International Renewable Energy CongressNovember 5-7, 2009 - Sousse Tunisia

Système solaire hybride pour le pompage et le chauffage de l’eau

Romdhane BEN SLAMA

ISSAT Gabes 6072 Gabes Tunisiae-mail: romdhaneb.slama@google.com

RESUME

Le travail présenté ici concerne une pompe solairethermique, opérant surtout par aspiration, pouvant serviraussi comme chauffe-eau solaire. Selon les besoins, lapompe peut effectuer plusieurs cycles de pompage et dechauffage de l’eau par jour. La fabrication du vide estassurée par l'évaporation d'une faible quantité d'eaucontenue dans le corps de pompe, suivie de lacondensation de vapeur produite. Selon sa version de base,au moins un cycle de pompage par jour est assuré. Parexemple chauffage de l'eau le matin et vidange quand satempérature atteint un seuil acceptable, par la suitechauffage pour évaporer une faible quantité d'eau et sacondensation par refroidissement nocturne, enfin lepompage par aspiration. Pour effectuer plusieurs cycles depompages par jour, un système annexe de refroidissementartificiel suivant la figure 2, permet de déclencher lacondensation de vapeur sur une surface à températurerelativement basse, constituant le point de rosé. A chaquepompage, selon les températures de chauffage et derefroidissement atteints ainsi que la hauteurmanométrique, un pourcentage de volume du corps depompe est rempli d’eau. Quant au chauffage de l'eau, ilpeut se produire suite à son pompage dans le corps depompe déjà chaud ainsi que sous l'effet de l'éclairementsolaire. Jusqu'à une fois et demie la capacité du réservoir aété rempli d'eau suite à plusieurs cycles depompage/chauffage par jour.

Mots clés— pompage de l'eau, énergie solaire,aspiration, chauffage de l'eau

1. INTRODUCTION

Le présent papier reprend la première de mes travaux dethèse, voila il y a un quart de siècle, sur le pompagesolaire de l’eau.

Le pompage de l'eau par l'énergie solaire est unesolution attrayante pour certaines régions bien ensoleilléesde la planète, et ce, pour des raisons d'éloignement duréseau électrique, mais aussi du fait que l'énergie devient

de plus en plus chère, rare, et porte atteinte àl'environnement. Pour les endroits isolés, deux contraintes seposent: le manque d'énergie classique (fossile) et les usagersne sont pas avertis à la maintenance des équipements.

Dans ce contexte, le présent système tente de répondre àcette double contrainte. L’énergie solaire est une sourced’énergie attrayante pour les endroits isolés. Le peu decomposants qui constituent la pompe la rendent fiable, defabrication simple et locale, et surtout ne nécessite aucunemaintenance car il n'y a pas de pièces en mouvement à partquelques vannes.

A part les pompes photovoltaïques, qui fonctionnentbien mais nécessitent un investissement et une maintenanceélevés, nous citons les pompes thermodynamiques qui sontde plusieurs types. Il y a celles qui créent de l'énergiemécanique, à la manière d'un moteur thermodynamique, pourensuite actionner une pompe: elles sont complexes. Il y ad'autres qui s'usent et demandent une grande maintenance.Dans la bibliographie existe des pompes thermodynamiquesmais n’utilisant pas l’eau comme fluide de travail. Le peu detravaux publiés sur le sujet de pompage thermodynamiqueconcernent le pompage par refoulement. Je cite A1-Haddad(1996) [1], Sumathy (1999) [2], Wong (2001(a,b)) [3,4]. Unfluide de travail Pentane ou Hexane est chauffé parl'énergie solaire et est utilisé pour refouler l'eau de puits. Detels systèmes ont été étudiés surtout à Hong Kong, Thailand,Kuwait, Chine et l'Inde.Un exemple de pompe thermodynamique est étudié parKwant et al. parue dans [4]. Son rendement atteint 2 % enutilisant des capteurs plans de surface 10 m². Wong (1999)classe les pompes solaires selon différentes catégories entreautre photovoltaïques et thermodynamique et en fait unrécapitulatif [5].

