Eau Chaude Solaire. Manuel pour la conception, le dimensionnement et la réalisation des installations collectives. Avril 2002 A D E M E

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1 Eau Chaude Solaire Manuel pour la conception, le dimensionnement et la réalisation des installations collectives Avril 2002 A D E M E Agence de l Environnement et de la Maîtrise de l Energie

2 Résumé Ce manuel pour la conception, le dimensionnement et la réalisation des installations solaires de production d eau chaude sanitaire précise les règles simples, mais éprouvées, tirées des expériences réalisées à ce jour et ayant fait l objet d un suivi des performances en suivant cinq principes essentiels : simplicité des installations, sécurité d utilisation, intégration dans le cadre bâti, performance et efficacité énergétiques, suivi. Un intérêt particulier est porté à la conception globale des installations, à l intégration architecturale des capteurs solaires dans les constructions et à l évolution de la réglementation sanitaire. Le choix des composants, leur mise en œuvre selon les règles de l art et les règles professionnelles sont complétés par des recommandations et des commentaires détaillés pour le dimensionnement des éléments de l installation et le calcul des performances prévisionnelles. 2

3 Sommaire Eau Chaude Solaire...1 Résumé...2 Sommaire Introduction Principes généraux Les données climatiques de base Le gisement solaire La température de l'eau du réseau Le vent et la neige Les besoins d'eau chaude sanitaire La température de distribution de l eau chaude sanitaire L analyse des besoins Le chauffage de l eau par l énergie solaire Le captage Le transfert de l énergie et le stockage L appoint La démarche projet...erreur! Signet non défini. 3.1 L étude préalable...erreur! Signet non défini L évaluation des besoins en eau chaude...erreur! Signet non défini L exposition énergétique solaire du site...erreur! Signet non défini L étude d implantation des capteurs...erreur! Signet non défini Les liaisons entre les capteurs...erreur! Signet non défini Les tuyauteries...erreur! Signet non défini Le stockage et l appoint...erreur! Signet non défini. 3.2 L étude détaillée...erreur! Signet non défini Le dimensionnement des équipements solaires...erreur! Signet non défini Évaluation des performances d une installation solaire...erreur! Signet non défini Outils de calcul des performances d un système solaire ECS...Erreur! Signet non défini Méthodologie de définition et dimensionnement...erreur! Signet non défini Pré-dimensionnement de l installation...erreur! Signet non défini Ajustement des données relatives aux capteurs et au stock...erreur! Signet non défini Dimensionnement de l échangeur...erreur! Signet non défini Dimensionnement du circuit primaire : tuyauteries et pompes.erreur! Signet non défini Dimensionnement des accessoires de sécurité...erreur! Signet non défini. 3.3 L évaluation du projet...erreur! Signet non défini L évaluation technico-économique...erreur! Signet non défini La Garantie de Résultats Solaires...Erreur! Signet non défini L impact environnemental...erreur! Signet non défini. 4. Exploitation et maintenance...erreur! Signet non défini. 4.1 Remplissage...Erreur! Signet non défini. 4.2 Mise en service...erreur! Signet non défini. 4.3 Réception de l installation...erreur! Signet non défini. 4.4 Entretien périodique...erreur! Signet non défini Périodicité et contenu des interventions d entretien...erreur! Signet non défini Justification des contrôles et des opérations d entretien...erreur! Signet non défini Limites de la prestation d entretien...erreur! Signet non défini. 4.5 Le télésuivi...erreur! Signet non défini. 5. Pour en savoir plus...erreur! Signet non défini. 3

4 6. Exemples de réalisations d installations collectives...erreur! Signet non défini. 4

