Etude et réalisation d`un banc d`essai pour un chauffe-eau
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1. CC Imn x 20 W m2 10 En D bit 4 Temp rature 1 8 Eclairement 4 Temp rature A Temp rature 2 Fig 17 Tests du 30 juin jour clair 8 CONCLUSION Dans le cadre de ce travail on s est propos d effectuer l tude et la r alisation pratique d un syst me de r gulation de la temp rature d un chauffe eau solaire On a install et mont l ensemble des l ments du syst me et on a r alis la carte lectronique de commande pour assister l unit d acquisition L ensemble est g r par ordinateur utilisant un logiciel qui a t labor Les tests effectu s pour v rifier aussi bien le fonctionnement de l ensemble des quipements et la fiabilit de ce logiciel de r gulation montrent que le programme de travail d fini initialement a t enti rement r alis dans son ensemble Les r sultats obtenus sont satisfaisants et appr ciables Il faut noter que ce travail banc d essai test instrument et exp rimentation pour la production d eau chaude sanitaire a t enti rement entrepris l Unit de Recherche de l Universit de Batna REFERENCES 1 Site Internet http www tecsol fr 2 J M Chasseriau Conversion Thermique du Rayonnement Solaire Dunod France 273 pages 1984 3 Site Internet http www ademe fr 4 Site Internet http www outilssolaires com 5k 21 nov 2002 5 M Berdai et al Elaboration de Normes et Sp ci2. Cuve de stockage 3 Groupe de transfert des gt et r gulation 3 EC l Capteur thermique plan 2 Cuve de stockage 3 Circuit d eau 4 Echangeur de chaleur EF Fig 1 Chauffe eau solaire monobloc Fig 2 Chauffe eau solaire circulation forc e thermosiphon Etude et r alisation d un banc d essai pour un chauffe eau solaire 121 3 2 Le chauffe eau solaire circulation forc e Ce type de chauffe eau solaire est adapt toutes les diff rentes configurations Ainsi le ballon peut tre install dans une cave ou loign des capteurs 4 Ce type de chauffe eau solaire est g n ralement Fig 2 constitu de trois parties le capteur plan solaire 1 la cuve de stockage 2 le groupe de transfert et r gulation 3 3 2 1 Le capteur plan Le r le du capteur solaire est d absorber un maximum d nergie solaire avec le moins de pertes possibles puis de faire passer cette chaleur dans l eau de circulation appel e aussi fluide caloporteur qui chauffera gr ce un circuit secondaire l eau sanitaire Les capteurs plans thermiques peuvent tre fix s sur un toit inclin s afin de recevoir le maximum de rayonnement solaire au mieux Fig 3 Il existe plusieurs types de capteurs plans tels que le capteur sous vide le capteur plan vitr le capteur avec double vitrage et le capteur sans vitrage Ca Fig 3 Vue des capteurs plans utilis s 3 2 2 L unit de stockage A
3. alisation d un banc d essai pour un chauffe eau solaire 125 Station Capteurs solaires Capteur de ie gaas Pyranom tre m t orologique temp rature l CN JHT Atid Hiili Ff 1h HIT H o HI 177 HAITI IIIIIE PITTIN LISALE _ 3 B LE S Conduites d eau chaude R servoir 2 R servoir l gt capteur de temp rature 2 Ballon FA d expansion 1 A RAA ALERTE RLL Pompe ql Utilisation d eau chaude D bitm tre lectromagn tique Int grateur solaire ES Conduites d eau froide Datataker 7 TE DT 50 o Pompe 2 o o lectronique Fig 12 Sch ma synoptique du syst me r alis 6 1 Organigramme g n ral de la partie r gulation La figure 13 donne une pr sentation de la structure de l organigramme labor pour la partie r gulation de l installation D marrage du Timer Initialisation et synchronisation de la DT50 Lire la valeur de AT m Acquisition des param tres Traitement de donn es acquises Aa un Affichage num rique et D er la Pompe TEET AT ONPE graphique des donn es P Enregistrement des diff rents param tres 2 ne Non Fig 13 Organigramme de r gulation du logiciel r alis 126 F Yettou et al 6 2 Programme de commande Apr s avoir mont les divers l ments du syst me il a t labor un programme CPR gulation crit en langage Visuel Basic 14 Le programme sp cialement d velopp et con
4. RESULTATS Les tests ont t effectu s le 27 Juin de 8h00 19h00 un jour d clairement moyen Fig 15 Les donn es sont relev es toutes les 5 minutes et l intervalle de r gulation AT est fix 20 C On constate que le fonctionnement de la pompe pr sente une discontinuit en fonction de l clairement Alors que la temp rature de l eau pr sente une continuit ce qui montre que le syst me r gule convenablement en maintenant la temp rature de l eau la plus constante possible et cela en fonction de l clairement et de la temp rature ambiante Tandis pour la journ e suivante le 28 Juin journ e claire rayonnement important l intervalle AT de r gulation toujours fix 20 C Fig 16 Contrairement aux tests pr c dents on constate dans ce cas un fonctionnement continu de la pompe sur une longue p riode et le rayonnement pr sente une continuit sans perturbations Comme on peut remarquer sur ce diagramme la diff rence entre les profils des deux temp ratures T et T le AT obtenu est de l ordre de Etude et r alisation d un banc d essai pour un chauffe eau solaire 127 20 C en moyenne avec des diff rences relativement importantes sur des p riodes o le rayonnement est intense p riode estivale c est dire entre 10h30 et 16h30 Les tests effectu s le 30 Juin sous la condition d un AT 10 C Fig 17 les conditions de fonctionnement sont presque identique
5. eau par nergie solaire seront discut s Abstract First we speak about potentialities of Algeria in solar energy and we give a short view about the current heating solar water then we present the measuring equipment and sensors which us used after we will approach the concept of data acquisition and the instrument used for that We describe also the functioning principle of our system and we give some informations about the carried out card and we give the control program Finally we will give some results of several parameters about the system Mots cl s Chauffe eau solaire Capteur plan Techniques de r gulation Acquisition de donn es 1 INTRODUCTION Le d veloppement et l expansion industrielle ainsi que l augmentation rapide de la population ont entra n un accroissement important de la demande nerg tique Pour la satisfaire long terme l utilisation des sources d nergie d origine fossile conduira d une part une surexploitation de ces ressources et une d gradation de l environnement d autre part L utilisation de source d nergie non nuisible l environnement comme l nergie solaire est n cessaire et indispensable dans certains cas Cette source d nergie est utilis e de mani res diff rentes par exemple dans les syst mes thermiques chauffe eau solaires pour la production d eau chaude domaine o elle conna t un d veloppement consid rable particuli rement dans le s
6. Revue des Energies Renouvelables Vol 11 N 1 2008 119 128 Etude et r alisation d un banc d essai pour un chauffe eau solaire circulation forc e dans la r gion des Hauts Plateaux F Yettou A Gama C Hamouda et A Malek 1 Unit de Recherche Appliqu e en Energies Renouvelables B P 88 ZI Gart Taam Gharda a Alg rie Unit de Recherche Universit de Batna Route Boukhlouf Med El Hadi Batna Alg rie 3 Centre de D veloppement des Energies Renouvelables B P 62 Route de l Observatoire Bouzar ah Alger Alg rie re u le 20 D cembre 2007 accept le 30 Mars 2008 R sum En premier lieu nous rappellerons les potentialit s dont l Alg rie dispose en nergie solaire et nous donnerons un aper u sur l tat de l art des chauffe eau solaires actuels Ensuite nous pr sentons l ensemble de la cha ne de mesure devant tre utilis pour la r alisation d un banc d essai test chauffe eau avec les divers dispositifs et capteurs mis notre disposition pour ces exp rimentations et en signifiant pr cis ment la notion de l acquisition de donn es et l instrument utilis cet effet Dans cet article nous d crirons le fonctionnement de notre syst me ainsi que la carte lectronique con ue pour la commande Un aper u du logiciel labor et d velopp pour la gestion de l ensemble est donn Des r sultats obtenus sur des tests exp rimentaux du syst me de chauffage de l
