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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
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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 :
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___________________________________________________________________________________
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 :
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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
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En vous aidant des donnes gomtriques ci-dessus, calculer la surface dchange (surface disolant
en contact avec lenveloppe extrieure) :
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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.
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Compte tenu des pertes par conduction de chaleur, mesurer lnergie qui doit tre apporte leau
pour que sa temprature atteigne 70 C :
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Calculer la nouvelle valeur de la puissance qui permet datteindre cette temprature au bout de 8
heures :
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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 ?
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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 :
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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 :
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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 :
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Comparer la valeur calcule celle mesure :
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Comment volue la temprature de leau lorsque le chauffage de leau est stopp (justifier) :
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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 :
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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: