Scénario 2 Chauffe eau solaire thermique individuel

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1 ERM AUTOMATISMES INDUSTRIELS 280 Rue Edouard Daladier CARPENTRAS Tél : Fax : Site : Contact@erm-automatismes.com Scénario 2 Chauffe eau solaire thermique individuel

2 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 2/62 Sommaire 1 Présentation du Scenario Objectifs Compétences acquises Scénario d étude Fiche pathologique Source : Agence qualité construction Le constat Le diagnostic Les bonnes pratiques Document à consulter Introduction aux modules du logiciel Onglet «Projet» Onglet «Modèle» Onglet «Eau chaude sanitaire» Onglet «Solaire» Les différents types de rapports Vue d ensemble des résultats Rentabilité Résultats du système Résultats des composants Evaluation tableau Evaluation graphique Vue d ensemble des fluides Rapport professionnel Rapport comparatif Rapport économique Rapport bref Création des fichiers de simulation Chauffe eau solaire thermique individuel (Système de base) Chauffe eau solaire thermique individuel (Défaut de débit de fluide caloporteur) Chauffe eau solaire thermique individuel (Défaut de Régulation) Chauffe eau solaire thermique individuel (Défaut d isolation) Exploitation des résultats CESI (Défaut de débit) CESI (Défaut de régulation) CESI (Défaut d isolation) Conclusion... 62

3 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 3/62 1 PRESENTATION DU SCENARIO Objectifs A la fin de cette manipulation sur le logiciel Polysun, vous pourrez vous rendre compte des gains apportés par un système solaire thermique pour la production d eau chaude sanitaire. Rendement de l installation Production énergétique annuelle Impact des défauts de conception 1.2 Compétences acquises L acquisition de compétences va porter sur : Maîtrise d un logiciel Connaissances générales en génie énergétique, en particulier sur le sujet du solaire thermique 1.3 Scénario d étude Vous êtes actuellement en bureau d étude et vous devez réaliser une étude concernant les systèmes solaires thermiques. A l aide du logiciel Polysun, vous allez créer un système traditionnel sans défaut de conception. Le but du scénario d étude sera d évaluer l impact des défauts de conception sur les gains énergétiques. Au cours du scénario vous serez amenés à générer différents rapports que vous exploiterez lorsque vous répondrez au questionnaire.

4 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 4/62 2 FICHE PATHOLOGIQUE SOURCE : AGENCE QUALITE CONSTRUCTION 2.1 Le constat Les désordres sur les systèmes solaires thermiques sont de deux types : Fonctionnels o mauvaise implantation, orientation des capteurs solaires, o circulation de fluide dans les capteurs insuffisante, o surface de capteur surdimensionnée par rapport à la capacité de stockage et aux besoins ; Performanciels L'énergie solaire est insuffisante pour produire de l'eau chaude sanitaire toute l'année, un appoint avec une autre énergie est donc nécessaire. Une conception défectueuse ou un réglage mal maîtrisé de la régulation peut générer une surconsommation de l'énergie d'appoint. 2.2 Le diagnostic Il existe plusieurs types de chauffe-eau solaires individuels dont l'appoint peut être soit intégré par résistance dans le ballon, soit séparé et produit par une chaudière de chauffage central (voir schéma cidessous). Désordres fonctionnels Un arbre peut constituer un écran, et également une source de feuilles se déposant sur les capteurs : des capteurs encrassés, et/ou avec une exposition ne permettant pas la réception optimum des rayons du soleil, voient leur rendement diminuer.

5 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 5/62 En l'absence de soleil et par température extérieure négative, il y a risque de gel de fluide solaire circulant dans les capteurs si les pentes (contribuant à assurer la vidange automatique) ne sont pas assurées (Pour les systèmes auto-vidangeables) ou si le taux de glycol dans le fluide solaire n est pas suffisant. L'absence ou l'insuffisance de protection antigel est à l'origine du gel des tubes dans les capteurs et dans la tuyauterie de liaison située à l'extérieur. Les fournisseurs de capteurs solaires proposent souvent, avec le ballon, un ensemble comprenant une pompe de circulation d'eau, une soupape de sécurité, un vase d'expansion, un clapet de non-retour et quelquefois un dispositif de décharge. La pompe fournit un débit d'eau pour une hauteur manométrique disponible. Le dimensionnement de cette dernière est fonction de la longueur de la liaison entre les capteurs et le ballon, et de la complexité de son parcours. Si la distance entre le capteur et le stockage est trop longue, ou bien si le réseau comporte un grand nombre de coudes, sa résistance hydraulique augmente et la pompe initiale peut ne pas être suffisamment puissante. La présence d'air perturbe les échanges thermiques dans le capteur contribuant à l'élévation de sa température et à diminuer la performance de l'installation. Les capteurs solaires sont très rarement occultables et ne peuvent pas être protégés de l'ensoleillement. En cas de mauvais dimensionnement ou de non soutirage de l'eau chaude sanitaire, l'eau primaire surchauffe. Son augmentation de volume et de pression est absorbée dans les premiers temps par le vase d'expansion. Si l'installation est mal dimensionnée, la soupape de sécurité s'ouvre. En cas de défaut d'entretien elle peut rester bloquée, entraînant la déformation des capteurs. La mise en place d'un mitigeur en sortie du ballon évite les risques de brûlure est obligatoire. En cas d'absence prolongée de soutirage d'eau chaude sanitaire, les capteurs doivent être occultés ou un dispositif de décharge mis en place pour évacuer l'énergie non consommée et éviter la montée en température non maîtrisée de l'eau du circuit primaire et de l'eau chaude sanitaire. Désordres liés au défaut de performance Le contrôle du différentiel de température de l'eau, en sortie des capteurs et bas du ballon, est indispensable. La pompe ne doit en effet fonctionner que lorsque l'énergie solaire est suffisante pour élever la température de l'eau dans les capteurs. En l'absence de ce contrôle, la pompe pourrait fonctionner et envoyer de l'eau chaude, produite par l'énergie d'appoint, dans les capteurs. Un dysfonctionnement de ce contrôle peut également entraîner l'utilisation intempestive de l'énergie d'appoint alors que l'énergie solaire assure seule le chauffage de l'eau. Dans les deux cas, il y a surconsommation de l'énergie d'appoint. 2.3 Les bonnes pratiques S'assurer de l'absence de masques ou de risques d'occultation des capteurs lors de l'installation. Optimiser l'orientation les capteurs. Ne pas surdimensionner la surface de capteurs. Protéger l'installation contre le gel. Mettre des purgeurs avec vannes d'isolement en point haut de l'installation et introduire l'eau glycolée en éliminant l'air contenue dans le réseau.

6 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 6/62 L'essentiel Vérifier que les caractéristiques de la pompe sont cohérentes avec la configuration de la liaison capteurs/ballon. Vérifier les sécurités : soupapes de sécurité, asservissement de la pompe aux contrôles de température de l'eau en sortie des capteurs. Vérifier la régulation. Informer l'utilisateur sur la nécessité qu'il vérifie périodiquement son installation et faire l'entretien de l'installation par un professionnel. Concevoir l'implantation des capteurs en optimisant l'ensemble masques / orientation / inclinaison. Adapter le dimensionnement du dispositif aux besoins réels. Vérifier et faire entretenir les dispositifs qui peuvent déclencher à mauvais escient la production d'énergie d'appoint. Vérifier la quantité de glycol tous les deux ans. Conseiller de souscrire un contrat de maintenance. 2.4 Document à consulter DTU : Réalisation des capteurs solaires plans à circulation de liquide pour le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire. DTU 60.1 : Plomberie sanitaire. DTU de la série 40 : Couverture. Cahiers du CSTB n 1612, 1613, 1614, 1827 et 1983.

7 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 7/62 3 INTRODUCTION AUX MODULES DU LOGICIEL 3.1 Onglet «Projet» Pour commencer, double cliquez sur l exécutable du logiciel Polysun. Le logiciel se lance et ensuite la fenêtre suivante apparait à l écran. Vous êtes actuellement dans l assistant du logiciel. L assistant est composé de différents onglets selon le type de système étudié. Les onglets «Projet» et «Modèle» sont communs aux différents systèmes. Cet onglet permet de renseigner les caractéristiques générales du projet. Vous pourrez donc donner un nom à votre projet d étude et également saisir le nom du client. Vous pourrez également choisir la situation géographique du site à l aide d une base de données ou d une carte. Vous renseignerez aussi la tension d alimentation présente sur le site. Une fois que vous aurez donné un nom à votre projet cliquez sur «Ouvrir le plan» pour renseigner les données géographiques.

