Le thermosiphonnage , également connu sous le nom de thermosyphoning , est considéré comme une technologie appropriée . Ce processus utilise des ressources naturelles renouvelables et les lois fondamentales de la thermodynamique pour créer un mouvement d'un approvisionnement en air ou en eau chauffé. La source d'énergie de ce processus est le rayonnement solaire (ou toute autre source de chaleur). L'énergie du soleil est captée dans un dispositif de captage solaire et est transférée à l'air ou à l'eau par conduction. L'ensemble du processus peut être expliqué par l' effet de thermosiphonnage : lorsque l'air ou l'eau est chauffé, il acquiert de l'énergie cinétique de la source de chaleur et devient excité. En conséquence, l'eau devient moins dense, se dilate et donc monte. En revanche, lorsque l'eau ou l'air est refroidi, de l'énergie est extraite des molécules et l'eau devient moins active, plus dense et a tendance à « couler ». Le thermosiphonnage exploite les différences de densité naturelles entre les fluides froids et chauds et les contrôle dans un système qui produit un mouvement naturel des fluides. Plusieurs systèmes basés sur cette technologie sont actuellement disponibles et peuvent être lus plus en détail dans le texte suivant.
Le principe du thermosiphon est le suivant : l'eau froide a une densité plus élevée que l'eau chaude et, étant plus lourde, elle coule vers le bas. C'est pourquoi le capteur est toujours monté sous le réservoir d'eau, de sorte que l'eau froide du réservoir atteint le capteur via un tuyau d'eau descendant. Si le capteur chauffe l'eau, l'eau remonte et atteint le réservoir via un tuyau d'eau ascendant à l'extrémité supérieure du capteur. Le cycle réservoir → tuyau d'eau → capteur assure le réchauffement de l'eau jusqu'à ce qu'elle atteigne une température d'équilibre. Le consommateur peut alors utiliser l'eau chaude du haut du réservoir, l'eau utilisée étant remplacée par de l'eau froide au fond. Le capteur réchauffe ensuite l'eau froide. En raison des différences de température plus importantes à des irradiations solaires élevées, l'eau chaude monte plus vite qu'à des irradiations plus faibles. Par conséquent, la circulation de l'eau s'adapte presque parfaitement au niveau d'irradiation solaire. Le ballon de stockage d'un système à thermosiphon doit être placé bien au-dessus du capteur, sinon le cycle peut tourner à l'envers pendant la nuit et toute l'eau se refroidira. De plus, le cycle ne fonctionne pas correctement à de très faibles différences de hauteur. Dans les régions à fort ensoleillement et à architecture à toit plat, les ballons de stockage sont généralement installés sur le toit.
Les systèmes à thermosiphon sont très économiques en tant que systèmes de chauffage de l'eau domestique. Le principe est simple, il ne nécessite ni pompe ni régulation. Cependant, les systèmes à thermosiphon ne conviennent généralement pas aux grandes installations, c'est-à-dire celles dont la surface du capteur est supérieure à 10 m². De plus, il est difficile de placer le réservoir au-dessus du capteur dans les bâtiments à toits en pente, et les systèmes à thermosiphon à circuit unique ne conviennent que pour les régions sans gel.
Contenu
Physique sous-jacente
La thermodynamique est l'étude de l'énergie .
- Première loi de la thermodynamique : elle stipule que l'énergie peut être transformée d'une forme à une autre, mais qu'elle ne peut être ni créée ni détruite. L'énergie est toujours conservée.
Cette loi peut être appliquée au mouvement de l'eau dans un système de thermosiphonnage : l'énergie du soleil est dirigée et transférée (par conduction et convection) vers l'eau, l'air ou un autre milieu de votre choix. Ce processus naturel de chauffage élimine le besoin de sources d'énergie externes telles que les combustibles fossiles ou l'électricité.
- Deuxième loi de la thermodynamique - Elle stipule que dans tous les échanges d'énergie, si aucune énergie n'entre ou ne sort du système, l'énergie potentielle de l'état sera toujours inférieure à celle de l'état initial. Le rendement net d'un système est toujours inférieur à celui qui y a été initialement injecté.
L'énergie est toujours conservée, mais il arrive souvent qu'un système donné perde de l'énergie (ou de la chaleur dans ce cas) sous forme de chaleur (thermosiphonnage). L'ajout d' une isolation avec des valeurs R appropriées au système et à sa plomberie peut réduire considérablement les pertes de chaleur et donc augmenter l'efficacité.
- Loi de Planck - La longueur d'onde du rayonnement émis par une surface est proportionnelle à la température de la surface. L'énergie est transférée en raison des différences de température entre deux objets. Les objets sombres absorbent la chaleur, tandis que les objets clairs la réfléchissent.
Des plaques collectrices de couleur foncée dans le capteur solaire contribueront à augmenter l'absorption solaire, augmentant ainsi la quantité de chaleur disponible pour chauffer l'eau ou l'air dans le thermosiphon. En revanche, des tuyaux et des réservoirs de stockage réfléchissants ou de couleur claire doivent être utilisés, car les couleurs claires contribueront à réduire le rayonnement thermique hors du système.
Chauffage passif de l'eau
Le thermosiphonnage passif de l'eau est le processus de chauffage et de déplacement de l'eau dans un système sans avoir besoin ou utilisation d'électricité. Ce processus fonctionne en utilisant des phénomènes naturels tels que l'énergie solaire, la gravité et une source d'eau disponible. Un capteur solaire, une tuyauterie et un réservoir d'eau sont les matériaux nécessaires au processus de chauffage. Le flux d'eau est distribué dans, à l'intérieur et à l'extérieur du capteur solaire. L'eau froide entre par le bas du capteur solaire où elle est ensuite chauffée par convection par le rayonnement solaire. Lorsque l'eau est chauffée, elle devient moins dense que l'eau plus froide, se dilate, puis monte ( s'écoule ) à travers la tuyauterie. L'eau chauffée sort naturellement par le haut du capteur solaire. L'eau plus froide et plus dense coule et reste dans le capteur solaire jusqu'à ce qu'elle soit chauffée. Lorsque l'eau froide est chauffée, elle se dilate, monte, est poussée hors du haut du capteur solaire, permettant à l'eau froide de s'écouler dans le capteur solaire. Ce processus se poursuit naturellement jusqu'à ce que la température de l'eau atteigne un équilibre avec l'apport de rayonnement solaire.
Deux types de systèmes d’échange d’eau par thermosiphon sont actuellement disponibles : le système monobloc et le système à alimentation par gravité.
Système monobloc
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Les systèmes monoblocs fonctionnent selon les mêmes principes de thermosiphonnage passif que ceux mentionnés ci-dessus. Le réservoir de stockage de ces systèmes doit être placé au-dessus du capteur solaire pour utiliser la circulation d'eau générée par le processus de thermosiphonnage passif.
Matériaux
- Énergie solaire
- Collecteur solaire
- Tuyauterie
- Isolation
- Eau
- Réservoir de stockage
- Toiture solide ou autre système de support
Coût
- Des recherches menées en 2007 suggèrent que les chauffe-eau à thermosiphon passifs peuvent coûter entre 500 et 6 500 dollars. Le prix peut varier en fonction de la taille du réservoir, de l'exposition au soleil et de la situation géographique
- De nombreux pays, États et services publics offrent des incitations à la participation aux énergies renouvelables
Avantages
- Non polluant
- Économies d'énergie - Pas besoin d'électricité pour le thermosiphonnage passif
- Rentable
- Gain de place - (c'est-à-dire à l'intérieur)
Les inconvénients
- L'exposition du réservoir aux conditions environnementales externes peut réduire son efficacité, en fonction de la situation géographique
- Esthétique - Peut être considéré comme visuellement désagréable
- Une structure de support solide est nécessaire (c'est-à-dire un toit)
- Ne convient pas aux climats extrêmement froids
- Emplacement - doit être positionné dans une zone avec une exposition solaire appropriée (c'est-à-dire côté sud de la zone souhaitée)
Système d'alimentation par gravité
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Les systèmes à alimentation par gravité utilisent les mêmes principes de thermosiphonnage passif que le système à couplage direct, mais l'emplacement du réservoir diffère. Les réservoirs sont installés horizontalement sur un toit, qui est souvent situé directement au-dessus du capteur solaire. Une fois nécessaire, l'eau chauffée dans le réservoir de stockage emprunte le chemin de moindre résistance et descend par gravité jusqu'à l'emplacement souhaité. Les systèmes à alimentation par gravité nécessitent davantage de tuyauterie/plomberie pour distribuer l'eau chauffée, et ce facteur doit être pris en compte lors de l'installation ou de l'achat d'un système de thermosiphonnage.
Matériaux
- Énergie solaire
- Collecteur solaire
- Tuyauterie
- Isolation
- Eau
- Réservoir de stockage
- Toiture solide ou autre système de support
Coût
- Les systèmes à alimentation par gravité sont généralement les chauffe-eau à thermosiphon passif les moins chers
- Des recherches menées en 2007 suggèrent que le coût peut varier entre 400 et 5 500 dollars (sans compter le coût d'installation, le cas échéant). Le prix peut varier en fonction de la taille du réservoir, de l'exposition au soleil et de la situation géographique
- De nombreux pays, États et services publics offrent des incitations à la participation aux énergies renouvelables
Avantages
- Non polluant
- Économies d'énergie - Pas besoin d'électricité pour le thermosiphonnage passif
- Rentable
- Gain de place - (c'est-à-dire à l'intérieur)
- Esthétique - (Placement horizontal du réservoir)
Les inconvénients
- La plomberie et la tuyauterie ajoutent des coûts supplémentaires au système
- Esthétique - Peut être considéré comme visuellement désagréable
- Une structure de support solide est nécessaire (c'est-à-dire un toit)
- Ne convient pas aux climats extrêmement froids
- Emplacement - doit être positionné dans une zone avec une exposition solaire appropriée (c'est-à-dire côté sud de la zone souhaitée)
Chauffage actif de l'eau
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Les systèmes de chauffage solaire actifs, également appelés systèmes de pompage ou systèmes split , fonctionnent sur la même base que l' effet thermosiphon , mais les systèmes actifs utilisent une source d'énergie autre que l'énergie solaire pour aider à piloter le processus. Ce système installe uniquement le capteur solaire sur le toit, tandis que le réservoir de stockage est installé au sol ou n'importe où ailleurs en dessous. Ces unités de chauffage d'eau actives nécessitent une forme d'énergie externe pour pomper l'eau dans tout le système. En utilisant de l'énergie supplémentaire, ces systèmes actifs sont moins rentables que les systèmes passifs.
Matériaux
- Énergie solaire
- Collecteur solaire
- Énergie électrique
- Pompe électrique
- Tuyauterie supplémentaire
- Isolation
- Eau
- Réservoir de stockage
Coût
- Des recherches menées en 2007 suggèrent que les chauffe-eau à thermosiphon actif peuvent coûter entre 1 200 et 10 500 dollars. Le prix peut varier en fonction de la taille du réservoir, des exigences en matière de tuyauterie interne, de l'exposition au soleil et de la situation géographique
- De nombreux pays, États et services publics offrent des incitations à la participation aux énergies renouvelables
Avantages
- Économies d'argent
- Rentable
- Esthétique - Réservoir de stockage non placé sur le toit
- Réduction des gaz à effet de serre – S’il est correctement isolé, il a le potentiel de polluer aussi peu que les systèmes passifs.