5 1. Introduction Utiliser le soleil pour chauffer l eau sanitaire est une idée qui paraît d une logique implacable. Le principe des chauffe-eau solaires est simple et la technique est aujourd hui fiable et éprouvée. Non polluante et inépuisable à l échelle humaine, l énergie solaire permet de respecter l environnement et de préserver la santé. Elle permet de préserver les ressources énergétiques, sans produire de déchets ni d émissions polluantes, notamment du gaz carbonique. Au-delà des enjeux environnementaux et de l impact sur la production de gaz à effet de serre, l eau chaude représente une part non négligeable de la facture énergétique d un bâtiment, qui peut être réduite grâce à l utilisation de l énergie solaire. En constante amélioration depuis plus de 20 ans, les technologies du solaire thermique sont arrivées à un haut niveau de maturité. Plus de m2 de capteurs ont été installés en France (métropole et DOM) et l ensemble des applications dans lesquelles ils sont utilisés dispose maintenant de références. Des produits de haute qualité sont disponibles, les systèmes thermiques sont fiables, et leur productivité peut être garantie. grâce : aux procédures de qualification et de certification des équipements (Avis Technique, marquage CSTBat), aux outils de calcul et dimensionnement (SOLO, Polysun, TRNSys, logiciel PSD-Maison individuelle ), au contrôle et au suivi des opérations (télé contrôle). Les conditions d un bon fonctionnement durable ont été progressivement créées, et les garanties ont été fiabilisées dans le cadre de contrats de "GRS" (Garantie de Résultat Solaire) pour les applications collectives. Avec le chauffage des piscines, qui ne concerne qu environ 15 % de la surface de capteurs installés à ce jour, la quantité d énergie solaire captée pour la production d eau chaude ou le chauffage de bâtiments par des systèmes actifs représente près de 750 Térajoules (ou 208 GWh) pour l ensemble du territoire français (hors départements d outre-mer). 5

6 2. Principes généraux 2.1 Les données climatiques de base Le gisement solaire Le soleil constitue une source d'énergie gratuite et non polluante, dont l apport annuel moyen sur le sol de la France est évalué à plus de kwh/m2/an, ce qui représente pour l ensemble du territoire un potentiel énergétique annuel de plus de millions de tonnes équivalent pétrole (tep). Rayonnement solaire global quotidien moyen en kwh/m2 pendant l'année. (Orientation Sud avec pente égale à la latitude) Source : Atlas européen du Rayonnement Solaire. Volume II : Surfaces inclinées. W.Palz, Commission des Communautés Européennes; Direction Générale Science, Recherche et Développement. Le rayonnement solaire est un rayonnement thermique qui se propage sous la forme d ondes électromagnétiques. Il produit à la lisière, mais en dehors de l atmosphère terrestre, un éclairement énergétique à peu près constant et égal à W/m2, appelé de ce fait : constante solaire Ics. Pour atteindre chaque point de la surface éclairable du globe terrestre, les rayons solaires traversent l atmosphère qui dissipe une partie de l énergie provenant du soleil par : - Diffusion moléculaire (en particulier pour les radiations U.V.) - Réflexion diffuse sur les aérosols atmosphériques (gouttelettes d eau, poussières ) - Absorption sélective par les gaz de l atmosphère. L atténuation correspondante du rayonnement solaire dépend de l épaisseur de l atmosphère traversée, celle-ci dépendant à son tour de la latitude du lieu considéré et du temps. 6

7 Constante solaire W/m2 Rayonnement solaire absorbé ou diffusé Rayonnement solaire sur la terre Propagation du rayonnement solaire dans l atmosphère Avant son arrivée dans l atmosphère terrestre, le rayonnement solaire est dirigé. Il se présente sous la forme d un faisceau à peu près parallèle. Seule une partie de ce rayonnement direct traverse l atmosphère et atteint le sol. Une autre partie du rayonnement est diffusée et répartie à peu près uniformément dans toutes les directions de l espace. Ce rayonnement diffus, lorsqu il atteint le sol terrestre, semble ainsi provenir de l ensemble des directions de la voûte céleste. A la surface de la terre, le rayonnement solaire global est la somme des rayonnements : direct, ayant traversé l atmosphère, diffus, en provenance de toutes les directions de la voûte céleste. Une surface exposée reçoit ainsi du rayonnement direct et diffus, mais elle reçoit en plus une partie du rayonnement global réfléchi par les objets environnants, en particulier par le sol, dont le coefficient de réflexion est appelé «albédo». 7

