Le thermosiphonage, également appelé thermosiphonage, est considéré comme une technologie appropriée. Ce processus utilise des ressources naturelles renouvelables et les lois fondamentales de la thermodynamique pour créer le mouvement d’un apport d’air ou d’eau chauffé. La source d’énergie pour ce processus est le rayonnement solaire (ou toute autre source de chaleur): l’énergie du soleil est capturée dans un dispositif de collecte solaire et est transférée à l’air ou à l’eau par conduction. L’ensemble du processus peut s’expliquer par l’effet de thermosiphonage: Lorsque l’air ou l’eau est chauffé, il gagne de l’énergie cinétique de la source de chauffage et devient excité. En conséquence, l’eau devient moins dense, se dilate et augmente ainsi. En revanche, lorsque l’eau ou l’air est refroidi, l’énergie est extraite des molécules et l’eau devient moins active, plus dense et a tendance à « couler ». »Le thermosiphonage 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 système de thermosiphon est que l’eau froide a une densité (densité) plus élevée que l’eau chaude, et donc être plus lourd coulera. Par conséquent, le collecteur est toujours monté sous le réservoir de stockage d’eau, de sorte que l’eau froide du réservoir atteigne le collecteur via une conduite d’eau descendante. Si le collecteur chauffe l’eau, l’eau remonte et atteint le réservoir par une conduite d’eau ascendante à l’extrémité supérieure du collecteur. Le cycle de réservoir – > tuyau d’eau – > collecteur assure que l’eau est chauffée 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 en bas. Le collecteur chauffe ensuite à nouveau l’eau froide. En raison de différences de température plus élevées à des irradiations solaires plus élevées, l’eau chaude monte plus rapidement qu’elle ne le fait à des irradiations plus faibles. Par conséquent, la circulation de l’eau s’adapte presque parfaitement au niveau d’irradiance solaire. Le réservoir de stockage d’un système de thermosiphon doit être placé bien au-dessus du collecteur, sinon le cycle peut reculer pendant la nuit et toute l’eau se refroidira. De plus, le cycle ne fonctionne pas correctement à de très petites différences de hauteur. Dans les régions à forte irradiation solaire et à architecture à toit plat, des réservoirs de stockage sont généralement installés sur le toit.
Les systèmes à thermosiphon fonctionnent de manière très économique comme des systèmes de chauffage de l’eau domestique, et le principe est simple, ne nécessitant ni pompe ni commande. Cependant, les systèmes à thermosiphon ne conviennent généralement pas aux grands systèmes, c’est-à-dire ceux avec plus de 10 m2 de surface collectrice. De plus, il est difficile de placer le réservoir au-dessus du collecteur dans des bâtiments aux toits en pente, et les systèmes à thermosiphon à circuit unique ne conviennent que pour les régions exemptes de gel.
Physique sous-jacente
La thermodynamique est l’étude de l’énergie.
- Première loi de la thermodynamique – Stipule que l’énergie peut être modifiée d’une forme à une autre, mais ne peut pas être créée ou détruite. – L’énergie est toujours conservée.
Cette loi peut être appliquée au mouvement de l’eau dans le système de thermosiphonage: L’énergie du soleil est dirigée et transférée (par conduction et convection) à l’eau, à l’air ou à un autre milieu de 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 – 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 a été initialement mis en place.
L’énergie est toujours conservée, cependant l’énergie (ou la chaleur dans ce cas) peut souvent être perdue dans un système donné (thermosiphonage) sous forme de chaleur. L’ajout d’une isolation avec des valeurs R appropriées au système et à sa plomberie peut réduire considérablement les pertes de chaleur et augmenter ainsi l’efficacité.
- Loi de Planck – la longueur d’onde du rayonnement émis par une surface est proportionnelle à la température de la surface
Énergie transférée à la suite des différences de température entre deux objets – Les objets sombres absorbent la chaleur, tandis que les objets légers réfléchissent
Des plaques de collecte de couleur sombre dans le capteur solaire aideront à augmenter l’absorption solaire, augmentant ainsi la quantité de chaleur disponible pour chauffer l’eau ou l’air lors du thermosiphonage. En revanche, des tuyaux réfléchissants ou légèrement colorés et des réservoirs de stockage doivent être utilisés car les couleurs claires aideront à réduire le rayonnement thermique hors du système.
Chauffage de l’eau
Passif
Le thermosiphonage passif de l’eau est le processus de chauffage et de déplacement de l’eau dans un système sans besoin ni 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 des 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 pénètre dans le fond du capteur solaire où elle est ensuite chauffée par convection par 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 du 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 thermosiphonique sont actuellement disponibles: le système à couplage étroit et le système d’alimentation par gravité.
Système à couplage étroit
Les systèmes à couplage étroit fonctionnent selon les mêmes principes de thermosiphonage passif mentionnés ci-dessus. Le réservoir de stockage de ces systèmes doit être placé au-dessus du capteur solaire pour utiliser la circulation de l’eau entraînée par le processus de thermosiphonage passif.
Matériaux
- Énergie solaire
- Capteur solaire
- Tuyauterie
- Isolation
- Eau
- Réservoir de stockage
- Toit solide ou autre système de support
Coût
- Les recherches actuelles (2007) suggèrent que les chauffe-eau à thermosiphon passifs peuvent varier de 500 $ à 6 500 $. Les prix peuvent varier en raison de la taille du réservoir, de l’exposition solaire et de la situation géographique
- De nombreux pays, États et services publics incitent à la participation aux énergies renouvelables
Avantages & inconvénients
Avantages
- Non polluant
- Économies d’énergie – Pas d’électricité nécessaire pour le thermosiphonage passif
- Rentable
- Gain de place – (ie. à l’intérieur)
Con
- L’exposition du réservoir à des conditions environnementales extérieures peut réduire l’efficacité, selon l’emplacement géographique
- Esthétique – Peut être considéré comme visuellement déplaisant
- Structure de support solide nécessaire (c.-à-d. toit)
- Ne convient pas aux climats extrêmement froids
- Emplacement – doit être positionné dans une zone à exposition solaire appropriée (c.-à-d. côté sud de la zone souhaitée)
Système d’alimentation par gravité
Les systèmes d’alimentation par gravité utilisent les mêmes principes de thermosiphonage passif que le système à couplage étroit, mais le placement du réservoir diffère. Les réservoirs sont installés horizontalement dans un toit, 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 se déplace par gravité vers l’emplacement souhaité. Les systèmes d’alimentation par gravité nécessitent plus 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 thermosiphonage.
Matériaux
- Énergie solaire
- Capteur solaire
- Tuyauterie
- Isolation
- Eau
- Réservoir de stockage
- Toit solide ou autre système de support
Coût
- Gravité – les systèmes d’alimentation sont généralement les chauffe-eau à thermosiphonage passif les moins coûteux
- Les recherches actuelles (2007) suggèrent que le coût peut varier de 400 $ à 5 500 $ (sans compter le coût – le cas échéant – de l’installation). Les prix peuvent varier en raison de la taille du réservoir, de l’exposition solaire et de la situation géographique
- De nombreux pays, États et services publics incitent à la participation aux énergies renouvelables
Avantages & inconvénients
Avantages
- Non polluant
- Économies d’énergie – Pas d’électricité nécessaire pour le thermosiphonage passif
- Rentable
- Économie d’espace – (ie. intérieur)
- Esthétique – (Placement horizontal du réservoir)
Inconvénients
- La plomberie et la tuyauterie ajoutent des coûts supplémentaires au système
- Esthétique – Peut être considérée comme déplaisante visuellement
- Structure de support solide nécessaire (c.-à-d. toit)
- Ne convient pas aux climats extrêmement froids
- Emplacement – doit être positionné dans une zone à exposition solaire appropriée (c.-à-d. côté sud de la zone souhaitée)
Actif
Également connu sous le nom de: systèmes de pompage ou systèmes fractionnés
Les systèmes de chauffage solaire actifs fonctionnent sur la même base de l’effet de thermosiphonage, 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 ailleurs en dessous. Ces unités de chauffage de l’eau active 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
- Capteur solaire
- Énergie électrique
- Pompe électrique
- Tuyauterie supplémentaire
- Isolation
- Eau
- Réservoir de stockage
Coût
- Les recherches actuelles suggèrent (2007) que les chauffe-eau à thermosiphon actifs peuvent varier de 1 200 $ à 10 500 $. Les prix peuvent varier en raison de la taille du réservoir, des exigences de tuyauterie interne, de l’exposition solaire et de l’emplacement géographique
- De nombreux pays, États et services publics incitent à la participation aux énergies renouvelables
Avantages & inconvénients
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.
