Etude du stockage thermique
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EOLIOS optimise les ballons de stockage thermique :
- Conception, analyse, optimisation
- Distribution des températures
- Epaisseur de la thermocline
- Etude des compartimentages
- Etude transitoire
- Optimisation énergétique
- Optimisation des PAC
- Calcul de pertes de charges
- Ecoulement laminaire
Etude de réservoir thermique
Le Stockage thermique par ballon tampon
Un ballon de stockage tampon est une technologie largement éprouvée pour stocker l’énergie calorifique excessive (chaude ou froide) pendant des heures creuses. Ce type de réservoir thermique peut être couplé à des systèmes de refroidissement (pompe à chaleur) permettant d’utiliser cette énergie stockée aux heures de charge de pointe, minimisant ainsi les coûts de consommation et permettant de lisser les pic d’appels de puissances.
Fonctionnement
Le stockage thermique à eau
Dans le cas d’un système de stockage d’eau réfrigérée, le système stocke l’énergie thermique sous forme d’eau froide. Cela nécessite un dispositif de stockage d’énergie thermique connu sous le nom de réservoir tampon.
Le réservoir de stockage stratifié fonctionne en stockant de l’eau froide et de l’eau chaude (de retour) dans un seul réservoir. Pendant le chargement, l’eau réfrigérée est pompée vers la partie inférieure du réservoir par les réseaux connecté au ballon, tandis qu’une quantité égale d’eau chaude est extraite de la section supérieure. Pendant le déchargement, l’eau réfrigérée est extraite par le bas, tandis qu’une quantité égale d’eau chaude est remplie par le haut. Lors des opérations de charge et de décharge, il se produit un phénomène naturel appelé stratification thermique, c’est-à-dire que l’eau chaude (faible densité) reste en haut tandis que l’eau froide (forte densité) se dépose au fond du réservoir.
Evolution dans le temps du stockage thermique
Simulation CFD de la répartition des températures au cours du temps
Comment optimiser un ballon de stockage thermique ?
Optimiser la hauteur de thermocline
En conséquence de la stratification thermique, une région de transition (gradient de température) appelée thermocline est formée entre les régions chaude et froide ayant une température comprise entre l’alimentation en eau glacée et le retour d’eau glacée. Cette zone tiède à peu de valeur énergétique. La Thermocline se déplacera progressivement de bas en haut pendant la charge et de haut en bas pendant la décharge. L’épaisseur de la thermocline représente l’inefficacité du réservoir tampon. Plus le réservoir tampon est efficace, moins la thermocline sera épaisse.
Les performances du réservoir tampon dépendent uniquement de la stratification thermique qui est influencée par ces facteurs :
- Perte de température dans l’environnement due à la conduction. (Isolation incorrecte)
- Conception de réservoir. (Hauteur et diamètre souhaités – ce qui permet une meilleure stratification)
- Conception d’entrée et de sortie du diffuseur. (Ce qui permet un écoulement laminaire pour empêcher le mélange des régions fluides favorisant ainsi la stratification)
- Mise en place de compartimentation physique, et sélection de diffuseur spécifique pour favoriser l’écoulement laminaire.
Optimisation par la simulation CFD
A l’aide d’une simulation numérique de dynamique des fluides (CFD), EOLIOS vous accompagne dans la conception de vos ballon de stockage.
- La distribution de température du réservoir peut être cartographiée.
- La prédiction de l’épaisseur de la thermocline, qui peut être optimisée avec des simulations de test.
- Conception, analyse et optimisation des ballons
- Visualisation de la physique de l’écoulement des fluides dans tout le réservoir tampon
- Conception et optimisation du nombre de compartimentage,
- La température, la vitesse et la pression à n’importe quel point du réservoir peuvent être prédites à tout moment du processus.
- D’autres observations et conclusions peuvent être tirées de toute condition de conception donnée.
Simulation CFD d'un ballon de stockage thermique à eau
Etude de l'évolution en température de la boucle d'eau
Pour calculer l’évolution en température d’une boucle d’eau en sortie d’un ballon de stockage thermique, plusieurs phénomènes physiques doivent être pris en compte. Voici les principales étapes du calcul :
- Bilan énergétique du ballon de stockage : Il faut tout d’abord effectuer un bilan énergétique du ballon de stockage pour connaître l’énergie échangée entre l’eau et le ballon. Ce bilan prend généralement en compte la capacité thermique de l’eau, les pertes de chaleur du ballon, et les gains ou les pertes d’énergie provenant des échangeurs thermiques à l’intérieur du ballon.
- Pertes thermiques : Les pertes thermiques du ballon de stockage doivent être calculées en fonction de sa conception, de son isolation et de la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur du ballon. Ces pertes peuvent varier en fonction de la surface d’échange thermique, de la conductivité thermique du matériau et des autres conditions environnementales.
- Débit d’eau circulant dans la boucle : Pour prendre en compte l’évolution en température de la boucle d’eau en sortie du ballon, il est nécessaire de connaître le débit d’eau circulant dans la boucle. Ce débit peut être influencé par de nombreux facteurs tels que la puissance de l’échangeur thermique, la différence de température entre l’eau d’entrée et de sortie, et la résistance hydraulique de la boucle.
- Échange thermique avec l’environnement : Lorsque l’eau circule dans la boucle, elle peut également perdre ou gagner de l’énergie thermique en fonction des conditions environnementales. Par exemple, si la boucle d’eau est exposée à un flux d’air froid, l’eau peut se refroidir plus rapidement. L’échange thermique avec l’environnement doit donc être pris en compte dans le calcul de l’évolution de la température.
En fonction de ces différents facteurs et de la dynamique de la boucle d’eau, une modélisation mathématique peut être réalisée pour calculer l’évolution en température au cours du temps. Cette modélisation peut être complexe et nécessiter des équations différentielles pour tenir compte de toutes les variables et phénomènes physiques impliqués.
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