8 Rayonnement réfléchi Rayonnement diffus Rayonnement direct Rayonnement réfléchi Le rayonnement solaire à la surface de la terre 8

9 2.1.2 La température de l'eau du réseau En France, 70% de l'eau potable distribuée est puisée dans les nappes souterraines, par forage ou aux sources. Le reste provient des eaux de surface : lacs et rivières. Tous ces gisements sont renouvelables : la pluie et la neige contribuent à les remplir, à raison de 200 milliards de m3 par an. La consommation d énergie pour la production de l eau chaude sanitaire dépend doublement de la température de l eau froide : plus l eau est froide, plus il faut d énergie pour la porter à une température donnée (consigne du stockage par exemple), et plus il faudra d eau chaude, en volume, pour qu au mitigeage on assure une température constante. 9

10 Lieu Latitude Jan Fév Mar Avr Mai Juin Juil Août Sept Oct Nov Déc Abbeville 50.13øN 6,6 6,9 8,3 9, ,5 7,1 Agen 44.18øN 8,6 9, Ajaccio 41.90øN Ambérieu 45.98øN 6,1 6, ,5 6,6 Auxerre 47.80øN 6,7 7,1 9, ,6 7,2 Bastia 42.55øN Batz (Ile de) 48.75øN 9,3 9, ,9 Beauvais 49.45øN 6,2 6,6 8,1 9, ,1 6,7 Besançon 47.25øN 5,8 6,4 8, ,1 6,2 Biarritz 43.50øN Bordeaux 44.80øN 8,9 9, ,2 Bourges 47.05øN 7,1 7,6 9, ,5 Bréhat (Ile de) 48.85øN 9,3 9, ,9 Brest 48.45øN 8,5 8,4 9, ,9 8,9 Caen 49.20øN 7,4 7,5 8,7 9, ,8 Carpentras 44.10øN 9,2 9, ,6 Cazaux 44.50øN 9,5 9, ,9 Chambéry 45.60øN 6,4 7,4 8, ,8 Château-Chinon 47.10øN 5,2 5,4 7,7 8, ,7 7,4 5,6 Clermont-Ferrand 45.80øN 6,9 7,4 9, ,9 7,3 Colmar 47.55øN 5,1 5,8 7,9 9, ,6 5,6 Dijon 47.38øN 6 6,7 8, ,3 6,5 Embrun 44.60øN 4,9 5,9 7,9 9, ,5 5,4 Gourdon 44.75øN 8,3 8, ,6 Grenoble 45.40øN 6,2 7,1 9, ,7 6,6 Langres 47.85øN 4,7 5,2 7,3 8, ,4 6,9 5,2 La Rochelle 46.15øN 9,3 9, ,8 Le Mans 47.95øN 7,5 7,8 9, ,3 7,8 Le Puy 45.05øN 5,1 5,7 7,4 8, ,6 7,4 5,6 Lille 50.55øN 6,2 6,5 8,1 9, ,1 6,7 Limoges 45.90øN 7 7, ,8 7,3 Lyon 45.70øN 6,9 7,6 9, ,2 7,4 Mâcon 46.30øN 6,4 7 9, ,6 6,9 Marignane 43.45øN 9, Metz 49.10øN 5,2 5,6 8 9, ,7 7,4 5,6 Millau 44.12øN 6 6,5 8,2 9, ,1 6,4 Mont de Marsan 43.90øN 9 9, ,3 Montpellier 43.60øN 9, Montélimar 44.58øN 8,5 9, ,9 Nancy 48.68øN 5,3 5,8 7,7 9, ,8 7,5 5,8 Nantes 47.20øN 8,3 8,5 9, ,8 8,6 Nevers 47.00øN 6,7 7,1 8, ,5 7,1 Nice 43.65øN Nîmes 43.87øN Odeillo 42.48øN 6 6,1 6,7 7, ,7 7,5 6 Orléans 47.90øN 6,7 7,2 8, ,6 7,2 Paris (Le Bourget) 48.97øN 7 7,4 9, ,9 7,5 Pau 43.38øN 9 9, ,2 Perpignan 42.70øN Poitiers 46.60øN 7,6 8 9, ,4 8 Reims 49.30øN 6,1 6,5 8,3 9, ,2 6,6 Rennes 48.10øN 8,1 8,4 9, ,7 8,4 Rostronen 48.25øN 7,2 7,3 8,5 9, ,8 7,6 Rouen 49.40øN 6,8 7,1 8,6 9, ,5 7,3 Saint-Girons 43.00øN 8 8, ,9 8,3 Saint-Quentin 49.80øN 5,9 6,4 8,1 9, ,5 Strasbourg 48.55øN 5,3 5,8 7,7 9, ,8 7,5 5,8 Toulon 43.10øN Toulouse 43.63øN 8,6 9, Tours 47.45øN 7,6 8 9, ,4 8 Trappes 48.80øN 6,4 6,7 8,4 9, ,3 6,8 Vichy 46.17øN 6,8 7,3 9, ,9 7,3 Température moyenne mensuelle de l eau froide du réseau (Source : Tecsol) 10