8 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 8/62 Une fois le lieu sélectionné, il faudra cliquer sur «OK». Pour notre étude nous avons choisi Carpentras. Grâce à sa base de données, le logiciel renseigne automatiquement les masques solaires présents sur le site d implantation du projet.

9 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 9/ Onglet «Modèle» L onglet suivant est une aide à la sélection du système à étudier. Onglet «Modèle» : Ce module permet de choisir le système le plus approprié à notre besoin en abordant les points suivants : Les postes de consommations Le générateur d énergie Le type d installation A l aide de plusieurs menus déroulants, vous filtrerez les systèmes qui vous intéressent.

10 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 10/ Onglet «Eau chaude sanitaire» Ce module concerne les besoins en eau chaude sanitaire. Les caractéristiques que vous pourrez modifier sont les suivantes : Nombre d occupants Température de puisage Besoin annuel Besoin journalier Période d absence

11 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 11/ Onglet «Solaire» L onglet «Solaire» concerne les données techniques de l installation. Les caractéristiques que vous pourrez modifier sont les suivantes : Orientation / inclinaison Type de capteur Le nombre de capteurs Taux de couverture souhaité (Bas / Moyen / Haut) Surface Volume du réservoir Type de réservoir

12 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 12/62 4 LES DIFFERENTS TYPES DE RAPPORTS 4.1 Vue d ensemble des résultats La vue d ensemble des résultats permet de se faire une première idée sur la configuration plus ou moins correcte du système. Seuls les résultats les plus importants seront affichés ; les valeurs annuelles sont présentées sous forme de tableau. Les valeurs relatives aux lignes sélectionnées dans le tableau sont illustrées en bas sous forme de diagramme à barres. La vue d ensemble des résultats prend une certaine importance si les deux installations doivent être comparées l une avec l autre dans un diagramme. A cet effet, il sera nécessaire de configurer une variante de référence. 4.2 Rentabilité Dans les tableaux, le calcul économique est séparé selon différentes typologies énergétiques. Dans chaque tableau, les frais relatifs à l achat, à la manutention, aux coûts des combustibles, aux financements ou autres pourront être définis séparément. Après les avoir introduits, les résultats sont re-calculés dans la partie en bas de la page écran. Une vue d ensemble des résultats sera affichée ainsi qu une fiche avec des indications plus détaillées pour chaque typologie énergétique. En quittant le calcul économique avec «OK», les configurations seront enregistrées avec la variante. De plus, on peut enregistrer les configurations pour de nouvelles variantes comme des valeurs préétablies.

13 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 13/ Résultats du système La fonction permet d afficher les valeurs mensuelles relatives à l installation complète et aux différents circuits du fluide et du courant aussi bien en tableau qu en diagramme à barres. La pageécran offre une excellente vue d ensemble des valeurs les plus importantes.

14 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 14/ Résultats des composants La fonction permet d afficher les valeurs mensuelles relatives aux différents composants aussi bien en tableau qu en diagramme à barres (les valeurs correspondant aux lignes sélectionnées dans le tableau). La page-écran est donc particulièrement utile dans l analyse du fonctionnement des différents composants et dans la recherche d éventuelles causes d erreurs.

15 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 15/ Evaluation tableau Ce grand tableau (disponible seulement dans la version Designer) montre des valeurs horaires de tous les composants. Suggestion : en cliquant sur le bouton (Afficher la fenêtre de sélection) on affichera des dossiers relatifs aux différents composants. Cliquer deux fois sur les composants désirés. Puis sélectionner une valeur et confirmer avec «OK». Le tableau montrera la colonne correspondante.

16 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 16/ Evaluation graphique La fonction permet une évaluation graphique détaillée et personnalisée des résultats de simulation. Procéder comme il est indiqué ci-dessous : Sélectionner la semaine ou le mois. Cliquer sur le bouton «Ajouter courbe». Une fenêtre contenant les dossiers des différents composants est affichée. Cliquer deux fois sur les composants désirés. Puis sélectionner une valeur et confirmer avec OK. Il apparaît ensuite une courbe avec les valeurs horaires relatives aux composants sélectionnés pour la période indiquée. Pour comparer les données, on pourra ajouter d autres courbes. Le bouton «Eliminer la courbe» permet d éliminer les courbes sélectionnées (mises en évidence en rose).

