J'ai dans l'idée que concernant la perte de rendement à cause de la température élevée en série qu'il s'agit d'une idée reçue... Je pose là ma réflexion sur la théorie avec des chiffres arbitraires pour étayer le raisonnement:
En régime stabilisé, le transfert thermique du fluide vers le ballon = le transfert thermique des panneaux solaire vers le fluide.
La puissance thermique transmise au travers de l'échangeur du ballon c'est le débit du fluide des panneaux * la variation de température à la traversée de l'échangeur :
Débit, puissance et écart de température d’eau sont en relation par la formule:
P = qv × 1,16 × ΔT
Avec :
- P en [kW]
- qv en [m³/h]
- 1,16 : Chaleur volumique de l’eau en [kWh/m³.K]
- ∆T : Ecart de température reçu ou perdu par l’eau en [K]
Si on ne change pas de fluide au milieu de notre comparaison, sa chaleur volumique reste constante, si on fixe la puissance solaire (parce qu'on le décide pour notre comparaison), l'écart de température dépend donc du débit uniquement.
A débit constant, le transfert thermique étant proportionnel à l'écart de température entre le fluide et le ballon (ou le fluide et les panneaux),
- si la température du fluide augmente, l'écart de température fluide / ballon augmente, donc le transfert thermique augmente, donc le fluide perd plus de calories qu'il n'en gagne, sa température moyenne baisse
- si la température du fluide diminue, l'écart de température fluide / ballon diminue, donc le transfert thermique diminue, donc le fluide perd moins de calories qu'il n'en gagne, sa température moyenne monte
Donc la température moyenne du fluide dépend de la température moyenne du ballon de sorte que l'écart de température fluide/ballon soit tel que le transfert thermique dans l'échangeur du ballon soit égal à celui dans les panneaux (en régime stabilisé).
L'écart moyen de température entre le fluide et le ballon est celui qui permet de passer la puissance reçu via les panneaux.
Pour notre exemple, on prendra une puissance solaire reçue de
1000W, un débit du fluide de
2L/min, la température moyenne du fluide dépend de la performance de l'échangeur qui restera la même dans nos comparaison, prenons pour l'exemple un écart de
10°C pour transmettre 1000W.
On a donc une température du fluide qui dépend de la puissance à transférer, de la performance de l'échangeur et de la température du ballon et du débit. Si on fige la température du ballon dans nos comparaisons, ainsi que la performance de l'échangeur et la puissance solaire reçue, la température moyenne ne dépend donc plus que du débit.
Le ballon est à une température donnée pour notre exemple on va dire
40°C, il reçoit 1000W de la part du circuit des panneaux au travers de son échangeur, on néglige pour le moment la perte des panneaux qui abouti à 1000W efficace (peut-être que les panneaux perdent 100W dans l'air et reçoivent donc au départ 1100W, mais on ne s'en occupe pas pour le moment).
avec notre débit de 2L/min (pour le moment peu importe la configuration des panneaux) avec un transfert de 1000W, on obtient ΔT = P / (qv × 1,16) soit 1 kW / (2(L) / 1000(L/m³)* 60(min/h) * 1.16) =
7.2°C d'écart entre l'entrée et la sortie de l'échangeur
Notre ballon est à 40°C, il reçoit 1000W, la température moyenne dans l'échangeur est de 10°C supérieure à celle du ballon, soit 50°C, avec une variation à la traversée de 7.2°, soit ±3.6°C autour de la moyenne donc il entre à
53.6°C et ressort à
46.4°C
Si on néglige les pertes dans le circuit super bien isolé, le fluide entre donc dans les panneaux à 46.4°C et comme il reçoit à nouveau 1000W toujours avec le même débit de 2L/min (aucune fuite dans notre circuit ^^) il prend donc 7.2°C et ressort à 53.6°C, et c'est reparti pour un tour, on a bien notre régime stabilisé.
On voit pour le moment que ce qui fige la température du fluide, c'est la puissance transférée, le débit du fluide et la température du ballon.
Entre un montage en parallèle et en série, la surface des panneaux reste la même, les panneaux reçoivent toujours 1100W, la question est donc de savoir ce que devient le débit dans les 2 cas.
Le débit dans les panneaux dépend du circulateur et de la puissance "mécanique" qu'il donne au fluide, ainsi que de la perte de charge du circuit qui s'oppose au mouvement du fluide et va "consommer" la puissance mécanique du fluide.