11 2.1.3 Le vent et la neige Le vent Par convention, en météorologie, le vent moyen est un vent moyenné sur 10 minutes et mesuré à une hauteur de 10 mètres. Les bulletins météorologiques français font toujours référence au vent moyen. Les rafales peuvent dépasser de 50 % la valeur du vent moyen. F r é q u e n c e Vitesse (m/s) Figure 4 : histogramme des vitesses La direction est une des deux grandeurs qui, avec la force, caractérisent le vent horizontal. En météorologie, on donne toujours la direction d'où vient le vent, repérée par rapport aux points cardinaux (nord, est, sud, ouest) ou par l'angle de cette direction par rapport au Nord (par exemple, un vent de sud sera de secteur 180 ; un vent d'ouest sera de secteur 270 ). Nord Ouest Est Sud Figure 5 : Rose des vents 11

12 La neige La neige peut influer sur les constructions, et en particulier sur les toitures, de plusieurs façons. Une forte accumulation de neige peut causer l'effondrement d une toiture. La formation de barrières de glace peut entraîner des fuites d'eau sous les bardeaux et sur les solins. Des glissements de neige sur les toits en pente et les lanterneaux peuvent créer un risque pour les piétons. De l'eau peut pénétrer à l'intérieur des bâtiments par suite de l'infiltration de neige soufflée par le vent. Les charges de neige sur les toitures varient selon les climats des diverses régions. Elles varient aussi selon l'exposition au vent et selon la forme des toits. Pas de vent Vent Protection Vent Neige poussée par le vent Vent ou pas de vent Charge non équilibrée Neige ayant glissé 12

13 L évaluation des charges climatiques La neige et le vent sont deux facteurs naturels qui requièrent une conception appropriée des bâtiments pour la sécurité et le confort des occupants. Les Règles NV 65 définissent les effets de la neige et du vent sur les constructions. La nouvelle édition (mars 2001) intègre les derniers modificatifs et permet d établir la correspondance entre les indications figurant dans les DTU 40 et 43 relatifs aux travaux de couvertures et d étanchéité et les dispositions des règles Neige et Vent en vigueur. La carte des vents donnée dans ces règles est une carte de transition vers l'eurocode qui définit la vitesse du vent sur une base probabiliste : le vent «cinquantenal». 13