17 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 17/ Vue d ensemble des fluides Des dossiers en arbre qui apparaissent en choisissant cette page-écran indique quel fluide caloporteur coule dans quel circuit et par quels composants les circuits en question sont constitués. En appuyant sur le bouton caloporteur. (modifier le fluide caloporteur), il sera possible de modifier le fluide

18 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 18/ Rapport professionnel Le rapport professionnel de Polysun est le rapport le plus complet. Tout est détaillé dans ce rapport sauf le point de vue économique. Toutes les données techniques sont présentes dans ce rapport. Ce type de rapport est très utilisé en phase APD du projet (Avant Projet Définitif) car toutes les données essentielles du rendement et de la production énergétique sont recensées. Voir dossier Annexes. 4.9 Rapport comparatif Le rapport comparatif permet de comparer deux variantes. Il vous suffit de sélectionner la variante de référence et le logiciel générera un rapport comparatif. Il vous permettra en un coup d œil de se rendre compte du système le plus performant. Les résultats seront affichés sous forme de courbes et de tableaux. Ce type de rapport est parfait pour sélectionner le système le plus adapté. Voir dossier Annexes.

19 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 19/ Rapport économique C est un rapport professionnel comprenant une étude économique. Le rapport économique permet de calculer la rentabilité du système par rapport au prix de l installation. Vous pourrez également renseigner le prix de l énergie ainsi que l augmentation du prix de l énergie par an. Le logiciel prend aussi en compte les moyens de financement. Vous pourrez renseigner la valeur du prêt ainsi que son tau d intérêt et la durée de paiement. Les résultats économiques seront affichés sous forme de tableau dans le rapport. Voir dossier Annexes Rapport bref Le logiciel Polysun est capable de générer des rapports simples et succincts. Ce rapport comporte toutes les données géographiques du site et le diagramme du rendement photovoltaïque. Ce rapport permet de nous donner une idée de la production solaire annuelle. Ce type de dossier est fréquemment utilisé en phase APS du projet (Avant Projet Sommaire). Voir dossier Annexes. 5 CREATION DES FICHIERS DE SIMULATION 5.1 Chauffe eau solaire thermique individuel (Système de base) Un promoteur immobilier situé dans le Vaucluse (84) est intéressé par les systèmes solaires thermiques. Il projette de vendre des maisons clés en main équipées de systèmes utilisant les énergies renouvelables. La maison en question est une villa de plein pied d une surface habitable de 130m² et de type T3. Cet ouvrage sera adapté à une famille de quatre personnes. L inclinaison de la toiture est de 30. Le promoteur avait dans l idée d installer des capteurs les plus performants possibles en intégration de toiture. Vous êtes en bureau d étude et vous êtes chargé de réalisé l étude du système solaire thermique. Les capteurs seront de très bonne qualité. Les données géographiques sont les suivantes : Latitude= Longitude=5.048 Altitude=84m Fuseau horaire=1 Température extérieure=0 C Nous allons maintenant commencer à créer notre fichier de simulation. Commencez tout d abord par double cliquez sur l exécutable de Polysun pour lancer le logiciel. La fenêtre suivante apparait à l écran.

20 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 20/62 Donnez un nom à votre projet. Pour notre cas nous avons choisi «CESI». Pour les données géographiques vous n aurez qu à ouvrir le plan et sélectionner le site de votre choix. Pour notre cas nous avons choisi un site à Carpentras comme vous pouvez le voir sur l image suivante. Vous pourrez ensuite cliquer sur Ok et la fenêtre suivante apparait.

21 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 21/62 Vous pourrez donner un nom au site géographique puis cliquez sur Ok. En fonction du site géographique, le logiciel sera capable de tracer la ligne d horizon autrement dit les masques solaires lointains. Vous pouvez désormais cliquer sur «Suivant» et la fenêtre suivante apparait à l écran.

22 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 22/62 Cet onglet va vous aider à sélectionner le système le mieux adapté à vos besoins. Dans notre cas nous recherchons un système solaire thermique simple, donc vous n avez qu à reproduire ce qui affiché sur l image suivante.

