Consignes aux auteurs - Polytech Annecy

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Analyse de sensibilité appliquée à une
installation de rafraichissement solaire
LETEXIER Blaise*, MARC Olivier, PRAENE Jean-Philippe,
LUCAS Franck
Laboratoire de Physique et d'ingénierie Mathématique Appliquées à l'Energie et
à l'Environnement (PIMENT) - Université de la Reunion : IUT de SaintPierre.*(auteur correspondant : [email protected])
RÉSUMÉ. Cet article a pour objectif l'optimisation des performances des installations de
rafraichissement solaire. Durant ces dernières années la consommation d'électricité à l'île de
la Réunion pendant l'été austral a considérablement augmentée. Cette augmentation est
principalement due à l'utilisation de systèmes de climatisation classiques. Dans ce contexte,
les systèmes de rafraichissement solaire par absorption présentent une bonne alternative. De
plus le fluide de travail employé dans ce type d'installation est un mélange d'eau et de
bromure de lithium n'ayant aucun impact néfaste sur l'environnement.
L'objectif de ce travail est de mener une analyse de sensibilité afin d'identifier les
paramètres les plus influents sur les performances des installations. Cette analyse a été
réalisée sur des modèles numériques développés au sein du laboratoire PIMENT et validés
sur l'installation expérimentale RAFSOL (installation expérimentale située à l'IUT de SaintPierre). Les résultats de cette analyse permettront d'établir des règles de dimensionnement et
de contrôle afin d'optimiser et de garantir les performances des futures installations de
rafraichissement solaire.
Dans un premier temps, la modélisation de l'installation et la méthode d'analyse de
sensibilité seront introduites. Ensuite, les résultats de l' analyse de sensibilité, appliquées aux
différents composants de l'installation (champ de capteur solaire, boucle solaire et machine à
absorption) et à l'installation complète, seront présentés. Enfin, ces résultats seront discutés
et analysés.
Deux types de paramètres influents peuvent être distingués : les paramètres variables
(ensoleillement, températures...) et les paramètres de dimensionnement de l'installation
(surfaces, épaisseurs de tuyaux...). Cette étude souligne l'importance de la compacité de
l'installation et de la température à la sortie de la boucle solaire.
MOTS-CLÉS :
rafraichissement solaire, analyse de sensibilité, optimisation
XXXe Rencontres AUGC-IBPSA
1.
Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012
2
Introduction
Durant l'été à la Réunion, la consommation électrique augmente
significativement. Cette augmentation est principalement du à l'utilisation des
systèmes de climatisation classiques. En effet la climatisation représente environ
50% de la consommation électrique en été. Un état de l'art des différentes solutions
pour réduire la consommation électrique et pour produire des énergies
renouvelables à la Réunion à été réalisé [PRA 12]. Parmi ces solutions, la
climatisation solaire par absorption représente une alternative intéressante aux
systèmes de climatisation par compression de vapeur. D'une part, l'énergie solaire
utilisée par ce système a l'avantage d'être gratuit et inépuisable. D'autre part, les
besoins en froid sont directement liés à l'énergie solaire disponible.
Ce travail s'effectue dans le cadre du projet MegaPics, qui a pour objectif la
garanti des performances des installations de climatisation solaire. Dans cette
optique, une étude a été menée sur des modèles numériques développés au sein du
laboratoire PIMENT, il s'agit d'une analyse de sensibilité. Cette analyse de
sensibilité permettra de déterminer quels sont les paramètres les plus influents sur
les performances d'une installation de climatisation solaire.
Dans une première partie l'installation RAFSOL et les modèles numérique qui
ont été employés pour réaliser l'analyse de sensibilité seront présentés. Ensuite, nous
détaillerons la méthode d'analyse de sensibilité utilisées et sa mise en œuvre. Et
enfin, les résultats seront présentés et discutés.
2.
Modèles numériques
L'analyse de sensibilité a été appliquée à des modèles numériques développés au
sein du laboratoire PIMENT. Ces modèles sont introduis dans cette partie et
permettent de modéliser chaque éléments de l'installation. La figure 1 présente
l'installation complète étudiée.
Figure 1 : Schéma de l'installation complète; 1: Champ de capteurs; 2:
Ballon chaud; 3: Machine à absorption; 4: Ballon froid; 5: Tour de
refroidissement; 6: Batiment
Analyse de sensibilité appliquée à une installation de rafraichissement solaire
1.1.
