer comme suit : Une importante fraction de glace peut être atteinte avec tous les échangeurs et aucun dégât n’a été engendré à l’enveloppe de l’accumulateur par une fraction de glace importante. Cela signi?e qu’un système d’accumulateur de glace à même d’atteindre une fraction de glace égale ou supérieure à 95% devrait être sécuritaire. Par conséquent, la taille du stockage de glace et donc les coûts liés peuvent être réduits. De tous les échangeurs de chaleur analysés, les conceptions les plus prometteuses pour de petits accumulateurs de glace (inférieurs à 5 m3) sont les tapis capillaires en polypropylène et les échangeurs à plaques en acier inoxydable. De ces deux échangeurs de chaleur, les tapis capillaires ont démontré les performances les plus élevées considérant les indicateurs énergétiques et de coût. Les systèmes solaire à accumulateur de glace utilisant des volumes de stockage de glace allant de 0.3 à 0.5 m3 par MWh de demande annuelle de chau?age et des collecteurs sélectifs non-couverts avec 1.5 à 2.5 m2/MWh dans la ville de Zürich ont pu atteindre des facteurs de performance SPFSHP+ allant de 3.5 à 6 avec des échangeurs de type tapis capillaires ou échangeurs a` plaques pour une maison familiale avec des besoins annuels de chau?age de 10 MWh. En tenant compte du coût du système, seules les simulations avec échangeurs de type tapis capillaires ont été capables de générer un coût de production de chaleur inférieur à une PAC à sonde géothermique avec un facteur de performance SPFSHP+ plus élevé (un SPFSHP+ de 4 a été considéré pour la PAC). Par exemple, un système avec une surface de collecteurs de 1.5 m2/MWh et un volume d’accumulateur de glace de 5 m3/MWh peut atteindre un coût de production de chaleur de 29 Rp./kWh, soit 0.5 Rp./kWh de moins que le prix de référence d’une PAC à sonde géothermique, avec une augmentation de 20% du facteur de performance SPFSHP+ par rapport à un système de PAC à sonde géothermique. Cependant, ces objectifs ne peuvent être atteints qu’en utilisant des échangeurs de type tapis capillaires et une surface d’échange de chaleur appropriée. La surface d’échange de chaleur optimale est d’environ 5 à 6 m2 par m3 de volume d’accumulateur de glace pour des échangeurs de type tapis capillaires tandis qu’elle est de 10 à 12 m2 par m3 pour les échangeurs à plaques. Ces rapports correspondent à des distances entre les échangeurs de chaleur d’environ 12 - 17 cm pour des échangeurs de type tapis capillaires ou échangeurs à plaques. Ces résultats ont été obtenus en assumant une valeur de fraction de glace maximale conservative égale à 80%.