Un boîtier ouvert et fermé (partie 1)

Bien qu'il y ait un parcelle D’intérêt pour les systèmes basés sur batteries, le stockage d’énergie ne se limite pas à l’électricité. Il existe des applications dans lesquelles le stockage de l’énergie thermique présente un avantage certain par rapport aux batteries en termes de coût du cycle de vie, de sécurité et d’efficacité des ressources.

Une énorme opportunité

L'eau est la meilleure matière à stocker sur terre sensible chaleur (par exemple, lorsque le matériau stockant la chaleur change de température mais pas de phase). En volume, l’eau peut stocker plus de deux fois plus de chaleur que le béton, où les deux matériaux subissent le même changement de température. La technologie hydronique est le moyen idéal pour stocker et transport l'énergie thermique. Il n'y a pratiquement aucune limite aux types de systèmes combinant une source de chaleur, un volume d'eau pour stocker cette chaleur et un moyen de fournir cette chaleur précisément quand et où elle est nécessaire dans un bâtiment.

Dans sa forme la plus élémentaire, un système hydronique avec stockage d’énergie nécessite au minimum trois modes de fonctionnement :

1. La source de chaleur ajoute de la chaleur au stockage
2. Le stockage fournit de la chaleur à la charge
3. La source de chaleur fournit de la chaleur directement à la charge.

Ces modes sont illustrés dans la figure 1.

Dans les systèmes hydroniques, la source de chaleur peut être une chaudière électrique et une pompe à chaleur air-eau, ou une pompe à chaleur géothermique eau-eau.

Les émetteurs de chaleur peuvent être presque tout ce qui peut fournir le taux de chaleur requis en fonction de la plage de cycles de température du système de stockage. Les émetteurs de température plus basse tels que certains types de panneaux radiants, les radiateurs à panneaux de taille généreuse et les ventilo-convecteurs permettent une plus grande plage de cycles de température du système de stockage thermique. Leur température de fonctionnement plus basse améliore également les COP saisonniers des pompes à chaleur utilisées comme sources de chaleur.

Le système de stockage thermique pourrait être constitué d’un ou plusieurs réservoirs isolés remplis d’eau. Il peut également s'agir d'un ou plusieurs dispositifs de stockage thermique utilisant un matériau à changement de phase. Dans cette rubrique, je souhaite me concentrer sur le stockage thermique à base d’eau, et plus particulièrement sur les réservoirs de stockage thermique non pressurisés.

Les réservoirs de stockage thermique non pressurisés présentent des avantages et des limites par rapport aux réservoirs sous pression. L’un des avantages est que les réservoirs non pressurisés de plus de 119 gallons ne nécessitent pas de certification ASME, tout comme les réservoirs sous pression. D'autres avantages incluent :

• Coût par gallon de stockage inférieur par rapport aux réservoirs en acier et surtout certifiés ASME.
• Fourni avec une isolation à valeur R plus élevée
• Construction modulaire permettant l'installation de grands réservoirs dans des espaces accessibles par des portes de passage typiques.

Maintenant quelques inconvénients :

• Les réservoirs sans pression doivent être évacués vers l’atmosphère (pour éviter toute possibilité d’accumulation de pression). Il y aura une certaine perte d'eau due à l'évaporation au fil du temps, et donc le niveau d'eau doit être surveillé et de l'eau d'appoint ajoutée périodiquement pour maintenir le niveau de remplissage nécessaire.
• Parce qu’ils sont « ouverts » à la pression atmosphérique, l’eau du réservoir absorbe un peu d’oxygène. Pour éviter l'oxydation, tous les composants de tuyauterie qui manipulent l'eau du réservoir doivent être fabriqués à partir de métaux tels que le laiton, le bronze, l'acier inoxydable ou des polymères techniques appropriés. Les circulateurs en acier inoxydable sont largement disponibles, mais coûtent souvent deux à trois fois plus cher que les circulateurs en fonte de capacité similaire.
• En fonction de la température et du milieu environnant, il est possible que certains microbes aérobies s'établissent au sein de biofilms dans des systèmes ouverts. Cela peut être résolu à l’aide de biocides.
• Le niveau d'eau dans le réservoir est toujours à la pression atmosphérique (par exemple, pression manométrique 0). Toute tuyauterie directement connectée à l'eau dans le réservoir et installée au-dessus du niveau de l'eau sera sous une pression inférieure à la pression atmosphérique lorsque les circulateurs sont éteints. Selon la hauteur de la tuyauterie au-dessus du niveau de l'eau et la température, il est possible que l'eau atteigne sa pression de vapeur et bout lorsque le circulateur s'arrête. Même dans les systèmes à basse température où l'ébullition ne peut pas se produire, l'air peut être aspiré dans le système par des dispositifs tels que des bouches d'aération ou des garnitures de tige de vanne desserrées dans la tuyauterie au-dessus du niveau de l'eau. Cela peut amener l’eau à « se déposer » vers le réservoir lorsque le circulateur est éteint. Lorsque le circulateur se rallume, il peut ou non être en mesure de réamorcer le circuit. Même lorsque le circulateur peut réamorcer le circuit, il y aura du bruit lorsque l'air sera poussé le long de la tuyauterie et finalement renvoyé vers le réservoir.

Couplage thermique

Lorsque des réservoirs non pressurisés sont utilisés pour le stockage thermique, ils sont généralement couplés au reste du système à l’aide d’un échangeur de chaleur. Cela permet à l’équilibre du système de fonctionner en boucle fermée.