3
Capteur solaire
Le capteur solaire considéré est un capteur plan double vitrage, composé de sept
couches comme nous pouvons le voir sur la figure 2. La partie supérieure du capteur
est composée de deux couches de verre (1, 3) séparées par une lame d’air (2). La
paroi absorbante du capteur (5) et la seconde couche de verre (3) sont séparées par
une seconde lame d’air (4). Le fluide caloporteur (6) circule sous la paroi
absorbante (5). Enfin, un isolant et une enveloppe (7) sont fixés sous l’absorbeur
pour réduire les pertes thermiques sous le capteur.
Figure 2 : Schéma d'un capteur solaire plan double vitrage
La figure 2 indique les différents types de transfert de chaleur qui ont lieu au
sein du capteur solaire. Ce modèle est détaillé dans Marc et al. [MAR 11]
1.2.
Ballon stratifié
La modélisation des ballons de stockage prend en compte la stratification
thermique. Beaucoup de modèle de ballon stratifiés ont déjà été développé en
utilisant des approches expérimentales [LAV 77, HOL 89] et numériques [NEW 95,
BAD 04, KRE 08]. Deux approches multi-nœuds ont été développées par Duffie et
al. [DUF 91] et Kleinbach et al. [KLE 93]. Les deux étant basées sur l'équilibre
thermique sur plusieurs couches, qui ont été discrétisées de façon homogène dans le
ballon (Figure 3)
Cette méthode est une manière simple de modéliser la stratification car il ne
prend pas en compte tous les phénomènes physiques.
Figure 3 : Ballon stratifié
4
Le ballon de l'installation RAFSOL a été discrétisé en n éléments et l'équation de
conservation de l'énergie a été appliquée à chaque éléments.
Ce modèle est présenté en détail dans Marc et al. [MAR 11]
1.3.
Machine à absorption
Dans cette partie, une modélisation dynamique de la machine à absorption est
présentée afin de prendre en compte à la fois les régimes permanents et transitoires
de la machine. La machine est de type simple effet, elle fonctionne avec le couple
LiBr/eau et son schéma de principe regroupant tous ses principaux composants est
présenté sur la Figure 4:
Figure 4 : Schéma de la machine à absorption
Afin de simplifier la description mathématique de la machine à absorption les
hypothèses suivantes sont faites :
Chacun des composants (générateur, condenseur, évaporateur et absorbeur) peut
être représenté par les éléments suivants :
-
un réservoir : il contient la solution (ou l'eau pure),
un échangeur de chaleur : c’est l’intermédiaire entre la solution (ou l'eau
pure) et la source de chaleur,
-
une paroi : c'est l'intermédiaire entre la solution et l'extérieur,
L'échangeur des solutions est modélisé en utilisant la méthode de la différence
de température logarithmique. Le modèle du détendeur est basé sur les travaux de
Kohlenbach et Ziegler [KOH 08, KOH 08]. Ce modèle est détaillé dans [MAR 12].
1.4.
5
Tour de refroidissement
La tour de refroidissement de l'installation RAFSOL est une tour humide ouverte
à contre courant. La figure 5 présente un schéma de la tour.
Figure 5 : Représentation schématique de la tour de refroidissement
Le modèle utilisé pour représenter le comportement de la tour de refroidissement
est basé sur la détermination de son efficacité. Cette efficacité est définie comme
étant la relation entre la différence d'enthalpie réelle, entre l'entrée et la sortie, et la
différence d'enthalpie maximale considérant l'air en sortie comme étant saturée.
Braun [BRA 88] montre que l'efficacité peut-être déterminée en utilisant les
équations des échangeurs de chaleurs sensibles et en modifiant la définition du
nombre d'unité de transfert (NUT).
De plus ce modèle de tour de refroidissement humide permet de prendre en
considération les pertes d'eau par évaporation.
3.
Analyse de sensibilité
La méthode FAST (acronyme de Fourier Amplitude Sensitivity Test) a été
proposée initialement par Cukier [CUK 75]. Elle consiste à faire varier chaque
facteur selon une fonction périodique en associant une fréquence distincte à chacun
d’eux. L’effet principal d’un facteur s’obtient en considérant la fréquence qui lui est
associé ainsi que ses harmoniques. Il s’agit donc de générer les valeurs selon une
fonction du
où sk = 2πk . [MAR 02]. On trace ensuite la
type X i , k = G i (sin (ω i s k ))
N
transformé
de Fourier, et le résultat obtenu est présenté sur la figure 6.