Con’s
- Utilise plus d’énergie qu’un système passif
- Nécessite plus d’entretien qu’un système passif
- La perte de chaleur – lors du transfert du capteur solaire au réservoir de stockage ci-dessous
- Pollue certains – de l’utilisation électrique
- Emplacement – doit être positionné dans une zone avec une exposition solaire appropriée (c.-à-d. côté sud de la zone souhaitée)
Échange d’air passif
Un exemple de méthode 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 laquelle l’air ou l’eau circule dans un circuit vertical en boucle fermée sans utiliser de pompe. L’air frais à l’intérieur se déplace à travers un évent et est dirigé dans une ouverture au fond d’un capteur solaire. L’air contenu dans le capteur solaire est ensuite chauffé par le soleil via le rayonnement solaire. L’air frais est dense et coulera, tandis que l’air chaud est moins dense et augmentera. Lorsque l’air se réchauffe à l’intérieur du capteur solaire, il devient moins dense que l’air plus frais et s’élève. L’air chaud sort d’un évent situé dans l’ouverture supérieure du capteur solaire, se déplace dans 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
Gardez à l’esprit: plus le capteur solaire est grand, mieux c’est.
Capteur solaire
Cadre
- 6 planches verticales de 2 par 6 pouces – buffets
- 2 par 6, et planches de 2 par 8 – seuil supérieur
- vis de retard – recommandé, mais pas nécessaire pour l’attache
Glaçure
- panneaux en polycarbonate ondulé
- 10 panneaux – 26 po large par 8 pi de haut
- Paires de panneaux superposées sur une bande de bois verticale de 1 x 1 po – fait 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
Absorption solaire assiette
- 2 couches d’écran de fenêtre en métal noir – fixé en haut et en bas des baies
Évents
- trous découpés dans le revêtement du bâtiment
Remarque: – les volets en plastique empêcheront le retour d’air à travers les évents supérieurs la nuit
Coût
- Recherche actuelle (en anglais seulement) 2007) suggère que les échangeurs de chaleur passifs peuvent varier de 55,00 $ à 400 $. Les prix peuvent varier en raison de la taille du ou des capteurs, de l’isolation de la zone à chauffer, de l’exposition solaire et de l’emplacement géographique.
- De nombreux pays, États et services publics incitent à la participation aux énergies renouvelables
Avantages & inconvénients
Avantages
- Faible coût
- Économie d’énergie
- Réduction de la pollution
- Peut être utilisé pour refroidir l’électronique
Con’s
- Maintenance accrue – (ie. couverture pendant les périodes de faible rayonnement solaire)
- La situation géographique peut altérer l’efficacité
- Nécessite la fermeture manuelle des amortisseurs de tirage arrière la nuit
- Tranches orientées au sud préférables
- Cartes Dynamiques, Données SIG et Outils d’Analyse du Laboratoire National des Énergies Renouvelables (NREL) – Cartes Solaires (2007) Disponibles: http://www.nrel.gov/gis/solar.html
- Citarella, Joe. « Thermosiphons – Meilleure approche du refroidissement du processeur? »Overclockers. 5 Août 2005. http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
- Reysa, Gary. « Construire un simple chauffage Solaire » Nouvelles de la Terre Mère. Janvier 2006 http://www.motherearthnews.com/Alternative-Energy/2006-12-01/Build-a-Simple-Solar-Heater.aspx
- » Partie 2 : Une visite des applications des Énergies Renouvelables. » http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.uneptie.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
- Mirmov, N. I., Belyakova, I. G. « Libération de la chaleur lors de la condensation de la vapeur dans un thermosiphon. »Journal of Engineering Physics 43 (3), pp. 970 – 974, 1982.
- Conception et performance d’un Thermosiphon compact. Il s’agit de l’une des plus grandes écoles de Génie mécanique du monde. 2002. http://www.hpl.hp.com/research/papers/2002/thermosyphon.pdf