Notre système opère plutôt par aspiration, et necomporte aucune pièce en mouvement. Aucune publicationn'existe, à part la notre réalisée lors des travaux de thèse de1987 et par la suite [6-10]. Il est composé principalement deréservoirs jouant aussi le rôle de capteur solaire et de corpsde pompe. A été constaté cependant que l'eau pompéechauffe inévitablement en entrant dans le corps de pompe.D'où apparaît (surgit) l'idée de valoriser une autre fonction decette pompe: le chauffage de l'eau. D'autre part, sonrendement faible comme toutes les pompesthermodynamiques sera compensé par le rendement élevé de

- 8 -

l'opération de chauffage de l'eau.

Actuellement, un regain d'intérêt est né pourutiliser ce genre de pompe thermodynamique. La notre,opérant par aspiration et objet du présent papier, pourraitintéresser surtout le pompage de l'eau des citernes derécupération de l'eau de pluie, particulièrement dans le sudtunisien, en vue de l'utiliser directement ou de la chaufferpour les besoins sanitaires.

Ce papier constitue aussi un exemple de systèmeshybrides pouvant assurer deux fonctions à la foispompage de l'eau et (son) chauffage.

Figure 1. Schéma de principe de la pompe solaire

2. ETUDE DE CONCEPTION

2.1 Conception du système

Le nouveau prototype, représenté sur les figures 2 à 4,conçu et réalisé à l’ISSAT de Gabes (brevet en cours) estun modèle réduit de pompe/chauffe-eau solaire. La règlegénérale dans le dimensionnement des chauffe-eausolaires à eau est d'adopter environ 50 litres par m² decapteur. Ainsi, pour le modèle réduit dont la surface devitrage est 0,27 m², nous avons choisi une capacité de 10litres. Le capteur réservoir est de forme cylindrique pourpouvoir résister au vide créé pour la fonction de pompagepar aspiration.

Le réservoir (1), peint en noir matte (fig.2), est placéà l'intérieur d'un boîtier (3) en bois isolé thermiquementpar de la laine de verre, comportant des surfaces planesréfléchissantes [6] et couvert par un vitrage (2) transparenten polycarbonate double. Pour mieux résistermécaniquement aux efforts de dépression, le réservoircomporte des disques creux jouant le double rôle deraidisseurs et d'ailettes thermiques.

La fabrication du vide est assurée parvaporisation d'une faible quantité d'eau grâce au chauffagesolaire, suivi de la condensation de vapeur produite dansle corps de pompe. Selon sa version de base, au moins uncycle par jour est assuré. Par exemple chauffage de l'eausanitaire (à la manière d'un chauffe-eau solaire) le matinvidange de l'eau chaude, suivi d'un chauffage pourl'évaporation d'une faible quantité d'eau et sa condensation

par refroidissement nocturne, et création de vide induisantenfin le pompage par aspiration.

A chaque pompage par aspiration une quantité d'eaureprésentant un certain pourcentage de volume du corps depompe est rempli d’eau en fonction des températures dechauffage et de refroidissement ainsi que de la profondeur àlaquelle se trouve l'eau (hauteur manométrique totale).

Quant au chauffage de l'eau, il peut se faire suite àson pompage dans le corps de pompe et sous l'effet del'éclairement solaire; d'où la nomination de pompe/chauffe-eau solaire. D'autre part le système peut devenir un simplechauffe eau type capteur à stockage intégré; il doit alors êtrealimenté en eau froide à chauffer, à la manière de toutchauffe-eau solaire.

2.2. Grandeurs calculées

2.2.1. Dépression atteinte

Le corps de pompe contient initialement de l’air et une faiblequantité d’eau. En fin de chauffage et en refroidissant, ilréside une certaine pression minime soit elle pour l’air sec etpour la vapeur d’eau selon la valeur de la température derefroidissement. La dépression Dp vaudrait alors la pressionatmosphérique (Pat) réduite de ces deux pressions d’air sec(Pas) et de vapeur d’eau (Pvs).

