Etude technico-économique d’une installation de ?· Etude technico-économique d ... ETUDE ECONOMIQUE…

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  • Revue des Energies Renouvelables SIENR14 Ghardaa (2014) 135 139

    135

    Etude technico-conomique dune

    installation de chauffage solaire usage industriel

    K. Kaci 11

    , M. Kouadri 2 , M. Merzouk

    3

    N. Kasbadji Merzouk 4, S. Hakem

    1 et S. Kherrour

    5

    1 Centre de Dveloppement des Energies Renouvelables, CDER

    16340, Algiers, Algeria 2 Dpartement Energtique et Environnement, Universit MHamed Bouguera, Boumerdes, Algeria

    3 Laboratoire de Physique Fondamentale et Applique, Universit Sad Dahleb, Blida, Algeria

    4 Unit de Dveloppement des Equipements Solaires, UDES

    Centre de Dveloppement des Energies Renouvelables, CDER, 42004 Tipaza, Algeria 5 Unit de Recherche Applique en Energies Renouvelables, URAER

    Centre de Dveloppement des Energies Renouvelables, CDER, 47133, Ghardaa, Algeria

    Rsum - Notre travail porte sur ltude et la ralisation dune installation base de capteurs solaires devant fournir,

    quotidiennement 3 m3 deau la temprature de 60 C. Les puisages sont raliss deux fois par jour selon des

    horaires conformes au processus industriel. Un ballon de stockage de 4 m3 a t install afin de satisfaire de faon

    convenable lapport deau chaude, ainsi quun systme de rgulation dappoint lectrique, prvus afin doptimiser le

    fonctionnement de linstallation. Le dimensionnement de linstallation a t effectue en utilisant la mthode f-chart

    et -f chart, o nous avons dtermin la surface optimum de captation selon une configuration de srie de deux, pour

    la rgion dAlger en utilisant les documents techniques rglementaires (DTR). En exploitant le code de calcul

    TRNSYS, ce dernier nous a permis de simuler le comportement du modle choisi au cours de lanne, en valuant le

    rendement global du champ.

    Mot s cls: Energie solaire - Industriel - TRNSYS - Performance thermique - Economie.

    1. INTRODUCTION

    Notre pays est confront de multiples problmes lis directement lenvironnement et la rationalisation

    de lutilisation de lnergie. Avec un potentiel nergtique solaire trs riche, une moyenne de 3500 MW/m2/an

    [1], on peut dfinir les nergies renouvelables en Algrie, comme tant essentiellement lnergie solaire qui

    permet de couvrir un besoin trs important en termes de chaleur ou de llectricit.

    Cependant, lutilisation de lnergie solaire pour la production deau chaude sanitaire et industrielle, est une

    des meilleures applications de cette nergie. Dans ce cadre, linstallation des chauffages solaires grande chelle

    qui reprsente presque 20 % de la consommation globale est lune des diverses solutions qui rpondent

    lobjectif de notre travail qui est ltude dune installation chauffage solaire usage industriel.

    2. DIMENSIONNEMENT DE LINSTALLATION

    Ce programme est bas essentiellement sur la mthode F-Chart et F-Chart. Sachant que lnergie utile

    rcupre par un capteur solaire scrit comme suit [2]:

    )TT(U.FI..AQ aigrg0cu (1)

    Dune manire gnrale, la fraction de satisfaction des besoins nergtiques exprims [3] sont:

    td)TT(.UI.)(F.AL

    1f aegge

    t

    r

    (2)

    Cette quation peut tre dcompose en 2 paramtres adimensionnels, savoir [4]:

    t)TT(U.L

    F.AY

    NH)(.F.AX

    drefgr

    er (3)

    Alors le taux de couverture solaire est donn par lexpression suivante [5]:

    322 Y0215.0X0018.0Y245.0X065.0Y029.1f (4)

    Comme pour la mthode f-chart , la mthode f-chart dfinit 2 variables adimensionnelles X et Y , tels que

    [6]:

    1 k.kac@cder.dz

  • K. Kaci et al.