6
Figure 6 : Exemple de spectre obtenu par la méthode FAST
La figure 6 fait ressortir les fréquences importantes, qui sont marquée par la
présence de pics. Ces fréquences correspondent, soit à un paramètre unique, soit à
une combinaison de para mètres.
Il existe d’autres méthodes permettant de définir des indices de sensibilité, en
particulier l’approche stochastique de Sobol. Cette méthodologie se base sur la
décomposition de la variance. Cette approche ne sera pas utilisée dans le cadre de
notre étude car relativement couteuse en temps de calcul.
3.1.
Champ de capteurs
L'analyse de sensibilité a été réalisée sur le modèle de capteur solaire, en faisant
varier 37 paramètres. La sortie étudiée pour cette étude est le COP solaire. Le COP
solaire est la relation entre l'énergie captée par le fluide caloporteur et l'énergie
solaire incidente dans le plan des capteurs.
La méthode FAST révèle l'influence de sept paramètres et sont identifiés sur la
figure 7. Chaque pics correspond à un paramètre unique, ce qui signifie qu'aucun
paramètres n'influence le COP solaire en interaction avec un autre paramètre.
7
Figure 7 : Méthode de FAST appliqué au champ de capteurs
On observe qu'une grande partie des facteurs importants sont liés au
dimensionnement de l'échangeur du capteur solaire.
3.2.
Boucle solaire
L'analyse de la boucle solaire s'est effectuée sur 49 paramètres en étudiant
comme variable de sortie le COP solaire.
Figure 8 : Méthode FAST appliqué à la boucle solaire
8
La méthode de FAST permet d'identifier et de quantifier les paramètres les plus
influents sur les performances de la boucle solaire. La figure 9 souligne l'importance
de l'ensoleillement comparé aux autres paramètres étudiés. En effet l'ensoleillement
a une influence directe sur le COP solaire. On retrouve également des paramètres
liés au dimensionnement de la source chaude (longueur d'échangeur, surface
d'absorbeur,...) et également de la tuyauterie solaire (coefficient d'échange,
épaisseur d'isolant,...).
3.3.
Machine à absorption
Dans le cas de la machine à absorption, deux sorties ont été étudiées: le
coefficient de performance thermique (COPth : énergie produite à l'évaporateur
divisée par l'énergie absorbée au générateur) et le coefficient de performance
électrique (COPelec : énergie produite à l'évaporateur divisée par l'énergie
électrique consommée).
La méthode de FAST a été appliquée au modèle de machine à absorption en
étudiant le COPth comme variable de sortie.
a)COPth
b)COPelec
Figure 9 : Méthode FAST appliqué à la machine à absorption
On observe que les températures d'entrées dans les échangeurs des différents
composant de la machine (absorbeur, générateur et évaporateur) sont importants
pour le COPth.
L'analyse de sensibilité a ensuite été mise en œuvre en considérant comme
paramètre de sortie le COPelec. Les résultats obtenus avec la méthode de FAST
apparaissent dans la Figure 11b.
9
Les résultats de l'approche de FAST (figure 11) font ressortir quatre paramètres
importants. Parmi eux, les trois températures d'entrées de la machine qui étaient
également influentes pour le COPth.
3.4.
Installation complète
L'analyse de sensibilité réalisée sur l'installation globale a ciblée trois variables
de sorties : le coefficient de performance solaire (COPsol), le coefficient de
performance thermique (COPth) et le coefficient de performance électrique
(COPelec).
a) COPsol
b) COPth
c) COPelec
Figure 10 : Méthode de FAST appliquée à l'installation complète
10
Dans cette partie la définition du COPth et du COPelec sont identique à la partie
précédente. Par contre, le COPsol est défini comme étant le rapport entre l'énergie
produite à l'évaporateur et l'énergie solaire incidente dans le plan des capteurs.
La méthode de FAST a été appliquée à l'installation global, et les résultats
apparaissent dans les Figures 13.a, 13.b et 13.c.