Le type « traditionnel » d'échangeur de chaleur dans une telle application est un serpentin hélicoïdal constitué de tubes en cuivre ou en acier inoxydable immergés dans l'eau du réservoir. Bien que simples dans leur concept, les échangeurs de chaleur à serpentins hélicoïdaux ont des performances thermiques limitées par la convection naturelle sur la surface extérieure du serpentin. Les coefficients de convection sur cette surface externe peuvent être inférieurs à 10 % de ceux associés à une convection forcée sur la surface interne du serpentin. La seule façon de compenser ce « goulot d’étranglement » de transfert de chaleur est d’augmenter la surface du serpentin, en installant de grands serpentins ou plusieurs serpentins regroupés en parallèle. Compte tenu du coût actuel du cuivre, cela peut coûter très cher (pensez à plusieurs milliers de dollars) pour un réseau de bobines capable de transférer 50 000 Btu/h avec une différence de température d'approche de 5 ºF.

L’alternative est un échangeur de chaleur à plaques brasées en acier inoxydable. Ces échangeurs de chaleur fonctionnent avec des flux de fluide pompés des deux côtés et donc avec des coefficients de convection beaucoup plus élevés. Ils sont facilement disponibles auprès de plusieurs sources et sont généralement dimensionnés à l'aide d'un logiciel fourni par le fabricant.

Les tenants et aboutissants

Quelle que soit la configuration physique de l'échangeur de chaleur, il est important qu'il fonctionne dans des conditions à contre-courant (par exemple, les deux fluides se déplacent dans des directions opposées à travers l'échangeur de chaleur). Cela donne la différence de température moyenne logarithmique (LMTD) la plus élevée entre les deux fluides, et donc le taux de transfert de chaleur le plus élevé possible pour un ensemble donné de conditions de fonctionnement.

La tuyauterie d'un échangeur de chaleur à contre-courant est relativement simple dans la plupart des applications où l'échangeur de chaleur déplace la chaleur dans une direction (d'un fluide à température plus élevée vers un fluide à basse température). Cependant, lorsque l'échangeur thermique est utilisé pour l'apport de chaleur et Lors de l'extraction de chaleur du stockage thermique, la direction du flux doit changer pour maintenir une stratification de température bénéfique à l'intérieur du réservoir de stockage thermique et un contre-courant des deux côtés de l'échangeur de chaleur.

Un concept consiste à utiliser deux circulateurs, pompant dans des directions opposées, et dans lesquels un seul circulateur fonctionne à un moment donné. Ceci est illustré dans la figure 2.

Image gracieuseté de John Siegenthaler. L'inconnu ici est que le flux doit passer en arrière à travers le circulateur qui est éteint. Il s’agit de « terrains inexplorés » pour les fabricants de circulateurs.

Ingénieur au fabricant : « Est-ce que le fait de renvoyer le flux à travers un circulateur non alimenté créerait des problèmes ?

Réponse du fabricant : « Je ne sais pas. Pourquoi voudriez-vous faire ça de toute façon ? »

Mon point de vue est que le flux inverse à travers un circulateur non alimenté devrait être évité. En plus d'un facteur de perte de charge inconnu, le flux inverse à travers un circulateur non alimenté est susceptible de faire tourner la turbine vers l'arrière. Bien que cela puisse ou non constituer un problème électrique pour les moteurs à induction ou PSC, il est probable qu'il génère une tension dans un circulateur ECM (par exemple, faire tourner un rotor à aimant permanent dans les bobines de stator environnantes est essentiellement un générateur).

La solution consiste à combiner une vanne motorisée à chaque circulateur qui sert de by-pass lorsque le circulateur est éteint. Chaque circulateur nécessite également un clapet anti-retour (interne ou externe). La figure 3 montre le concept.

Image gracieuseté de John Siegenthaler. Le couper

La figure 2 contient plusieurs autres détails sur lesquels vous vous posez peut-être des questions.

1. Question : Pourquoi le circulateur est-il si bas dans le schéma ?
   1. Réponse : Pour maximiser la pression statique de l’eau et la hauteur d’aspiration nette positive à l’entrée du circulateur et éviter la cavitation.
2. Question : Pourquoi y a-t-il deux vannes de purge en haut du ballon de stockage thermique ?
   1. Réponse : Ils sont utilisés pour remplir d’eau la tuyauterie en « col de cygne » qui passe au-dessus du réservoir et inonder la tuyauterie d’entrée du circulateur.
3. Question : Qu'est-ce que le petit serpentin étiqueté « vent » en haut du réservoir ?
   1. Réponse : Il s'agit d'un serpentin de tube en cuivre de petit diamètre qui aide à condenser la vapeur d'eau qui s'élève du réservoir, la faisant ainsi refluer dans le réservoir. Cela réduit la perte d’eau par évaporation au fil du temps.
4. Question : Que sont les tés rouges et bleus aux extrémités des tuyaux à l'intérieur du réservoir ?
   1. Réponse : Ils dirigent le flux horizontalement plutôt que verticalement pour minimiser la perturbation de la stratification de la température à l'intérieur du réservoir.
5. Question : Pourquoi y a-t-il une note indiquant que les circulateurs doivent être en acier inoxydable, en bronze ou en polymère ?
   1. Réponse : Ces circulateurs font partie d'un système « ouvert ». Les circulateurs en fonte finiront par se corroder en raison de la présence d’oxygène dissous dans l’eau.

Plus à venir

Le mois prochain, le système de stockage thermique « réversible » illustré à la figure 2 sera combiné à une source de chaleur et à une charge. Nous verrons également comment chacun des modes de fonctionnement illustrés dans la figure 1 est facilité.