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    t)100(U.L

    F.AY

    NH)(.L

    F.AX

    g

    ,r

    e

    ,r

    (5)

    La fraction de satisfaction est alors donne par [6]:

    )Xc(exp1)fb(expaYf max (6)

    3. SIMULATION DU SYSTEME

    3.1 Donnes de la simulation

    La demande deau chaude est de 6 m3 60 C avec deux soutirages par jour dune capacit de 3 m

    3 chacune

    (9 heures et 13 heures). La capacit de stockage est de 9 m3. Les capteurs solaires sont inclins 36 par rapport

    lhorizontal possdant les caractristiques suivantes: une surface 1.6 m2, un rendement optique de 0.82 et un

    coefficient de pertes globales de 6.5 W/m2K. Le dbit du fluide caloporteur est de 0.02 kg/s.m

    2. Lefficacit de

    lchangeur est de 0.7 et lappoint lectrique utilis est de 12 kW.

    La configuration choisie pour le dimensionnement est le montage par sries de 2 capteurs (choix dtermin

    aprs plusieurs simulations). Aprs simulation sous MATLAB, les rsultats du dimensionnement ont donn une

    surface totale de captation de 78 m.

    3.2 Prsentation du schma de la simulation

    En figure 1, est reprsent le systme choisi sur linterface du logiciel TRNSYS, en respectant la

    configuration dtermine initialement (nombre de capteurs, configuration stockage, rgulation).

    Fig. 1: Modle du systme

    4. RESULTATS ET DISCUSSIONS

    4.1 Rsultats du rendement de linstallation en fonction du rayonnement solaire

    4.1.1 Journe de 21 Mars

    On reprsente, sur la figure 2, les rsultats de la journe du 21 Mars.

  • SIENR2014- Etude technico-conomique dune installation de chauffage solaire usage industriel

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    On remarque que le rendement de cette journe suit une forme de cloche et prend relativement lallure du

    rayonnement solaire. Ils atteignent leurs maximums autour de midi TSV avec des valeurs respectives de 0.5 pour

    le rendement instantan de linstallation et 475 W/m2 pour le rayonnement solaire.

    On remarque aussi, que la mesure du rendement commence partir de 8 heures (une heure aprs le

    rayonnement solaire), ceci est d la capacit thermique du champ de captation.

    Fig. 2: Rendement du champ et rayonnement solaire incident du 21 Mars

    4.1.2 Journe du 21 Juin

    En figure 3, sont reprsents les rsultats de la journe la plus longue de lanne (21 Juin).

    Fig. 3: Rendement du champ et du rayonnement solaire incident du 21Juin

    Les rendements lors de cette journe atteignent les valeurs les plus importantes de lordre de 0.7, toujours

    autour de midi TSV, ceci est justifi par le potentiel nergtique solaire important lors de cette journe (valeur

    instantane de 850 W/m2). Quelques fluctuations sont remarques sur cette figure, du probablement aux donnes

    mtorologiques fournis par Meteonorm (donnes mesures).

    4.1.3 Journe de 21 Septembre

    Les rsultats de la journe du 21 Septembre sont reprsents dans la figure 4.

  • K. Kaci et al.

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    Fig. 4: Rendement du champ et rayonnement incident du 21 Septembre

    Cette figure indique que le rendement lors de cette journe est relativement faible, de lordre de 0.68. Ceci est

    justifi galement par lintensit du rayonnement instantan important de lordre de 800 W/m2. On remarque

    aussi que ces deux courbes sont presque similaires (pertes thermiques moins importantes).

    4.1.4 Journe de 21 dcembre

    La figure 5 montre les rsultats de la journe du 21 dcembre.

    Fig. 5: Rendement du champ et du rayonnement incident du 21 Septembre

    Il est bien clair que le rendement de cette journe est relativement faible par rapport aux autres saisons (0.48).

    Cette courbe suit lallure du rayonnement solaire. Le maximum est toujours autour de midi TSV dune intensit

    de 475 W/m3. On remarque surtout que le rendement de linstallation samorce qu partir de 10 heures, d

    certainement au faible potentiel nergtique et aux basses tempratures ambiantes, lors de cette saison et

    lnergie thermique du systme.

    5. ETUDE ECONOMIQUE

    La consommation annuelle de lnergie lectrique avec appoint et sans appoint en suivant le profil de charge

    tabli par le personnel de lentreprise a t estime.

    Les rsultats du calcul de la consommation lectrique de lentreprise pendant lanne en utilisant lnergie

    lectrique sont donns par le Tableau 1.