Si on décide de prendre comme hypothèse que notre régulation impose le débit du fluide en modulant la puissance du circulateur de sorte qu'on ait le même débit avec des panneaux en série ou en //, on voit dans la démonstration au dessus que la variation de température dans les panneaux au global est identique, on a soit 2 panneaux en // avec à leur entrée un fluide à 46.4°C et à leur sortie 53.6°C, identique pour les 2 panneaux, soit 2 panneaux en série ave une température de 46.4°C pour le 1er, un sortie à 50°C (la moitié de la puissance reçu dans le 1er panneau) et une entrée à 50°C et une sortie à 53.6°C dans le second panneau (l'autre moitié de la puissance reçue), le second panneau est donc plus chaud que le 1er, mais en comparaison entre série et //, en moyenne tout est identique ! Ce qui va changer, c'est la puissance du circulateur pour obtenir le même débit avec des pertes de charges différentes, mais d'un point de vu thermique, aucune différence !
Si notre circulateur n'est pas régulé en fonction du débit, et que face à l'augmentation de perte de charge en série par rapport au montage en //, le débit ne peut pas être maintenu, voyons ce que cela peut donner :
on prend comme hypothèse que le débit chute de moitié à
1L/min (décision arbitraire non justifiée ici)
On a toujours 1000W à transférer dans notre ballon, toujours à 40°C, le calcul nous donne avec un débit de 1L/min un écart de température de
14.4°C, soit ±7.2°C autour de la moyenne donc le fluide entre à
57.2°C et ressort à
42.8°C
On a toujours le même écart de température moyenne pour assurer notre transfert de 1000W, donc la même température moyenne, mais avec des écarts qui augmentent à cause de la baisse de débit, mais la moyenne reste identique !
Si on regarde la perte des panneaux, il s'agit d'un transfert thermique entre les panneaux (chaud) et l'air extérieur (froid), ce transfert thermique est lui aussi proportionnel à l'écart de température entre l'air et les panneaux. Si on considère un morceau de panneau, la sortie du 2nd panneau est donc plus chaude en série qu'en // puisque la température maximum du fluide est supérieure en série avec un débit réduit, localement ce panneau perd plus de puissance thermique, mais à contrario, l'entrée du 1er panneau est plus froide en série qu'en //, et localement perd moins en série qu'en //, si on fait la moyenne, le transfert thermique étant proportionnel à l'écart de température, la perte globale est identique si les températures moyennes sont identiques, donc la température de sortie plus chaude en sortie du 2nd panneau n'entraine pas une perte globale plus importante car elle est compensée par la température plus basse du 1er panneau.
La théorie est donc qu'il n'y a aucune différence de rendement des panneaux entre série et //, même si le débit varie, ce qui entraine une variation de température maximum, le bilan thermique global reste identique !
Ce qui va influencer le rendement global de l'installation, c'est donc la puissance consommée par le circulateur, qui augmente avec les pertes de charge.
Mais comme il y a équilibre entre les pertes de charge et la puissance mécanique donnée par le circulateur, soit on force le débit et on doit donc augmenter la puissance du circulateur face à une résistance plus élevée des pertes de charges, ce qui induit une baisse de rendement car on consomme plus d'électricité pour la même puissance thermique reçue, soit on ne donne pas plus de puissance au circulateur, ce qui baisse le débit, mais n'influence pas la puissance thermique reçue, et alors on obtient le même rendement.
L'impact sur le rendement est donc soit en faveur du montage en //, soit égale entre les 2 montages, et dépendra de la régulation qui pilote le circulateur.
Désolé pour le développement un peu long, j'espère que ce n'est pas trop indigeste à lire...
Tout cela ignore les impacts du débit sur la pression du circuit, la durée de vie des éléments hydraulique (pression et température augmentée) que je ne connais pas et qui peuvent favoriser tel ou tel montage (probablement le montage // avec une température plus basse pour les joints, une pression plus faible...), ma réflexion ici est purement énergétique
Il me semble que ceux qui pensent que la température maximum plus élevée nuit au rendement des panneaux mélangent avec l'impact qu'a la température des panneaux entre un CESI et un chauffage solaire qui ne travaillent pas à la même température, le CESI ayant besoin d'être beaucoup plus chaud, ce qui impacte la perte des panneaux face à un chauffage solaire basse température.
