Quels types de capteurs solaires et d'évaporateurs à pompe à chaleur sont généralement utilisés dans les chauffe-eau solaires à air ?

Choisir un capteur solaire thermique : un compromis entre performance et scénario

La performance d'un chauffe-eau solaire à air (SAW) dépend en grande partie du type et de l’efficacité de son composant principal : le capteur solaire thermique. Dans la pratique professionnelle de l'ingénierie, deux technologies principales sont considérées : les collecteurs à plaques plates et les collecteurs à tubes sous vide.

1. Collecteur à tubes sous vide (ETC)

La technologie des tubes sous vide joue un rôle clé dans les systèmes SAW en raison de ses excellentes performances d'isolation.

Avantage principal : les tubes sous vide utilisent une couche de vide poussé entre les tubes pour réduire considérablement les pertes de chaleur par convection et par conduction. Cela signifie que même dans des températures ambiantes basses ou un faible rayonnement solaire (par exemple par temps nuageux ou en hiver), les ETC peuvent maintenir une efficacité de collecte élevée et chauffer l'eau à un niveau plus élevé.

Scénarios applicables : en raison de ses excellentes performances de collecte de chaleur à basse température, le type de tube sous vide est particulièrement adapté au nord de la Chine, aux climats froids et aux applications commerciales nécessitant des températures d'eau de sortie plus élevées. Il fournit plus efficacement un préchauffage à haute température pour les pompes à chaleur à air, réduisant considérablement la charge de travail de la pompe à chaleur, améliorant ainsi le facteur de performance saisonnière (SPF) du système en hiver.

Considérations techniques : Les collecteurs à tubes sous vide modernes utilisent souvent la technologie des caloducs, permettant un fonctionnement sans eau et un échange de chaleur indirect. Cela simplifie la protection contre le gel et améliore la fiabilité du système.

2. Collecteur à plaques plates (FPC)

Les collecteurs à plaques plates sont privilégiés dans certains projets pour leur structure robuste et leur stabilité thermique.

Caractéristiques structurelles : Le FPC se compose d’une plaque absorbant la chaleur, d’un couvercle transparent et d’une couche isolante. Sa structure compacte facilite son intégration dans les bâtiments (BIPV, Building Integrated Photovoltaics/Thermal).

Considérations relatives aux performances : les collecteurs plats offrent une excellente efficacité instantanée sous un rayonnement solaire et des températures ambiantes élevées. Cependant, ils subissent une perte de chaleur plus importante que les tubes à vide en cas de fortes variations de température.

Scénarios d'application : les collecteurs plats sont plus adaptés au sud de la Chine, aux zones avec un ensoleillement abondant toute l'année, ou comme solution d'intégration de système à grande échelle et à faible coût.

Intégration professionnelle : Dans les chauffe-eau solaires à air, les capteurs plats servent souvent de source de préchauffage pour l'évaporateur de la pompe à chaleur. L'eau chaude moyenne et basse température qu'ils génèrent augmente la température d'évaporation et optimise le COP (Coefficient de Performance) de la pompe à chaleur.

Conception d'évaporateur à pompe à chaleur : échange thermique adapté et efficace

Dans un système de chauffe-eau solaire à air, le cœur de la pompe à chaleur est l’évaporateur, qui absorbe l’énergie thermique de faible qualité de l’environnement. Pour répondre aux exigences d'un système complexe, l'évaporateur doit répondre à une efficacité d'échange thermique élevée et à une adaptabilité multimode.

1. Évaporateur tube dans tube / coque et tube

Ce type d'évaporateur est généralement utilisé dans les applications impliquant un échange thermique direct ou indirect entre l'eau et le réfrigérant.

Positionnement fonctionnel : En mode pompe à chaleur à air standard (ASHP), l'évaporateur absorbe la chaleur de l'air. Cependant, en mode hybride solaire, l’évaporateur peut être conçu comme un échangeur de chaleur multifonctionnel.

Application spécialisée : certains systèmes de source d'air solaire haut de gamme utilisent un milieu intermédiaire (tel que de l'antigel ou de l'eau en circulation) qui est d'abord chauffé par des capteurs solaires, puis transféré à l'évaporateur pour compléter le réfrigérant. Cette conception nécessite que l'évaporateur ait une excellente résistance à l'écoulement et un excellent coefficient de transfert de chaleur.

2. Évaporateur à tubes à ailettes

Cet évaporateur est utilisé dans les unités extérieures standard de pompe à chaleur à air et absorbe la chaleur directement de l'air ambiant.

Fonction principale : Pendant les périodes hors saison ou le chauffage d'appoint, le système s'appuie principalement sur l'évaporateur à tubes à ailettes pour absorber la chaleur de l'air.

Considérations relatives au dégivrage : Dans les environnements à basse température et à forte humidité, les évaporateurs à tubes à ailettes sont confrontés au problème du givrage. Les systèmes professionnels de source d'air solaire utilisent la chaleur excédentaire des capteurs solaires, même comme source de chaleur de dégivrage, améliorant ainsi l'efficacité du dégivrage et réduisant la consommation d'énergie de dégivrage et les temps d'arrêt de la pompe à chaleur.

Intégration et optimisation combinées du système

L'expertise du chauffe-eau solaire à air réside dans la logique de contrôle optimisée et le cycle thermodynamique entre le collecteur et l'évaporateur.

Synergie énergétique : le système utilise un algorithme intelligent de contrôle de la température pour déterminer avec précision quand utiliser le préchauffage solaire (pour augmenter la température du réservoir d'eau ou la température d'évaporation de la pompe à chaleur) et quand passer en mode pompe à chaleur pure. Cette commutation dynamique garantit la priorité solaire et maximise l'utilisation des énergies renouvelables.

Amélioration des performances : L'énergie de préchauffage fournie par le collecteur augmente considérablement la pression d'aspiration du compresseur de la pompe à chaleur et réduit le taux de compression, rendant ainsi le COP du système en mode combiné beaucoup plus élevé que celui d'une pompe à chaleur à air pur, maximisant ainsi le bénéfice marginal de l'énergie.