    Tableau 1: Consommation annuelle

    Type de consommation Energie lectrique (kWh/an)

    Rsistance lectrique 53481

    Systme solaire avec appoint 10696

    Gain 42785

    Calcul du temps de retour brut (TRB)

    ans17annuelGain

    mentInvestisseTRB

    Les installations solaires de production deau chaude permettent dviter une quantit importante dmissions

    de gaz effet de serre ou polluants et de dchets de combustion. Pour cela nous avons labor un bilan

    environnemental en termes de rduction des missions de CO2 que permet dobtenir notre installation en une

    anne.

    Le Tableau 2 sont prsentes les missions de gaz effet de serre vites par le systme solaire propos.

    Tableau 2: Quantits des missions de gaz vites

    Emissions de gaz (g/kWh)

    par nergie lectrique

    Emissions vites par

    linstallation kg/an)

    CO2 80 380

    NOx 0.476 20

    Ainsi, la quantit de CO2 vite annuellement par une telle installation solaire du mme type est denviron

    3807 kg. Avec en plus une mission de 20 kg de Nox vite.

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    CONCLUSION

    Pour le dimensionnement dune installation de chauffage solaire industriel, il faut surtout savoir les besoins

    journaliers en eau chaude solaire (ECS), il est donc essentiel destimer correctement ces besoins qui sont

    imposes par le consommateur.

    Dans la prsente tude, le dimensionnement a t ralis par deux logiciels diffrents sous MATLAB et sous

    TRNSYS.

    Les rsultats ainsi obtenus dans ce travail encouragent vraiment lutilisation du chauffage solaire usage

    industriel (apport solaire moyen annuel avoisinant les 70 %).

    Du point de vue conomique, les facteurs cots des capteurs solaires, ainsi que le systme hydraulique

    rendent le temps damortissement de linstallation solaire lev. Le cot de linvestissement est trs important,

    tant donn que le prix du kWh dlectricit reste toujours subventionn.

    Ltude montre que laspect cologique nest pas ngligeable avec une importante quantit de gaz polluants

    et effet de serre dont lmission est ainsi vite.

    NOMENCLATURE

    rT , Temprature du rseau, (C) sT , Temprature de stockage, C

    dT , Temprature diurne, (C) eT , Temprature du fluide lentre, (C)

    sT , Temprature du fluide la sortie, (C) A , Surface de captation, (m2)

    N , Nombre de jours dans le mois. gU , Coefficient de pertes globales, (W/m2C)

    L , Besoins nergtiques sur une priode T ,

    (kWh/mois) sQ , Pertes thermiques, cuve et accessoires,

    (kWh/m2)

    aux , Energie fournie par lappoint, (kWh) e),( , Rendement optique du capteur plan,

    cI , Seuil de fonctionnement du capteur, (kWh) 'F , Efficacit de labsorbeur

    rF , Facteur de conductance du capteur

    REFERENCES

    [1] M.R.Yache et S.M.A. Bekkouche, Conception et Validation dun Programme sous Excel pour lEstimation

    du Rayonnement Solaire Incident en Algrie. Cas dun Ciel Totalement Clair, Revue des Energies

    Renouvelables, Vol. 11, N3, pp. 423 436, 2008.

    [2] K. Kaci, Effet de lAngle dIncidence Modifi sur les Performances dun Capteur Solaire Plan selon la

    Norme EN 12975-2, Mmoire de Magister, Universit Sad Dahleb, Blida, 2010.

    [3] S. Sami, Optimisation des Surfaces de Captation pour les Installations Solaires de Chauffage dEau

    Sanitaire, Thse de Magister en Energtique, Universit Sad Dahleb, Blida, 2004.

    [4] S.A. Klein, Calculation of Flate-Plate Collector Loss Coefficient, Solar Energy, Vol. 17, N1, pp. 79 80,

    1975.

    [5] J.A. Duffie and W.A. Beckman, Solar Engineering of Thermal Processes, Editions Wiley & Sons, USA,

    2006.

    [6] M. Merzouk, Conversion Thermodynamique, Solaire Potentiel, Thorie, Systmes et Performances,

    Support de Cours Master 2, Universit Sad Dahleb, Blida, 2013.

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