7. S9 a t utilis e pour la mesure des param tres m t orologiques 9 Cette station permet de mesurer et de visualiser les param tres climatiques les plus importants tels que la temp rature l humidit la pression de lair ambiant la direction et la vitesse du vent et la pluviom trie 4 6 Unit d acquisition de donn es Afin d assurer l acquisition et le stockage des valeurs des param tres issus des capteurs de mesure une unit d acquisition de donn es Fig 10 d nomm e la DT50 10 a t utilis e Elle se compose de dix entr es analogiques num riques et de cinq sorties Elle poss de galement une interface de communication avec le micro PC travers son port s rie RS232 7 Son programme de gestion DeLogger comprend une s rie de cha nes de commandes sp cifiques l appareil 4 7 Carte lectronique de commande La figure 11 repr sente une vue de la carte lectronique labor e et r alis pour la commande de la pompe de circulation du fluide caloporteur 11 Elle contient un ensemble de composants lectroniques tels que des transistors des diodes et des relais 12 qui permettent d enclencher ou de d clancher la pompe au moment voulu et cela en utilisant des signaux envoy s par l unit d acquisition DT50 Fig 8 Vue du d bitm tre utilis Fig 9 Vue de la station m t orologique MWS9 124 F Yettou et al Fig 10 Unit d acquisition de donn es DT50 Fig 11 V
8. a carte lectronique et cela se fait par l envoi d une commande sp cifique partir du logiciel et tant que la diff rence entre les deux temp ratures est plus grande que l intervalle fix la circulation du fluide caloporteur continuera et l change de chaleur s effectuera jusqu ce que l eau dans le r servoir ne soit plus froide c est dire la diff rence entre les deux temp ratures est inf rieure au AT le PC commandera alors l unit DT50 qui mettrait un signal pour arr ter la pompe et le cycle se poursuit ainsi de suite On aurait alors besoin d une seconde pompe qui serait activ e de temps autre lorsque l eau dans le premier r servoir n est plus froide L eau r cup r e dans le second r servoir ou cumulus est pr te pour tre utilis e pour diverses applications 6 REGULATION ASSISTEE PAR MICRO ORDINATEUR La r gulation de temp rature occupe une fonction importante dans les processus industriels 13 notamment ceux pour la production de la chaleur solaire Il existe cependant plusieurs techniques de r gulation telles que la r gulation traditionnelle l aide des r gulateurs des relais analogiques et la r gulation moderne bas e sur un microcontr leur ou un micro ordinateur Ce dernier a fait l objet de notre r gulation utilisant un logiciel g rant le banc d essai test La figure 12 repr sente le sch ma synoptique de l ensemble r alis et contr l Etude et r
9. ecteur de l habitat La r gulation de la temp rature dans les syst mes de chauffe eau solaires occupe une fonction d terminante 1 En effet la gestion de ce param tre est fonction de plusieurs l ments les besoins de l utilisateur en quantit d eau chaude la temp rature de l eau chaude les conditions climatiques locales les performances du syst me capteurs plans Les techniques de contr le et de r gulation de temp rature ont fait des progr s depuis la technique conventionnelle des relais lectrom caniques celle de l lectronique et des unit s youlissa_irma yahoo fr 119 120 F Yettou et al programmables Actuellement on utilise des syst mes de r gulation pilot s partir des microcontr leurs ou unit de commande dans la majorit des proc d s de contr les notamment ceux de temp ratures l int r t de ces syst mes r side de mani re g n rale dans leurs contributions la production de qualit avec un co t r duit 2 POTENTIALITES Avec une superficie de 2 381 741 km l Alg rie est le pays le plus vaste du c t de la m diterran e Les tudes actuelles montrent que l Alg rie offre des potentialit s int ressantes 2 moyen et long terme pour investir dans de nombreux projets et de programmes pour la production d nergie lectrique issue des nergies renouvelables principalement l nergie solaire En effet l Alg rie est l un des
