TP N11 : CHAUFFE EAU LECTRIQUE : PRODUCTION ET STOCKAGE DNERGIE THERMIQUE ETT 2.1.1

ETT 3.2.2 STOCKAGE DNERGIE THERMIQUE page 1 / 4

Centres d'intrt abords nergie thermique

Objectifs pdagogiques 3.2.2 Stockage dnergie thermique

Connaissances Production et stockage de lnergie thermique

Activits (2 H) Simuler la production dnergie thermique

Simuler le stockage de leau chaude dans un ballon

Ressources documentaires Cours : nergie thermique

Ressources matrielles Ordinateur avec logiciel Matlab + Simulink

Ce TD met en uvre la simulation des panneaux solaires et dune batterie daccumulateurs dun

lampadaire hybride laide des logiciels Matlab et Simulink. Il a pour objectifs :

de simuler le fonctionnement du dispositif de stockage de lnergie thermique dans un ballon deau chaude sanitaire ;

de simuler la production locale dnergie lectrique par un panneau solaire.

1. PRODUCTION DNERGIE THERMIQUE (EAU CHAUDE SANITAIRE)

1.1. NERGIE

Calculer lnergie apporter aux 300 L deau contenus dans le ballon pour que la temprature de

leau passe de 15 70C. On rappelle que la capacit thermique de leau est de 4185 J/(kg.K)

___________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________

1.2. SIMULATION

Copier, sur votre lecteur personnel, le dossier TP11 prsent dans le rpertoire Documents en

consultation du lecteur classe.

Double cliquer sur le fichier eau_chauffee.slx pour ouvrir le modle de simulation du chauffage de

leau.

Complter la figure 1 en donnant les valeurs des paramtres de leau chauffer : masse et capacit

thermique.

Figure 1

Complter la figure 2 en donnant la valeur initiale de la temprature de leau

Figure 2

TP N11 : CHAUFFE EAU LECTRIQUE : PRODUCTION ET STOCKAGE DNERGIE THERMIQUE ETT 2.1.1

ETT 3.2.2 STOCKAGE DNERGIE THERMIQUE page 2 / 4

Double cliquer sur le bloc nomm Eau (Thermal mass) et complter les paramtres de cet lment

conformment aux figures 1 et 2.

Lancer la simulation et ouvrir loutil scope par un double clic.

laide des curseurs, mesurer et relever lnergie stocke dans leau lorsque sa temprature atteint

70C :

___________________________________________________________________________________

Cette valeur correspond-elle celle calcule :

___________________________________________________________________________________

1.3. INFLUENCE DE LA PUISSANCE

Mesurer le temps ncessaire pour que la temprature atteigne 70C lorsque la puissance du

chauffage est de 1000 W.

Rgler la puissance 2000 W et relancer la simulation. Mesurer le temps ncessaire pour que la

temprature atteigne 70C.

Reporter les valeurs mesures dans le tableau suivant :

Puissance (W) Temps de chauffage (s)

Dans un chauffe-eau lectrique, le chauffage de leau intervient gnralement pendant les heures de la

nuit pendant lesquelles le prix de llectricit est rduit.

Calculer la puissance ncessaire pour que leau puisse tre chauffe en 8 heures :

___________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________

Rgler la valeur de la puissance trouve dans le modle de simulation. Lancer la simulation et

vrifier le rsultat obtenu.

2. STOCKAGE DE LECS (EAU CHAUDE SANITAIRE) DANS UN BALLON

Lobjectif de cette partie permettra didentifier les solutions permettant de stocker leau chaude et de

minimiser les pertes thermiques du ballon.

2.1. STOCKAGE DE LEAU DANS UNE CUVE DACIER

Double cliquer sur le fichier ballon_cuve_acier.slx pour ouvrir le modle de simulation du

chauffage de leau. Ce modle intgre le chauffage de leau et la cuve dacier dans laquelle est stocke

leau chauffe.

Lancer la simulation et ouvrir loutil scope par un double clic.

Dcrire et justifier lvolution de la temprature de leau dans le ballon :

___________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________

2.2. MISE EN PLACE DUN ISOLANT

Dans un chauffe-eau lectrique, le puisage de leau chaude sanitaire (ECS) peut intervenir bien aprs le

chauffage de leau. Il faut donc stocker leau chaude dans un ballon et bien isoler le ballon afin de rduire

les pertes thermiques. Le rservoir contenant leau est recouvert dun isolant.

On assimile la forme des parois isolantes du ballon un cylindre creux dpaisseur e = 31 mm ferm aux

deux extrmits par des parois isolantes planes de mme paisseur.

En vous aidant des donnes gomtriques ci-dessus, calculer la contenance du rservoir :

___________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________

480 mm H

=1

658

0 m

m

e=31 mm

Rservoir

Isolant : polyurthane haute densit,

conductivit 0,3 W/(m.K)

Enveloppe extrieure

(nglige)

Figure 3 : donnes gomtriques du chauffe-eau

TP N11 : CHAUFFE EAU LECTRIQUE : PRODUCTION ET STOCKAGE DNERGIE THERMIQUE ETT 2.1.1

ETT 3.2.2 STOCKAGE DNERGIE THERMIQUE page 3 / 4

En vous aidant des donnes gomtriques ci-dessus, calculer la surface dchange (surface disolant

en contact avec lenveloppe extrieure) :

___________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________

Double cliquer sur le fichier ballon_avec_isolant.slx pour ouvrir le modle de simulation du

chauffe-eau avec ballon isol.