23 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 23/62 Sélectionnez «8av: Eau chaude (solaire thermique, haut débit)» qui est affiché dans la liste situé à droite de l écran. Une fois le système sélectionné, vous pourrez passer à l onglet «Eau chaude sanitaire» qui concerne les besoins en eau chaude. A l aide du tableau ci-dessous, estimez la consommation d eau chaude à 60 d une famille de 4 personnes vivant dans une villa avec une cuisine (1 évier) et une salle de bains (1 lavabo, 1 douche). Réponse : Consommation d eau chaude : =165L, soit par personne Calculez le besoin énergétique journalier et annuel pour la production d eau chaude (Pour cela, considérez une température d eau froide de 10 C). En déduire la consommation journalière en eau chaude à 50 C. Réponse : Besoin énergétique journalier, en Wh : (60-10)=9570Wh Besoin énergétique annuel, en kwh : 9.570x365=3493kWh Consommation journalière en eau à 50 C : 9570/1.16/(50-10)=206L Vous pouvez renseigner l onglet «Eau chaude sanitaire» comme suit.

24 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 24/62 Cliquer sur «Suivant» et la fenêtre suivante apparait. L inclinaison des panneaux est à modifier car la toiture de la maison témoin est inclinée à 30. Vous allez également modifier le type et le nombre de capteurs ainsi que le type de réservoir.

25 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 25/62 Pour modifier les capteurs, cliquez sur et la base de données du logiciel s ouvre. Dans la case filtre, tapez «EURO C22 AR» et la liste disparait comme vous pouvez le voir sur l image suivante. Sélectionnez le capteur restant dans la liste et cliquez sur Ok. A la place de 1 capteur mettez deux capteurs.

26 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 26/62 Vous allez maintenant modifier le type de réservoir, pour se faire cliquez sur et la fenêtre suivante apparait à l écran. Dans la case filtre, tapez «300l réservoir eau potable» et la liste disparait comme vous pouvez le voir sur l image suivante. Sélectionnez le premier réservoir de la liste et cliquez sur Ok pour fermer la base de données.

27 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 27/62 Vous pouvez désormais cliquer sur «Accepter» pour finaliser la création du système et la fenêtre suivante apparait. Estimez le taux de couverture des besoins en eau chaude sanitaire par le CESI. Réponse : TauxCouverture = (Quse Qaux)/Quse = 81.7% 81.7% des besoins énergétiques sont donc assurés par le solaire. Expliquez pourquoi Qsol n est pas constant? Réponse : Qsol varie en fonction de l inclinaison, de l orientation, de la qualité de l installation, des masques solaires ainsi que des intempéries. Fermez cette fenêtre et enregistrez votre travail. Vous venez de terminer la création du fichier «Chauffe eau solaire thermique individuel (Système de base)».

28 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 28/ Chauffe eau solaire thermique individuel (Défaut de débit de fluide caloporteur) Vous venez de terminer la création de l installation solaire thermique sans défaut et vous vous apprêtez à créer une variante similaire à l installation précédente à quelques détails prêts : le débit du circulateur va être modifié. Sur une installation bien réglé, le débit doit être de 35L/h par m² de capteur, soit 35x2.4x2=168L/h dans notre cas. On va travailler ici à 20% du débit cible, soit 30L/h. Pour modifier le débit rendez vous sur l écran principal dans la rubrique projet et faites «Click droit» sur la variante et sélectionnez «Copier la variante». La fenêtre suivante apparait à l écran.

29 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 29/62 Nommez le «8av: Eau chaude (solaire thermique, haut débit) débit» et cliquez sur OK. Pour effectuer les modifications, double cliquez sur le circulateur présent sur le schéma de la variante «8av: Eau chaude (solaire thermique, haut débit) débit» et la fenêtre suivante apparait. Nous allons maintenant modifier le débit du circulateur. Pour se faire, sur la ligne «Débit déterminant» modifiez le paramètre et sélectionnez «Débit fixe».

30 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 30/62 Ensuite allez à la ligne «Débit fixe» et modifiez le paramètre à 30l/h. Cliquez sur Ok pour fermer cette fenêtre. Double cliquez ensuite sur le régulateur de la pompe de circulation solaire et fenêtre suivante apparait à l écran.

31 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 31/62 Allez à la ligne «Définition du débit nominal» et remplacez le paramètre par «Débit fixe». Ensuite sur la ligne «Débit fixe» mettez 30l/h comme sur l image ci-dessous. Cliquez ensuite sur Ok et enregistrer votre travail.

32 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 32/ Chauffe eau solaire thermique individuel (Défaut de Régulation) Nous allons évaluer l impact d un mauvais paramétrage du régulateur. Pour notre étude, cela concernera les différences de température de mise en marche et d arrêt de la pompe solaire. Dans une configuration normale, le circulateur se met en route lorsque la différence de température entre la sortie capteurs et le bas du réservoir est supérieure à 6 C. Il s arrête lorsqu elle redevient inférieure à 2 C. Nous allons estimer l impact de mauvais réglages (20 et 9 C au lieu de 6 et 2 C). Faites une copie du fichier.pse que vous venez de créer et nommez-le «CESI (régulation)». Double cliquez sur le fichier pour lancer le logiciel et la fenêtre suivante apparait. Supprimez la variante «8av: Eau chaude (solaire thermique, haut débit) débit». Pour se faire, faites «Click droit» sur la variante et cliquez sur «Supprimer la variante».

33 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 33/62 Copier la variante de référence comme vous l avez fait précédemment. Nommez la «8av: Eau chaude (solaire thermique, haut débit) régulation». Une fois la nouvelle variante créée, double cliquez sur le régulateur de la pompe de circulation solaire et la fenêtre suivante apparait.

34 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 34/62 Sur cette fenêtre deux paramètres sont à modifier. Rendez vous sur la ligne «Différence de température de mise en marche» et remplacez la valeur actuelle par 20 C. Ensuite sur la ligne Différence de température d arrêt et remplacez la valeur actuelle par 9 C. Les différences de température d arrêt et d enclenchement sont alors très importantes. Si l eau ne circule pas, alors l échange thermique qui se produit au niveau du ballon ne se fait pas.

35 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 35/62 Cliquez ensuite sur Ok pour appliquer et fermer cette fenêtre. Nous allons maintenant modifier la régulation de l énergie d appoint. Pour se faire double cliquez sur le régulateur de l énergie d appoint et la fenêtre suivante apparait à l écran.

36 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 36/62 Deux paramètres sont à modifier sur cette fenêtre. Rendez vous à la ligne «Hystérésis de mise en marche 1» remplacez le paramètre existant par 5 C. Ensuite sur la ligne «Hystérésis d arrêt 1» remplacez le paramètre existant par 15 C. L hystérésis correspond à un retard de l enclenchement et de l arrêt du chauffage d appoint. Cliquez sur Ok pour enregistrer les modifications et fermer la fenêtre. Vous venez de terminer la création de la variante «8av: Eau chaude (solaire thermique, haut débit) régulation».

37 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 37/ Chauffe eau solaire thermique individuel (Défaut d isolation) Dans une installation solaire thermique il est très important d isoler les tubes de manière à limiter les pertes. De plus si l installation est à l arrêt et que l eau de l installation n est pas mélangée avec une quantité suffisante de glycol alors il y un risque de gel. Nous allons estimer l impact de tubes non isolés ou avec une isolation dégradée. Faites une copie d un des fichiers de simulation puis nommez le «CESI (Isolation)». Double cliquez ensuite sur le fichier que vous venez de renommer pour lancer le logiciel. Supprimez la seconde variante.

38 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 38/62 Vous allez maintenant faire une copie de la variante de référence et la nommer «8av: Eau chaude (solaire thermique, haut débit) isolation». Maintenant vous allez supprimer l isolation des tubes qui relient le ballon d eau chaude sanitaire au capteur. Sur l image ci-dessous vous pouvez voir les tuyaux concernés.

39 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 39/62 Pour modifier les paramètres des tuyaux, il vous suffit de double cliquer sur les tubes concernés. Le paramètre à modifier est situé sur la dernière ligne de la fenêtre ci-dessus. A la place de 20mm vous renseignerez 0mm. Faites ceci pour tous les tubes surlignés en rouge sur l image précédente.

40 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 40/62 Une fois toutes les modifications effectuées, vous pourrez enregistrer votre travail et commencer à répondre au questionnaire. 6 EXPLOITATION DES RESULTATS Vous avez maintenant deux fichiers Polysun avec une installation de référence similaire. Nous allons commencer par travailler sur le fichier «CESI (débit)». Ouvrez le fichier et rendez vous dans la rubrique «Projet», cliquez sur «8av: Eau chaude (solaire thermique, haut débit)» puis faites «Click droit» et sélectionnez «Variante en tant que référence». La fenêtre suivante apparait.