TRàvsTRàasatp PPPD (1)

2.2.2. Pourcentage du volume d’eau pompée (fig.9)

On caractérise une transformation isotherme entre les états del'air humide avant et après le pompage ;

Le rapport entre les volumes final et initial (Vf et V0) est :

ghPatDpPatv

1 (2)

2.2.3. Bilan énergétique du système

Globalement, l’énergie solaire WG est utilisée, ici, pour lepompage de l’eau Wp suivi de son chauffage Wch aux pertesprès Qp :

WG = Wp+ Wch+Qp (3)

WG = S ΣΦ .Δt

Wp =m.g.h

Wch =m.Cp. ΔT

Qp=U SP (Tint –Text)

- 9 -

2.2.4. Rendements de pompage et de chauffage

a- Rendement de pompage

tShgmW

p ssolW

pot

....

(4)

b- Rendement de chauffage de l’eau

Le rendement de chauffage de l’eau pompée ou contenueinitialement dans le corps de pompe est :

tS

Tcm

S

Pch

..

..

3. ETUDE EXPERIMENTALE

3.1 Description du système

La réalisation du système Pompe/Chauffe-eau solaire a étéconformément au schéma fonctionnel de la figue 2. Leprincipe de fonctionnement est le suivant : le réservoir 1contient initialement un peu d’eau. Sous l'effet durayonnement solaire, l’eau chauffe et s’évapore, l’air estalors chassé de l’intérieur du réservoir à travers la vanne 6.Pour le pompage, il suffit de fermer toutes les vannes etlaisser le système refroidir à l'abri du soleil ou durant lanuit. La vapeur d'eau, en se condensant amorce la créationde vide, ce qui permet d’aspirer l’eau à travers la vanne 4à des profondeurs allant jusqu’à 10 m théoriquement.Cette eau pompée dans le corps de pompe même, chauffenaturellement par l'énergie solaire. Ce qui confère donc ausystème une autre fonction de chauffer l’eau soit encombinaison avec le pompage ou à part. La vidange del’eau s’effectue par le bas du corps de pompe 1, à traversla vanne 5, et après mise à l’air libre par l’ouverture de lavanne 6. Pour pouvoir multiplier le nombre de cycles depompage par jour, on a créé selon la figure 2 un systèmede refroidissement artificiel 4 consistant soit en unéchangeur de refroidissement (point de rosée), soit à unecoulée directe d’une quantité d’eau prévue à cet effet àtravers la vanne 5. Ainsi, dès que la température atteintson maximum, on procède à la création du vide, suivi del'aspiration de l'eau. Cette eau tiédie est ensuite soitévacuée ou gardée dans le corps de pompe pour chaufferdavantage, après quoi elle est enfin vidangée. Le cyclepeut ainsi reprendre plusieurs fois par jour.

Figure 2. Coupe de la pompe selon deux vues. Casde refroidissement artificiel

Figure 3. Le corps depompe placé dans le

boîtier isoléthermiquement

Figure 4. Le système enmodèle réduitavec son dispositif derefroidissementartificiel

3.2 Résultats expérimentaux

Les résultats expérimentaux sont regroupés dans les courbessuivantes :

3.2.1 Courbes de variation de température du système enfonction de temps

La figure 5 présente les variations des températures ambianteet de chauffage en fonction de temps. On constate que latempérature du capteur s’approche de 100°C. A ce moment,on fait circuler l’eau dans l’échangeur pour la condensationde vapeur d’eau et la création du vide nécessaire pour lepompage de l’eau. Cette eau aspirée atteint spontanément latempérature de 45°C soit une élévation de température de20°C environ.

Figure 5. Cycles de pompage /chauffage par jour (Gabes, le25/06/2008)

1 : Chauffage pour le pompage ; 2:Refroidissement ; 3: Aspiration ; 4: Chauffage del’eau ; 5: Chauffage pour le pompage

- 10 -

3.2.2 Les productions journalières en eau pompéeEn multipliant le nombre de cycles de pompage de l’eau,grâce au système de refroidissement artificiel, la quantitéd’eau pompée par jour se trouve augmentée.