On remarque que, deux paramètres importants ressortent sur les trois sorties
analysées. De plus, quelque soit la variable de sortie étudiée, ce sont ces deux
paramètres qui restent les plus influents. Il s'agit du rayonnement solaire et de la
température à l'entrée de l’évaporateur . Il est intéressant de remarquer l'influence de
la température à l'entrée de l'évaporateur, qui est conditionnée par la charge du
bâtiment à refroidir, et d’envisager un contrôle plus approfondi de cette variable.
Les résultats sur l'étude du COPsol et du COPth montre l'importance du débit au
niveau de l'évaporateur.
On remarque également la température à l'entrée de l'absorbeur comme étant un
facteur important lors de l'analyse sur le COPth et le COPelec. Pour le cas du
COPelec sont influence peut être facilement expliquée, car la température à l'entrée
de l'absorbeur est directement liée à la puissance de la tour de refroidissement
(représentant 36% de la consommation électrique global de l'installation).
Sur figure 13b, on observe la présence d'un cinquième pic situé à une fréquence
de 14Hz. Or, cette fréquence ne correspond à aucun paramètre entré dans le modèle.
Il s'agit en réalité d'une combinaison de deux facteurs : le volume de ballon chaud
(11Hz) et la surface d'absorbeur (3Hz).
Ce que l'on peut retenir de l'analyse effectuée sur l'installation globale est
l'importance des températures à l'entrée de l'évaporateur et à l'entrée de l'absorbeur.
Il sera donc nécessaire d'effectuer un contrôle plus spécifique de ces deux variables.
4.
4.1.
Résultats et discussion
Aide à la décision pour le dimensionnement
Les facteurs constants (paramètres structurels) nous ont permis de mettre en
évidence un certain nombre de règles quant à la mise en œuvre d’une future
installation de froid solaire.
L’analyse du capteur montre que les paramètres structurels (surface, épaisseur,
conductivité du matériau) de l’échangeur sont les éléments prépondérants sur la
performance d’un capteur solaire.
Concernant la boucle solaire, la longueur de la tuyauterie solaire (ballon chaud –
champ de capteurs) et la qualité de l’isolant servant à calorifuger les tuyaux
apparaissent comme les éléments à optimiser de façon rigoureuse. On constate que
ces deux paramètres sont donc plus influents que la surface de l’absorbeur sur la
qualité de la production de chaleur. La compacité du dispositif de production de
11
chaleur est un élément prépondérant. Réduire au maximum les longueurs tuyaux est
une règle indispensable de bonne mise en œuvre. Ainsi on peut donc conclure qu’il
est fortement recommandé d’avoir le stock chaud situé le plus proche possible du
champ de capteurs solaires.
Concernant la machine à absorption l’échangeur des solutions (générateur –
absorbeur) est l’élément de dimensionnement sur lequel il est possible d’agir afin
d’améliorer le COP des machines.
Pour l’installation globale il apparaît que la qualité de la production de chaleur
est importante. Le volume de stock chaud est lié à la surface de capteur. Il faut
déterminer une règle du type m3 ballon chaud / m2 de capteurs solaires afin
d’optimiser la production de chaleur.
4.2.
Aide à la décision pour le contrôle
Au niveau du capteur solaire, un seul paramètre influent est contrôlable. Le
facteur h_up est le seul paramètre contrôlable. Ce coefficient dépend essentiellement
du débit du fluide caloporteur. Il est important de définir un intervalle optimal pour
le débit au sein du capteur solaire. Les autres grandeurs observables ne sont pas
contrôlables.
Au sein de la machine les critères de régulation pour produire une puissance
définie sont les températures d’entrée des différents composants (générateur,
évaporateur, absorbeur). Le contrôle du débit de la solution est également nécessaire
pour améliorer le COP de la machine. La température du générateur est l’élément
qui conditionne le bon fonctionnement de la machine.
Pour l’installation globale il ressort que la température T10 (retour distribution)
a une influence plus importante que l’ensoleillement (G). Ainsi le besoin en
rafraichissement du bâtiment sera prépondérant par rapport à la ressource solaire.
On peut faire apparaître deux points quant à la conception d’une installation :
•
Adéquation ressources / typologie du bâtiment : une installation avec un
besoin constant et un ensoleillement moyen aura de bonne performance. A
contrario, un besoin variable associé à un fort ensoleillement aura tendance à être
moins performant. Cela permet de cibler applications des installations de
rafraichissement solaire.