14 2.2 Les besoins d'eau chaude sanitaire La température de distribution de l eau chaude sanitaire Dans les installations de production d eau chaude sanitaire par l énergie solaire, un complément d énergie fourni par un équipement d appoint est rendu nécessaire pour : Le maintien d un niveau de température permettant d assurer les besoins en eau chaude sanitaire, puisque les équipements solaires sont généralement dimensionnés pour n en couvrir qu une partie. Le maintien d un niveau de température propre à éviter la prolifération de bactéries, notamment de légionelles. D une manière générale, pour limiter le développement des bactéries, il est recommandé d éviter les situations de stagnation de l eau, dans des bras morts ou des canalisations borgnes. La température de l eau chaude distribuée doit être au minimum de 60 C au départ des stockages, et dans le cas où l installation comporte une boucle de recirculation, la température de l eau, au retour, doit être au minimum de 50 C. Dans tous les cas, les utilisateurs doivent être protégés contre les risques de brûlures aux points de puisage, où la température de l eau puisée ne doit pas dépasser 50 C. Les circulaires DGS 97/131 du 24 avril 1997 et DGS 98/771 du 31 décembre 1998 définissent les règles de bonnes pratiques pour l entretien des réseaux d eau dans les établissements de santé, la désinfection des circuits et les moyens de prévention dans les installations à risques et dans celles des bâtiments recevant du public. EC. 50 C Bouclage M MA MA Ballon Ballon SOLAIRE D'APPOINT RECHAUFFEUR CIRCUIT DE BOUCLE SOLAIRE CHAUDIERE Canne plongeante Canne plongeante EF Manchette Témoin Vanne à boisseau sphérique normalement ouverte Filtre à tamis Vanne à boisseau sphérique normalement fermée MA Manomètre M Mitigeur Circulateur Schéma n Clapet anti retour Soupape de sécurité Compteur volumétrique à émetteur d'impulsions tecsol.fr BP Technosud Perpignan Cédex Tel : Fax : André-JOFFRE Schéma d'appoint Exemple d appoint séparé par une chaudière, et distribution par boucle de recirculation avec maintien en température par un réchauffeur 14

15 2.2.2 L analyse des besoins La production d eau chaude est parmi les applications les plus performantes de l énergie solaire, en particulier dans les installations collectives des bâtiments résidentiels et tertiaires caractérisés par des besoins d eau chaude importants et réguliers. C est le cas en particulier des bâtiments de l habitat collectif, des hôtels, et des établissements de santé. Les besoins modernes des collectivités (résidences, hôtels, hôpitaux..) conduisent à utiliser l eau chaude en quantité toujours croissante, non seulement pour les usages sanitaires mais aussi pour des travaux et des tâches domestiques. L aptitude à l emploi d une installation de production d eau chaude est caractérisée entre autres choses par la disponibilité de l eau, en quantité suffisante à une température donnée, au moment voulu et à un prix de revient aussi bas que possible. Les besoins d ECS en habitat collectif Avec le chauffage, l eau chaude constitue le premier poste de dépense des charges liées au logement. En logement social, elle peut varier de F à F par an pour une surface de 65 m 2. Selon les régions, le recours à l énergie solaire permet d envisager des économies d énergie de l ordre de 40 à 70 %. On compte en France environ 10 millions de logements collectifs dont 3 millions sont des logements sociaux. Quelques valeurs indicatives Dans le secteur résidentiel, les besoins énergétiques dans un immeuble, peuvent être calculés par l expression : Becs = S 1,16. Vecs. DT. lp Avec : Becs = somme au niveau de l immeuble des consommations de chaque logement (Wh) Vecs = 35 litres par jour et par occupant. T = 45 K lp = nombre de personnes vivant dans le logement Nombre de pièces du logement Consommation (litre/jour) à 60 C Répartition mensuelle des consommations Utilisation Jan Fév Mars Avril Mai Juin Juil Août Sept Oct Nov Déc 1,25 1,20 1,10 1,05 1,00 0,80 0,50 0,60 0,90 1,05 1,15 1,40 (Source EDF : Eau chaude électrique Résidentiel et Tertiaire Mars 1987) Les valeurs suivantes ont été mesurées sur un par d environ 700 logements Jan Fév Mars Avril Mai Juin Juil Août Sept Oct Nov Déc Litres/jour/log à 55 C (Source EDF : Eau chaude électrique Résidentiel et Tertiaire Mars 1987) 15

16 Les besoins d ECS dans les hôtels Selon la catégorie d hôtel, la consommation journalière d eau chaude est de 70 à 160 litres par chambre et d environ 8 à 15 litres d eau chaude en cuisine, par couvert. La clientèle devient de plus en plus sensible à la protection de l environnement et l installation d équipements solaires dans un hôtel contribue à son image. En revanche, l intérêt des installations solaires dépend fortement du taux de remplissage de l établissement. Quelques valeurs indicatives: Type d établissement Observation Consommation d eau à 60 C Hôtel 1 * Douche collective 70 l / jour /chambre (1 pour 4 chambres) Hôtel 2/3 * Baignoire l / jour /chambre Hôtel 4/5 * Baignoire + douche 160 l / jour /chambre Hôtel 2 * Neige Baignoire 160 l / jour /chambre (Source : Calculs pratiques de plomberie sanitaire. Editions Parisiennes) Besoins d ECS en litres/jour/chambre à 60 C Utilisation Jan Fév Mars Avril Mai Juin Juil Août Sept Oct Nov Déc 4 saisons Vacances d été Vacances d hiver Coefficient correcteur à appliquer Nombre d étoiles Sans 0,65 * 0,75 ** 1,00 *** 1,35 **** 1,50 Lieu géographique Montagne 1,35 Mer 1,00 Campagne 1,00 Ville 1,00 Présence d une laverie Oui 1,25 Non 1,00 (Source EDF : Eau chaude électrique Résidentiel et Tertiaire Mars 1987) Les établissements de santé et les résidences pour personnes âgées La France dispose d un système hospitalier dense et diversifié. Les 1061 établissements publics côtoient 2721 hôpitaux privés et cliniques, soit 3782 établissements au total, représentant lits et places. En 1995, tous secteurs confondus, la France offrait un accueil des personnes âgées dans établissements représentant 19 millions de m2 et environ lits. Ces établissements ont des besoins d eau chaude importants. Ils sont sensiblement constants tout au long de l année. La consommation journalière est d environ 60 litres par lit, auxquels s ajoutent les besoins des cuisines (8 à 15 litres par repas) et ceux des buanderies (6 litres par kg de linge). Quelques valeurs indicatives: Type d établissement Observation Consommation d eau à 60 C Hôpital et clinique Hors restauration et 60 l / jour /lit buanderies Maison de retraite Hors restauration et 60 l / jour /lit buanderies (Source : Calculs pratiques de plomberie sanitaire. Editions Parisiennes) 16

17 Autres établissements Type d établissement Observation Consommation d eau à 60 C Foyers Lavabo + douche 60 l / jour /chambre (Chambres individuelles) WC collectif Cuisine collective Ecole Majorité d élèves en 1/2 5 l / jour /élève pension Caserne et internat Hors restauration et 30 l / jour /personne buanderie Camping 4 * Sanitaire collectif + 60 l / jour /emplacement lavage vaisselle Usine (Vestiaire) Hors process, pour les 20 l / jour /personne employés Bureaux 5 l / jour /personne (Source : Calculs pratiques de plomberie sanitaire. Editions Parisiennes) Autres usages (A ajouter selon les cas) Type d établissement Observation Consommation d eau à 60 C Gymnases Vérifier la nature des 30 l / utilisateur sports pratiqués (Football ou rugby : + 50 %) Restaurant Repas ordinaire Repas luxe Petit déjeuner 8 l / repas 12 à 20 l / repas 2 l / repas Cantine Cuisine de réchauffage Repas normal 3 l / repas 5 l / repas Buanderie Hôtel 4/5 * Cycle court Cycle automatique (Source : Calculs pratiques de plomberie sanitaire. Editions Parisiennes) 7 l / kg de linge 6 l / kg de linge 5 l / kg de linge Répartition mensuelle du nombre de repas en restauration Utilisation Jan Fév Mars Avril Mai Juin Juil Août Sept Oct Nov Déc 4 saisons 0,85 0,78 0,77 0,73 0,78 1,05 1,24 1,25 1,28 1,28 1,00 0,99 Vacances d été 0 0,23 0,27 1,24 1,43 1,8 2,05 2,23 1,72 1, Vacances d hiver 0,70 1,79 0,9 1,79 0,9 1,34 1,68 1,68 1, ,22 (Source EDF : Eau chaude électrique Résidentiel et Tertiaire Mars 1987) 17