Complter la figure 4 en donnant les valeurs des paramtres de lisolant : surface dchange,

paisseur et conductivit thermique.

Figure 4

Double cliquer sur llment isolant. Complter les paramtres conformment la figure 4.

Lancer la simulation et ouvrir loutil scope par un double clic.

laide des curseurs, mesurer la temprature atteinte au bout de 8 heures.

___________________________________________________________________________________

Compte tenu des pertes par conduction de chaleur, mesurer lnergie qui doit tre apporte leau

pour que sa temprature atteigne 70 C :

___________________________________________________________________________________

Calculer la nouvelle valeur de la puissance qui permet datteindre cette temprature au bout de 8

heures :

___________________________________________________________________________________

Rgler la valeur de la puissance trouve dans le modle de simulation. Lancer la simulation et

vrifier le rsultat obtenu.

2.3. AMLIORATION DE LISOLATION

Le type disolation varie selon la nature et lpaisseur de lisolant.

2.3.1. AUGMENTATION DE LPAISSEUR DE LISOLANT

Modifier lpaisseur de lisolant 51 mm.

Lancer la simulation et ouvrir loutil scope par un double clic.

laide des curseurs, mesurer le temps ncessaire pour atteindre la temprature de 70C :

___________________________________________________________________________________

2.3.2. REMPLACEMENT DE LISOLANT

On remplace lisolant actuel (en polyurthane) par de la laine de roche dont la conductivit thermique est

0,04 W/(m.K).

Modifier la conductivit thermique de lisolant.

Lancer la simulation et ouvrir loutil scope par un double clic.

laide des curseurs, mesurer le temps ncessaire pour atteindre la temprature de 70C :

___________________________________________________________________________________

2.3.3. SYNTHSE

Quel est lisolant le plus efficace parmi les deux tests :

___________________________________________________________________________________

Lisolant est-il plus efficace sil est pais ou fin ?

___________________________________________________________________________________

La rsistance thermique R dun matriau mesure la capacit du matriau sopposer au passage de la

chaleur. Elle est lie son paisseur e et sa conductivit thermique

laide des rsultats obtenus, tablir la relation de R en fonction de et de :

___________________________________________________________________________________

TP N11 : CHAUFFE EAU LECTRIQUE : PRODUCTION ET STOCKAGE DNERGIE THERMIQUE ETT 2.1.1

ETT 3.2.2 STOCKAGE DNERGIE THERMIQUE page 4 / 4

3. VALUATION DU RENDEMENT DU CHAUFFE-EAU

Double cliquer sur le fichier ballon_isolant_chauffage_8h.slx.

Dans ce modle, les 300 L deau sont chauffs pendant 8 heures avec une puissance de 2400 W.

Calculer lnergie apporte aux 300 L contenus dans le ballon :

___________________________________________________________________________________

Lancer la simulation et ouvrir loutil scope par un double clic.

laide des curseurs, mesurer et relever lnergie consomme par le chauffe-eau au bout de 8

heures :

___________________________________________________________________________________

Comparer la valeur calcule celle mesure :

___________________________________________________________________________________

Comment volue la temprature de leau lorsque le chauffage de leau est stopp (justifier) :

___________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________

Mesurer la temprature de leau 8 heures aprs larrt du chauffage ( t = 57600 s) :

Calculer lnergie stocke dans leau (sa temprature initiale est de 15C) :

Calculer le rendement du chauffe-eau dans ces conditions :

___________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________

leau passe de 15 70C On rappelle que la capacit thermique de leau est de 4185 JkgK 1: leau passe de 15 70C On rappelle que la capacit thermique de leau est de 4185 JkgK 2: 70C: Cette valeur correspondelle celle calcule: Puissance WRow1: Temps de chauffage sRow1: Puissance WRow2: Temps de chauffage sRow2: Calculer la puissance ncessaire pour que leau puisse tre chauffe en 8 heures 1: Calculer la puissance ncessaire pour que leau puisse tre chauffe en 8 heures 2: Dcrire et justifier lvolution de la temprature de leau dans le ballon 1: Dcrire et justifier lvolution de la temprature de leau dans le ballon 2: En vous aidant des donnes gomtriques cidessus calculer la contenance du rservoir 1: En vous aidant des donnes gomtriques cidessus calculer la contenance du rservoir 2: en contact avec lenveloppe extrieure 1: en contact avec lenveloppe extrieure 2: laide des curseurs mesurer la temprature atteinte au bout de 8 heures: pour que sa temprature atteigne 70 C: heures: laide des curseurs mesurer le temps ncessaire pour atteindre la temprature de 70C: laide des curseurs mesurer le temps ncessaire pour atteindre la temprature de 70C_2: Quel est lisolant le plus efficace parmi les deux tests: Lisolant estil plus efficace sil est pais ou fin: fill_10: Calculer lnergie apporte aux 300 L contenus dans le ballon: heures_2: Comparer la valeur calcule celle mesure: Comment volue la temprature de leau lorsque le chauffage de leau est stopp justifier 1: Comment volue la temprature de leau lorsque le chauffage de leau est stopp justifier 2: Calculer le rendement du chauffeeau dans ces conditions 1: Calculer le rendement du chauffeeau dans ces conditions 2: param1: param2: param3: