Etat de l'art stockage stratifié

Conditions pour une bonne stratification :

  • \(\frac{h}{D}>2\) (entre 3 et 4 --> bon équilibre performances/coûts)

  • \(Fr<2\) (\(Fr=\frac{v}{\sqrt{g\cdot Lc}}\)~\(\frac{Ec}{Ep}\))

  • \(Ri>>1\) (\(Ri=\frac{Gr}{Re^2}=\frac{g\cdot\beta\cdot\Delta T\cdot Lc}{v^2}\)~\(\frac{Ep,grav}{Ec}\), proportionnel à \(\frac{1}{Fr^2}\)) (\(Ri<1\) --> régime turbulent)

  • Favorisation par électrovannes ou par convection naturelle (--> canne de stratification) ou par obstacles ou par autres technologies (MCP etc) 

  • Empêcher ou éviter le brassage dû à l’injection

  • Bonne isolation (limite les courants de convection dans le ballon) 

Technologies de cannes de stratifications et des modes d'injection :

  1. cheminée de stratification : tubes en t (pas optimal, perturbent la stratification) ou tuyau vertical percé de petits trous (moins de perturbations) [avec ou sans clapet anti-retour] ou tubes orientés vers le bas
  2. modes d’injection : direct (risque de brassage) ou injecteurs à plaque (moins de perturbations) ou systèmes anti-convection, diffuseurs, brise-jets

Cas de ballons solaires :

  • Chauffe eau solaire à convection naturelle ou à thermosiphon (circulation par différence de densité)
  • Chauffe eau solaire à convection forcée (ajout d'un circulateur (pompe)

Nécessité d’avoir un appoint (dû à l'intermittence de la ressource) :
  • électrique (résistance)
  • hydraulique (échangeur dans la cuve associé à une chaudière ou échangeur manteau mais remplaçable par un échangeur externe)
  • mixte (électrique et hydraulique) 
 

Modèles possibles:

  • stockage brassé (température uniforme, la convection domine --> modèle multi-couches avec N=1)

  • à volumes variables (les volumes s'adaptent aux débits de puisage et de remplissage du ballon. Les modèles existants sont limités à deux entrées et deux sorties d'eau (type 38 sur TRNSYS))

  • multicouches (N couches isothermes à volume constant, hypothèse de couche isotherme raisonnable si le stockage est bien isolé et possède de larges inlet/outlet)

Forme générale des modèles multi-couches:

\(Mi\cdot Cp\cdot\frac{dTi}{dt}=\Phi(env)+\Phi(cond)+\Phi(ech)+\Phi(aux)+\Phi(inj)+\Phi(flue)+\Phi(conv)\) 

cf Blandin p. 41
cf Kleinbach 1993 pp.33-39

  • zonal (découpage en macrovolumes (~maillage CFD macro), prise en compte de la convection entre les couches). Nécessite de fixer un scénario d'écoulement pour la résolution (trop d'inconnues : température et débits aux frontières de chaque zone). Surtout utilisé comme outils d'évaluation des performances énergétiques et du confort thermique des bâtiments

  • type CFD (utilisé pour simuler le comportement du fluide à l'intérieur du ballon, peu pertinent dans notre cas)



References

  1. E.M. Kleinbach, W.A. Beckman, S.A. Klein. Performance study of one-dimensional models for stratified thermal storage tanks. Solar Energy 50, 33–39 Elsevier BV, 1993. Link

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