41 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 41/62 Cliquez sur Oui pour valider votre choix. Pourquoi stocke-t-on l eau à haute température? Voir ressource 1. Réponse : Il est préconisé de stocker l eau chaude sanitaire à 60 C afin d avoir une réserve d énergie mais aussi pour éviter le développement de bactéries légionella. Qu est ce que le phénomène de stratification? Réponse : C est la division en différentes strates (couches) d'un plan d'eau. Ces strates sont de densités différentes et de températures différentes. Générer les courbes des strates du ballon d eau chaude de la variante de référence. Commenter sur l intérêt de la stratification. Rendez vous dans la rubrique «Résultats» et sélectionnez «Evaluation graphique» comme vous pouvez le voir sur l image suivante.

42 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 42/62 Cliquez ensuite sur Ok pour valider votre choix. Un graphique vierge va apparaitre à l écran. Cliquez sur «Ajouter des courbes» et une liste va apparaitre. Double cliquez sur «Réservoir 3» pour afficher le reste de la liste.

43 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 43/62 Double cliquez ensuite sur chaque strate de manière à générer les courbes. Cliquez sur Ok.

44 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 44/62 Pour améliorer la lecture graphique, sélectionnez semaine 25 et cliquez sur. Réponse : Courbes des températures de chaque strate du ballon d eau chaude sanitaire : La différence de température entre le haut du ballon et le bas du ballon est très importante en fin de journée (Près de 40%). C est un phénomène très important pour le solaire thermique. En effet, cela permet de garder le plus longtemps possible la chaleur en haut du ballon pour le puisage d eau chaude sanitaire, sans avoir à mettre en route l appoint. Que se passerait-il s il n y avait pas de stratification dans le ballon de stockage? Réponse : Lors du puisage d eau chaude en partie haute, l eau froide entrant en partie basse serait mélangée avec le reste du réservoir pour avoir une température homogène. Si on observe la courbe du 24 juin, cela voudrait dire que la température au point haut serait une température moyenne (35 à 40 ) et non maximale (55 ). Rapidement, l appoint devrait se mettre en route. Le rendement du système solaire se dégraderait alors de manière conséquente puisque l appoint assurerait une partie plus importante de la production d ECS.

45 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 45/ CESI (Défaut de débit) Vous travaillez maintenant sur le fichier de simulation ou l on a modifié le débit du circulateur solaire. A l aide de ce rapport comparatif, calculer le gain obtenu du système le plus performant par rapport au moins performant. (Energie solaire thermique au système) Réponse : Système de référence : 3641kWh Second système : 2985kWh Gain= [(Qsol ref Qsol) * 100 ]/ Qsol ref =( )*100 / 3641 =18.75% On observe un gain d environ 19% de la variante de référence par rapport à la seconde variante. Calculer en pourcentage, ce que représente la consommation d énergie d appoint par rapport au besoin énergétique totale. Réponse : Variante de référence : E(tot) * 100 / Qdem = 668*100/3056=21.8% L appoint énergétique comble environ 22% des besoins annuels. Seconde variante : E(tot) * 100 / Qdem = 1128*100/3056=36.9% L appoint énergétique comble environ 37% des besoins annuels. Générer les courbes d enclenchement de la pompe du circuit solaire et générateur thermique intérieur en fonction de la température de sortie du capteur et la température de la strate 3. Faites un tracé pour la semaine 22 de la variante de référence et de la seconde variante (Défaut de débit) et expliquez ce qu il se passe. Comment générer ces quatre courbes? Sélectionnez la variante de référence puis dans la rubrique résultats, cliquez sur «Evaluation graphique».

46 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 46/62 Cliquez ensuite sur Ok pour commencer la simulation. Cliquez sur ajouter des courbes et la fenêtre suivante apparait.

47 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 47/62 Dans cette liste, sélectionnez les éléments suivant, en faisant «double clique» : Pompe circuit solaire Etat Capteur Température de sortie Réservoir 3 Strate 3 Réservoir 3 Générateur thermique intérieur Etat Nous allons maintenant améliorer l affichage de manière à pouvoir exploiter les courbes. Sélectionnez «Semaine 22» et les courbes vont changer.

48 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 48/62 Modifiez les axes comme sur l image ci-dessous en cliquant sur la case de la colonne «Axe» qui vous intéresse. Cliquez ensuite sur «Optimiser l échelle verticale» et vos courbes seront exploitables.