020

4060

80100

120140

160

Rate

of f

illin

g (%

)

1 2 3

Number of day

First Filling Second Filling Third Filling

Figure 6. Histogramme des productions journalières eneau

3.2.3 Interprétation des résultatsLes résultats d’essais qui ont eu lieu, tant sur le pompageque sur le chauffage de l’eau, sont satisfaisants. En effet,des températures de chauffage de corps de pompe ontatteint des valeurs suffisantes pour créer, aprèsrefroidissement, le vide nécessaire pour le pompage paraspiration. Par le système de refroidissement artificielannexe, le nombre de cycles de pompage passe d'un seulcycle par jour (refroidissement nocturne) à trois, voirequatre cycles de pompages possibles par jour selon lalongueur du jour et l'ensoleillement. Le système peut êtreutilisé différemment et peut aussi remplir plusieurs rôles:

- Un seul cycle de pompage quotidien avecrefroidissement nocturne.

- Plusieurs cycles de pompage par jour,aboutissant successivement à 33 ; 56 et 70 %; soit au total 159 % de remplissage.

- Plusieurs cycles de pompage/chauffage del'eau par jour.

- Chauffage simple de l'eau avec un ouplusieurs soutirages par jour.

4. CONCLUSIONS

Le système hybride pompe/chauffe-eau solaire est uneapplication de l'énergie solaire bien appropriée pourpomper l'eau par aspiration suivie de son chauffage. C'estle cas d'un besoin spécifique du sud tunisien où l'eau depluie est recueillie dans des citernes enterrées et utiliséeentre autre pour les douches.

L'opération de jumelage a bien réussi puisque plus d’unefois et demie la capacité du réservoir (corps de pompe) aété remplie par jour. Quant à la température de l'eau aprèspompage, elle atteint 50 °C durant moins d'une heure dechauffage.

Coté rendement, s'il est dérisoire concernant la pompe, il

est appréciable pour le chauffage de l'eau qui bénéficie de lacapacité thermique de stockage du corps de pompe.

Mais comme tous les systèmes solaires, d'autres paramètrestels que le service rendu dans les endroits isolés, sont plusprépondérants que le rendement ou le coût du système. Lasauvegarde de l'environnement est un avantage sans moindreimportance.

REFERENCES

[1] A. A. A1-Haddad, E. Enaya and M. A. FahimPerformance of a thermodynamic water pump AppliedThermal Engineering 1996; 16: 321-334.

[2] K. Sumathy Experimental studies on a solar thermalwater pump Applied Thermal Engineering 1999;19: 449-459

[3]Y.W. Wong, K. Sumathy Solar thermal water pumpingsystems: a review. Renewable & Sustainable Energy Reviews3 (1999) pp 185 – 217

[4] Y.W. Wong, K. Sumathy Performance of a solar waterpump with ethylether as working fluid. Renewable Energy2001; 22: 389-394

[5] Y.W. Wong, K. Sumathy Thermodynamic analysis andoptimization of a solar thermal water pump. AppliedThermal Engineering 2001; 21: 613-627

[6] R. Ben Slama Etude et développement de pompe etcapteur solaire.Thèse de spécialité.20 mai 1987. Universitéde Valenciennes France.

[7] R.Ben Slama Brevêt N°15972 (SN 88014): "Récipientsolaire à multifonctions et usages". INNORPI, Tunis.

[8] R. Ben Slama. Enseignement de la maîtrise de l’énergieet recherches sur les applications solaires ; CongresInternational sur la Conversion et la Maîtrise de l’Energie.Sousse 11-13 Avril 2008.

[9] R. BEN SLAMA Pompe solaire thermodynamique à

multi fonctions et usages. IVème Congrès International sur les

Energies Renouvelables et l’Environnement CERE.

Monastir 19-21 mars 2009.

[10] R. BEN SLAMA Thermodynamic solar water pump

with multi functions and uses. The Open Fuels and Energy

Science Journal. Accepté.

- 11 -