10. fications Techniques Concernant les Syst mes Solaires Thermiques pour la Production d Eau Chaude Sanitaire au Maroc FIER 2002 T touan Maroc 6 S Fischer and E Hahne Thermische Prufung von Sonnenkollektoren nach CEN Norm ITW Uni Stuttgart 7 G Asch Acquisition de Donn es du Capteur l Ordinateur Dunod France 515 pages 2003 8 Document D bitm tre Electromagn tique Notice Technique DMQDOOS F Fichier et Porter 9 Document Manuel d Utilisation Station M t orologique MSW 10 Site Internet http www Datataker com serie htm 11 Site Internet http www steca com 12 A Louchene Les Circuits Diodes et Transistors Cours d Ing nieurs Universit de Batna 1999 13 H Recknagel E Sprenger and E R Schramek Manuel Pratique du G nie Climatique Pyc Edition 14 Site Internet http www microsoft com VBasic
11. h ma bloc de la cha ne de mesure La cha ne de mesure Fig 5 du syst me banc d essai test d velopp et r alis est compos e des l ments suivants Unit d acquisition de donn e DT50 Temp rature d bit rayonnement Relais Carte param tres climatiques Circuit du fluide caloporteur et changeur de chaleur Circuit d eau Fig 5 Sch ma bloc de la cha ne de mesure 4 2 Mesure de temp rature On a utilis une PT100 7 pour la mesure de la temp rature ambiante et pour les mesures des temp ratures au niveau du r servoir et la sortie des capteurs plans des thermocouples ont t utilis s apr s avoir effectu leur calibrage avant toute utilisation Etude et r alisation d un banc d essai pour un chauffe eau solaire 123 4 3 Mesure du rayonnement La mesure du rayonnement n cessite deux appareils un pyranom tre ordinaire Kipp amp Zonen CM1 Fig 6 plac avec les capteurs plans et connect un int grateur solaire Fig 7 D Fig 6 Vue du pyranom tre utilis CM11 Fig 7 Vue de l int grateur solaire utilis 4 4 Mesure du d bit Pour calculer la quantit d eau produite durant le fonctionnement de l installation on a utilis un d bitm tre lectromagn tique 8 Fig 8 instrument parfaitement adapt la mesure du d bit pour tous les liquides 4 5 Mesure des param tres climatiques Une station m t orologique Fig 9 d nomm e MW
12. pays de la m diterran e qui dispose d un potentiel nerg tique solaire tr s lev Selon les donn es d ensoleillement l Alg rie est compt e parmi les pays les plus ensoleill s dans le monde Le potentiel des ressources solaires de ce pays est optimal pour l ex cution des projets solaires 3 ELEMENTS DU CHAUFFE EAU SOLAIRE ET NORMES D ESSAIS Actuellement 1l existe deux types de chauffe eau solaires bien abondant sur le march le chauffe eau circulation forc e et le monobloc Il faut noter qu un chauffe eau solaire ne peut pas fournir de l eau chaude en cas de faible ensoleillement dans ce cas il faut se servir d un chauffage d appoint utilisant une source d nergie conventionnelle 3 3 1 Le chauffe eau solaire monobloc thermosiphon Thermosiphon veut dire que la circulation de la chaleur passe des capteurs au ballon naturellement sans pompe ou autre dispositif gr ce la diff rence de temp rature Pour ce faire le ballon doit imp rativement tre plac plus haut que les capteurs Fig 1 Les capteurs et le ballon sont assembl s en un seul composant l installation est simple le fonctionnement est autonome Les inconv nients sont les pertes thermiques importantes et son int gration architecturale difficile 4 Ce type de syst me est utilis pour la production d eau chaude pour des maisons individuelles situ es souvent en milieu rural EC l Capteur plan thermique creer 2
13. ppel r servoir ou ballon de stockage solaire ce dernier bien isol maintient l eau en temp rature jusqu ce qu elle soit utilis e Le transfert de chaleur est r alis par un changeur mont l int rieur du ballon 3 2 3 Le groupe de transfert Il est compos de tous les l ments n cessaires pompe capteurs de temp rature syst me de r gulation pour transf rer la chaleur des capteurs vers l unit de stockage 3 2 4 Les normes d essais Aux d buts des ann es 80 les pays europ ens taient confront s une grande diversit de normes et proc dures de test des chauffe eau solaires Depuis des actions de coordination ont t men es par ces pays pour unifier ces proc dures Le r sultat est l laboration d un ensemble de normes 5 pour tester aussi bien le syst me que les diff rentes parties qui le constituent Pour la r alisation de ce banc de test de syst me de chauffe eau solaire Fig 4 nous avons appliqu la m thode stationnaire 6 4 DISPOSITIFS ET CAPTEURS DE MESURES Pour ce banc d essai test du chauffe eau on utilise divers capteurs et dispositifs pour effectuer les mesures soit des thermocouples pour mesurer des temp ratures un pyranom tre 122 F Yettou et al pour mesurer le rayonnement solaire et un d bitm tre pour calculer la quantit d eau chaude produite par le syst me Fig 4 Vue du banc d essai test r alis l Universit de Batna 4 1 Sc
14. s ceux de la journ e du 28 Juin journ e claire et un fort rayonnement solaire On remarque que le fait de r duire AT de 20 10 C et que l effet relativement lev de la temp rature la pompe de circulation fonctionne presque sans interruption La temp rature de l eau au niveau du stockage est maintenue une valeur lev e soit 60 C Cependant pour atteindre cette valeur une dur e important est n cessaire soit de 10h00 13h00 pour chauffer l eau contenue dans la cuve pm L i r L I 1 I kbe I L CC mnx20 W m2 10 6 6 S 6 46 N S N o S N N c o o D S S D S S PALPAS O CCC NU a RE QT a CR Temps D bit Temp rature 1 a Eclairement Temp rature A Temp rature 2 Fig 15 Tests du 27 juin jour d clairement moyen 12 i i i 1 i 1 1 m i i i 1 Sa i i 1 N 100 4 j E I i I 1 i i i S 1 1 i i i f0 J L J o i 1 1 i i 1 N 0 1 1 i i i i i g opaa S N G NA i P l TEETE Aa EEEE ERETT Tr t oi ATi 7 h A E SSsSSS 32 Eu D bit 4 Temp rature 1 8 Eclairement 4 Temp rature A Temp rature 2 Fig 16 Tests du 28 juin jour clair 128 F Yettou et al y m mm do Lou doss hummm mt mm em fu mm fun ne i 1 i 4 1 i 1 i 4 1 i
15. u pour cette application permet la r gulation du fonctionnement du syst me durant la Journ e assurant ainsi une production permanente d eau chaude tout en minimisant la consommation de la pompe Pour cela l acquisition de plusieurs param tres est n cessaire et cela par l interm diaire de l unit d acquisition DT50 communiquant avec le PC travers le port s rie RS232 La fen tre principale Fig 14 permet de visualiser parfaitement et en temps r el les param tres collect s du banc d essai test temp ratures rayonnement d bit d eau ainsi que l tat actuel de fonctionnement des pompes marche ou arr t Ces donn es peuvent tre enregistr es sur un fichier et consult es tout moment Le programme contient galement un syst me de protection et de d tection de divers probl mes apparaissant au cours du fonctionnement de l installation Il faut noter que le syst me est galement fonctionnel m me apr s une d connexion du logiciel et cela partir de l unit d acquisition qui prend la rel ve En effet du fait qu elle fait partie des automates programmables elle peut tr s bien assurer le bon fonctionnement du syst me silt 18 1 Eicher Coniguston Dalstsker Aoquetion Visualiser ZIE A D gt u m Qj g 1e FT Ee e 1 oova 120832 Chargement des donn es en temps rezi fon sous oman Fig 14 Fen tre principale du logiciel r alis 7 EXPERIMENTATION ET
16. ue de la carte lectronique r alis e 5 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU SYSTEME Le banc d essai test r alis est constitu d un syst me de production d eau chaude d origine solaire utilisant des capteurs plans thermiques et des cuves de stockage ainsi qu un syst me de r gulation Le principe de fonctionnement de l ensemble est le suivant Le fluide caloporteur m lang de l antigel contre le gel en hiver circule dans le capteur plan et re oit la chaleur de l absorbeur et la conduit vers l changeur qui est situ l int rieur de la cuve de stockage La circulation de ce fluide est assur e par une pompe dont le fonctionnement est contr l par un programme de commande que l on a labor et associ une carte lectronique galement con ue sp cialement pour cette application Un capteur mesure la temp rature de l eau T la sortie du capteur plan un autre capteur mesure la temp rature de l eau T l int rieur du r servoir Les deux temp ratures sont stock es et sauvegard es sur le micro ordinateur Ces donn es sont alors trait es au niveau du programme informatique labor Ce dernier tablit la diff rence entre ces deux temp ratures et la compare une valeur A T choisie par l utilisateur D s que cette diff rence est sup rieure ce A T le micro ordinateur mettra une commande bien d termin e l unit d acquisition pour activer la pompe travers l
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