18 2.3 Le chauffage de l eau par l énergie solaire Une installation de production d eau chaude sanitaire par l énergie solaire comporte en général 5 sous-ensembles : un sous ensemble de captage, un sous-ensemble de transfert, un sous-ensemble de stockage, un sous-ensemble d appoint, un sous-ensemble de distribution. La réduction des consommations d énergie par rapport à une installation classique, dépend du climat, du lieu d implantation des capteurs solaires, du dimensionnement et de la conception du système, ainsi que du choix des composants et de leur maintenance. Il est donc nécessaire, lors de l étude d un projet, de rechercher le meilleur ajustement économique de la taille des équipements solaires aux besoins à satisfaire, ainsi qu une conception optimale des sous-systèmes, de manière à : optimiser le captage et le stockage de l énergie solaire, dissocier l énergie solaire et l énergie d appoint, consommer en priorité l énergie solaire, conserver à l énergie d appoint un caractère de stricte complémentarité. Captage Transfert Stockage Distribution Régulation Appoint 18

19 La régulation Batterie de Capteurs solaires Le captage RD Vers Circuit Appoint E.C.H L appoint TH Stockage TH RT Le stockage Le transfert TH MA MA Déflecteur MA EF VE Raccordement vidange Manchette Témoin La distribution Vanne à boisseau sphérique normalement ouverte Vanne à boisseau sphérique normalement fermée MA TH Manomètre Thermomètre Vanne d'équilibrage Sonde de régulation Clapet anti retour Soupape de sécurité Purgeur d'air automatique RD Vase d'expansion Régulateur différentiel Circulateur tecsol.fr BP Technosud Perpignan Cédex Tel : Fax : Schéma n André-JOFFRE Schéma de principe eau chaude sanitaire 19

20 2.3.1 Le captage Une installation de production d eau chaude sanitaire par l énergie solaire est généralement constituée de capteurs solaires plans à circulation de liquide qui effectuent la conversion du rayonnement électromagnétique émis par le soleil, en chaleur et permettent le transfert de cette énergie calorifique en la cédant à un fluide caloporteur Principes de fonctionnement Un capteur solaire plan est essentiellement constitué d une surface absorbante exposée au rayonnement solaire, qui échange avec un fluide caloporteur, les calories produites par absorption du rayonnement incident, et émet en s échauffant un rayonnement thermique de plus grande longueur d onde (Loi de Stefan-Boltzman). Puissance émise 5800 K λ(µ m) Rayonnement 0,5 1 solaire 2 3 UV Visible Infra Rouge 0,4 0,8 Puissance émise émise 450 C 150 C Rayonnement thermique λ(µ m) Rayonnement solaire Rayonnement thermique Si cet absorbeur est en contact direct avec l air environnant, en plus des pertes par rayonnement, les pertes par convection peuvent être importantes. Il s établit alors un équilibre thermique entre l absorbeur et le milieu ambiant. On capte ainsi peu d énergie. Pour réduire les pertes par la face arrière du capteur, l absorbeur est placé à l intérieur d un coffre dont les parois internes sont recouvertes d un isolant thermique (laine de verre ou mousse synthétique, par exemple). L isolation thermique de la face avant est réalisée en interposant entre l absorbeur et l air, un matériau opaque au rayonnement thermique, mais transparent au rayonnement solaire. Les verres et certains matériaux synthétiques sont transparents pour le rayonnement solaire, et opaques pour le rayonnement infrarouge lointain. Ils sont donc utilisés en tant que couvertures transparentes des capteurs solaires. Dans un capteur équipé d une couverture transparente, le rayonnement thermique émis par l absorbeur est absorbé par la couverture transparente qui s échauffe et rayonne à son tour par les deux faces. En première approximation, on peut considérer qu une moitié du rayonnement se disperse dans le milieu extérieur et que l autre moitié, réémise vers l absorbeur est à l origine de l effet de serre. 20