Les inconvénients
- Consomme plus d'énergie qu'un système passif
- Nécessite plus d'entretien qu'un système passif
- Perte de chaleur - lors du transfert du capteur solaire vers le ballon de stockage situé en dessous
- Pollue quelque peu - à cause de l'utilisation électrique
- Emplacement - doit être positionné dans une zone avec une exposition solaire appropriée (c'est-à-dire côté sud de la zone souhaitée)
Échange d'air passif
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Un exemple de système de chauffage solaire thermique passif est l'échange de chaleur par thermosiphon . Il est basé sur le principe de la convection naturelle, dans lequel l'air ou l'eau circule dans un circuit fermé vertical sans utiliser de pompe. L'air frais à l'intérieur circule à travers un évent et est dirigé vers une ouverture au bas d'un capteur solaire. L'air contenu dans le capteur solaire est ensuite chauffé par le soleil via le rayonnement solaire. L'air froid est dense et descend, tandis que l'air chaud est moins dense et monte. Lorsque l'air se réchauffe dans le capteur solaire, il devient moins dense que l'air plus froid et monte. L'air chaud sort d'un évent dans l'ouverture supérieure du capteur solaire, se déplace vers la zone souhaitée (c'est-à-dire à l'intérieur) et est remplacé par de l'air plus frais. Ce processus d'échange d'air se poursuivra jusqu'à ce que la température de l'air intérieur atteigne un équilibre avec la température extérieure.
Matériaux
- Capteur solaire - Plus le capteur solaire est grand, mieux c'est.
- Cadre
- 6 planches verticales de 2 x 6 pouces - Buffets
- Planches de 2 x 6 et 2 x 8 - Seuil supérieur
- Vis tire-fond - Recommandées, mais pas nécessaires pour la fixation
- glaçage
- Panneaux ondulés en polycarbonate
- 10 panneaux - 26 po de largeur par 8 pi de hauteur
- Paires de panneaux superposés sur une bande de bois verticale de 1 x 1 po - Permet de créer des panneaux de 4 pieds de large pour chaque baie
- Revêtement résistant aux ultraviolets - Appliquer sur le côté exposé au soleil pour prolonger la longévité
- Plaque d'absorption solaire
- Moustiquaire en métal noir à 2 couches - Fixée en haut et en bas des baies
- Évents
- Des trous sont découpés dans le revêtement du bâtiment - Des volets en plastique empêcheront le reflux d'air par les évents supérieurs pendant la nuit.
Coût
- Des recherches menées en 2007 suggèrent que les échangeurs de chaleur passifs peuvent coûter entre 55 et 400 dollars. Le prix peut varier en fonction de la taille du ou des capteurs, de l'isolation de la zone à chauffer, de l'exposition solaire et de la situation géographique.
- De nombreux pays, États et services publics offrent des incitations à la participation aux énergies renouvelables
Avantages
- Faible coût
- Économie d'énergie
- Réduction de la pollution
- Peut être utilisé pour refroidir les appareils électroniques
Les inconvénients
- Entretien accru - (c'est-à-dire couverture pendant les périodes de faible rayonnement solaire)
- L'emplacement géographique peut altérer l'efficacité
- Nécessite la fermeture manuelle des clapets anti-retour la nuit
- Les versements orientés au sud sont préférés
Projets liés
Les références
- Cartes dynamiques, données SIG et outils d'analyse du National Renewable Energy Laboratory (NREL) - Cartes solaires (2007) Disponibles : http://www.nrel.gov/gis/solar.html
- Citarella, Joe. « Thermosiphons : une meilleure approche pour le refroidissement du processeur ? » Overclockers. 5 août 2005. http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
- Reysa, Gary. « Construire un simple chauffe-eau solaire » Mother Earth News. Janvier 2006 http://www.motherearthnews.com/Alternative-Energy/2006-12-01/Build-a-Simple-Solar-Heater.aspx
- « Partie 2 : Un tour d'horizon des applications des énergies renouvelables. » http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.unepti.e.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
- Mirmov, NI, Belyakova, IG « Libération de chaleur lors de la condensation de vapeur dans un thermosiphon. » Journal of Engineering Physics 43(3), pp.970-974, 1982.
- Conception et performances d'un thermosiphon compact. Aniruddha, P., Yogendra, J., Beitelmal, M, Patel, C., Wenger, T. École de génie mécanique Woodruff. 2002. http://www.hpl.hp.com/research/papers/2002/thermosyphon.pdf