•
La question du surdimensionnement : il apparait donc comme primordial de
ne pas surdimensionner la production frigo afin de ne pas dégrader les performances
d’une installation. Dans certain cas, un système d’appoint peut envisager pour
garantir les conditions des performances.
5.
Conclusion
Cette analyse de sensibilité nous a permis dans un premier de définir les
paramètres ayant une influence significative sur la réponse des différents
12
composants du dispositif. Cette première étude a permis de poser les jalons de règles
dans les phases de conception et de contrôle. Ainsi il sera nécessaire par le calcul de
déterminer les ratios (volume /surface) ou plage de valeurs optimales. Ces valeurs
peuvent être définies par ajustement à partir de la simulation des modèles. Les
résultats obtenus ne sont pas forcément généralisables à d’autres types
d’installations, en revanche la méthodologie peut être appliquée directement, afin de
caractériser les éléments ayant une influence significative sur les performances
d’une installation de rafraichissement solaire..
6.
Remerciements
Ce travail à été réalisé dans le cadre d'un projet ANR (projet MEGAPICS
n°ANR-09-HABISOL-007.
7.
Références
[PRA 12] PRAENE J.P., DAVID M., SINAMA F., MOREAU D., MARC O.,
Renewable energy Progressing towards a net zero energy island, the case of
Reunion Island, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 16,
Issue 1, January 2012, Pages 426-442.
[MAR 11] MARC O., PRAENE J.P, BASTIDE A., LUCAS F., Modeling and
experimental validation of the solar loop for absorption solar cooling system
using double-glazed collectors, Applied Thermal Engineering, Volume 31,
Issues 2-3, February 2011, Pages 268-277.
[LAV 77] LAVAN Z.,THOMPSON J., Experimental Study of Thermally
Stratified Hot Water Storage Tanks, Solar Energy, 1977, 19: 519-524.
[HOL 89] HOLLANDS K. G. T., LIDHTSTONE M. F., A review of low-flow,
stratified-tank solar water heating systems, Solar Energy, 1989, 43(2): 97-105.
[NEW 95] NEWTON B. J., Modeling of solar storage tanks, University of
Wisconsin-Madison,1995.
[BAD 04] BADESCU V., Optimal operation of thermal energy storage units based
on stratified and fully mixed water tanks, Applied Thermal Engineering, 2004,
24: 2101–2116.
[KRE 08] KREUZINGER T., BITZERA M., et al., State estimation of a stratified
storage tank, Control Engineering Practice, 2008, 16: 308–320.
[DUF 91] DUFFIE J. A., BECKMAN W. A., Solar Engineering of Thermal
Process, Second Edition, Wiley-Interscience Publication,1991.
[KLE 93] KLEINBACH E. M., BECKMAN W. A., et al., Performance study of
one-dimensional models for stratified thermal storage tanks, Solar Energy,
1993, 50(2): 155-166.
13
[KOH 08] KOHLENBACH P., ZIEGLER F., A dynamic simulation model for
transient absorption chiller performance. Part I : the model, Int. J.
Refrigeration, 2008a, 31(2): 217-225.
[KOH 08] KOHLENBACH P., ZIEGLER F., A dynamic simulation model for
transient absorption chiller performance, Part II : Numerical results and
experimental verification, Int. J. Refrigeration, 2008b, 31(2): 226-233.
[MAR 12] MARC O., PRAENE
J.P., LETEXIER B.,CASTAINGLASVIGNOTTES J.,SINAMA F. LUCAS F., Optimisation des performances
d’une machine à absorption utilisée dans une installation de rafraichissement
solaire et fonctionnant à charge partielle, IBPSA, Chambéry, 6 - 8 Juin 2012.
[BRA 88] BRAUN, J. E., Methodologies for the Design and Control of Chilled
Water Systems, Ph. D. Thesis, University of Wisconsin - Madison.1, 1988.
[CUK 75] CURKIER R.I., SCHAIBLY J.H., SHULER K.E., Study of the
sensitivity of coupled reaction systems to uncertainties in rate coefficients:
Analysis of the approximations, Journal of Chemical Physics,1975, 63:11401149.
[MAR 02] MARA T.A, BOYER H., GARDE F., Parametric sensitivity analysis of
a test cell thermal model using spectral analysis. Journal of Solar Energy
Engineering, 2002, 124(3):237.

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