21 C o. n Cv o n v e x i o n 15 C 1000 Pertes avant (347) Pertes optiques Pertes thermiques (121) (226) R a y o n R. a y o n. Flux incident 35 C Couverture C Absorbeur 819 Flux utile 543 (Flux en W/m2) Pertes arrières 50 Les couvertures ont également pour rôle de limiter les pertes par convection, étant donné que les échanges thermiques entre deux plaques séparées par une lame d air immobile, se font essentiellement par conduction et qu il est connu que l air immobile est un bon isolant thermique. Cet effet d isolation croît avec l épaisseur de la lame d air séparant les deux surfaces, tant que le phénomène de transfert reste conductif (2 à 3 cm d épaisseur). Au delà, les effets de la convection naturelle viennent contrarier l effet recherché. 1 : couverture transparente 2 : ailette 3 : grille tubulaire 4 : isolant thermique Coupe d un capteur solaire plan Une autre méthode pour réduire les pertes du capteur est la réalisation, sur la surface de l absorbeur, d un revêtement sélectif, présentant un coefficient d absorption le plus élevé possible pour les longueurs d onde du spectre solaire (inférieures à 2,5 µm) tout en ayant 21

22 une émissivité la plus faible possible dans le domaine de l infrarouge correspondant au rayonnement de l absorbeur (longueurs d onde supérieures à 2,5 µm). De tels revêtements sélectifs sont réalisés par dépôt chimique ou par traitement électrochimique de la surface absorbante. Enfin les capteurs sous vide permettent de réduire les pertes par convection en plaçant l absorbeur à l intérieur d une enceinte en verre dans laque lle un vide d air à été fait. Tube sous vide Tube en Pyrex Coupe d un capteur sous vide Vide Tube en cuivre 22

23 Bilan énergétique global En régime permanent de fonctionnement, on obtient l équation caractéristique d un capteur solaire plan en écrivant son bilan énergétique global. Q u = Q a _ Q p Expression dans laquelle : Q u est la puissance cédée au fluide caloporteur, Q a est la puissance solaire absorbée, Q p est la puissance correspondant aux pertes thermiques. Pour évaluer l énergie absorbée par le capteur, il faut théoriquement distinguer dans l énergie incidente, les parts du rayonnement direct et du rayonnement diffus, en les affectant de coefficients de transmission et d absorption appropriés. Toutefois, dans la pratique, on considère la composante normale au plan du capteur, du rayonnement solaire global incident. Dans ces conditions, la puissance absorbée, en Watts, est donnée par l expression: Q a = A. τ s. α s. G Dans laquelle : - A est la surface d entrée du capteur en m 2, - τ s et α s sont les valeurs moyennes des coefficients de transmission de la couverture transparente et d absorption de l absorbeur sur l ensemble du spectre solaire, - G est l éclairement énergétique global en W/m 2 (de surface d entrée), mesuré dans le plan du capteur. Compte tenu de l épaisseur relativement faible d un capteur plan, on peut, en première approximation, négliger les pertes par les parois latérales et ne considérer que les pertes par les faces avant et arrière. La puissance correspondante est alors : Q p = Q AV + Q AR Ramenées à l unité de surface de l absorbeur, toutes les pertes, qui sont des flux thermiques du capteur vers l extérieur, peuvent être exprimées en fonction de la différence de température qui les provoque, par : Q AV / A = U AV (T m -T a ) et Q AR / A = U AR (T m -T a ) Soit : Q A / A = U (T m -T a ) Avec : U = U AV + U AR U AV = coefficient de déperditions thermiques par la face avant (W/m2. K) U AR = coefficient de déperditions thermiques par la face arrière (W/m2. K) T m = température moyenne de l absorbeur T a = température ambiante moyenne 23