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LES CLES DU DIMENSIONNEMENT

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Le vase d’expansion dans une installation solaire à thermosiphon

Dans une installation solaire thermique, le vase d’expansion doit permettre :
  • d’absorber la dilatation du fluide caloporteur (antigel) mis en œuvre dans l’installation lors de sa montée en température et ainsi de maintenir la pression,
  • d'absorber le fluide contenu dans les capteurs en cas de vaporisation de ce dernier suite à une surchauffe.
Vase d'expansion d'une installation solaire thermique
Un vase d’expansion est un réservoir divisé en deux parties au moyen d’une membrane élastique. Un côté de cette membrane est en contact avec le fluide de travail (normalement de l’eau à l’état liquide), et l’autre avec de l’air ou un gaz inerte pressurisé à la pression de travail. La pression initiale est fixée par le fabricant et peut être ajustée ultérieurement une fois le vase installé.

Lors de la conception, il est important de veiller à ce que le vase d’expansion ne travaille pas en dehors des plages recommandées par le fabricant. Il faut également garder à l’esprit que le fluide de travail présent dans une installation en extérieur peut descendre à de basses températures.
           

Lors de la conception, il est important de veiller à ce que le vase d’expansion ne travaille pas en dehors des plages recommandées par le fabricant. Il faut également garder à l’esprit que le fluide de travail présent dans une installation en extérieur peut descendre à de basses températures.

Il ne faut pas dimensionner le vase d’expansion de la même manière que pour les systèmes de chauffage car les installations à énergie solaire et les installations de chauffage présentent certaines différences : niveau de températures plus élevé, coefficient d’expansion du liquide antigel plus élevé, vaporisation possible.

Fonctionnement d'un vase d'expansion dans une installation solaire thermique


Le vase d’expansion devra être dimensionné de façon à ce que la pression à froid au point le plus bas du circuit ne soit pas inférieure à 1,5 bar, et la pression maximale à chaud, en un point quelconque du circuit, ne dépasse pas la pression maximale de travail de tous les composants. La vanne de sécurité devra avoir été tarée en dessous de la pression de travail maximum du composant le moins à même de supporter la pression.

Afin de maîtriser le dimensionnement du vase d’expansion, il convient de rappeler la variation de la masse volumique de l’eau en fonction de la température :
Température de l’eau (°C) Masse volumique de l’eau (kg/m3)
10 °C 999.79 kg/m3
20 °C 999.65 kg/m3
30 °C 998.16 kg/m3
40 °C 995.59 kg/m3
50 °C 992.17 kg/m3
60 °C 983.13 kg/m3
70 °C 977.70 kg/m3
80 °C 971.81 kg/m3
90 °C 965.34 kg/m3
100 °C 958.40 kg/m3
Ainsi, 100 litres d’eau à 10°C occupera un volume de 103 litres à 70°C. Cette variation de volume, si rien n’est fait, va exercer une pression sur les parois des tuyauteries, induisant une usure prématurée et des fuites du fluide caloporteur au niveau des composants. Le rôle du vase d’expansion est d’absorber cette variation de volume.

Calcul du volume du vase d'expansion
Si on ne prend pas en compte la possibilité de vaporisation, le volume du vase d’expansion se calcule de la façon suivante :
  • Si le volume total du fluide contenu dans le circuit fermé, VE, est inférieure à 300 L : Formule de calcul du volume du vase d'expansion
  • Si le volume total du fluide contenu dans le circuit fermé, VE, est inférieure à 300 L : Formule de calcul du volume du vase d'expansion




Avec :
  • P1 : Pression initiale du vase d’expansion. Généralement, P1=2.5 bars.
  • P2 : Surpression finale définie par la soupape de sécurité en amont du vase d’expansion. P2=5.5 bars
  • n : Coefficient de dilatation du fluide caloporteur > Formule de calcul du volume du vase d'expansion
Exemple
Ainsi, pour un ballon de 300 L, en considérant que le volume VE=15 litres, que la température maximum et minimum du fluide caloporteur dans le circuit fermé valent respectivement 70°C et 20°C, alors :
Formule de calcul du volume du vase d'expansion


⇒ Le volume du vase d’expansion doit être pris égal à 9 litres.

Si nous souhaitons prendre en compte le phénomène de vaporisation du fluide caloporteur dans les capteurs, il convient de majorer le volume calculé précédemment de 30 %.