49 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 49/62 Variante de référence :

50 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 50/62 Variante défectueuse : La modification du débit du circulateur solaire a eu un impact sur la durée d enclenchement de la pompe. En effet sur le fichier défectueux la pompe se met en route et s arrête plus souvent que pour le fichier de référence. Ceci engendre une usure prématurée de la pompe. Le deuxième fait que l on peut constater est que le générateur d appoint est plus souvent sollicité. Ceci engendre une baisse du rendement de l installation. Comparez les schémas du flux énergétique pour chaque variante. Dans la rubrique «Résultats», sélectionnez «Schéma du flux énergétique. Réponse : Variante de référence :

51 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 51/62 Variante défectueuse : La variante de référence est bien plus performante que la seconde variante. Conclure sur l impact d un défaut de débit. Expliquer pourquoi. Réponse : Un débit insuffisant entraîne une perte de rendement importante du système solaire thermique. Cela est dû au fait que le transfert de calories entre les capteurs solaires et le ballon 300L est moindre qu avec un débit plus important.

52 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 52/62 Quelles peuvent être les causes d un débit trop faible? Réponse : Un débit trop faible peut être dû à un mauvais réglage du circulateur (Vitesse trop faible), mais plus sûrement à des pertes de charge trop importantes pour le circulateur. Voici quelques causes de pertes de charges trop importantes : Champ de capteurs très éloigné du réservoir Diamètre de tuyauterie insuffisant 6.2 CESI (Défaut de régulation) Vous allez maintenant utiliser le fichier ou l on créé un défaut sur la régulation. A l aide de ce rapport comparatif, calculer le gain obtenu du système le plus performant par rapport au moins performant. (Energie solaire thermique au système) Réponse : Système de référence : 3641kWh Second système : 3373kWh Gain= [(Qsol ref Qsol) * 100 ]/ Qsol ref =( )*100 / 3641 =7.36% On observe un gain d environ 7.36% de la variante de référence par rapport à la seconde variante. Calculer en pourcentage, ce que représente la consommation d énergie d appoint par rapport au besoin énergétique total. Réponse : Variante de référence : E(tot) * 100 / Qdem = 668*100/3056=21.8% L appoint énergétique comble environ 22% des besoins annuels. Seconde variante : E(tot) * 100 / Qdem = 870*100/3056=28.46% L appoint énergétique comble environ 28.46% des besoins annuels.

53 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 53/62 Générez les courbes d enclenchement de la pompe du circuit solaire et générateur thermique intérieur en fonction de la température de sortie du capteur et la température de la strate 3. Faites un tracé pour la semaine 22 de la variante de référence et de la seconde variante (Régulation). Expliquez ce qu il se passe. Pompe circuit solaire Etat Capteur Température de sortie Réservoir 3 Strate 3 Réservoir 3 Générateur thermique intérieur Etat Réponse : Variante de référence : Variante défectueuse :

54 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 54/62 La modification des paramètres de la régulation a eu un impact sur la mise en route et l arrêt de la pompe de circulation solaire. On peut également observer que le générateur d appoint est plus sollicité que pour la variante de référence. Comparez les schémas du flux énergétique pour chaque variante. Dans la rubrique «Résultats» sélectionnez «Schéma du flux énergétique. Réponse : Variante de référence :

55 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 55/62 Variante défectueuse : La variante de référence est plus performante que la seconde variante.

56 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 56/62 Conclure sur l impact d un défaut de réglage de régulation. Expliquer pourquoi. Réponse : Un mauvais réglage de la régulation (DeltaT trop important) entraîne une perte de rendement conséquente du système solaire thermique. Le circulateur du circuit solaire se met en route lorsque la différence de température entre la sortie capteurs et le bas du ballon est supérieure à la valeur «DeltaT Mise en marche». Dans la variante défectueuse, avec un «DeltaT Mise en marche» de 20, cela signifie que le temps d attente avant la mise en route du circulateur est plus long. Pendant ce temps-là, des calories ne sont pas transférées au réservoir, ce qui fait une différence substantielle en fin de journée, en particulier l hiver et en misaison. 6.3 CESI (Défaut d isolation) Vous allez utiliser le dernier fichier de simulation qui concerne l absence d isolation des tubes. A l aide de ce rapport comparatif, calculer le gain obtenu du système le plus performant par rapport au moins performant (Energie solaire thermique au système). Commenter. Réponse : Référence Système de référence : 3641kWh Second système : 3758kWh Gain= [(Qsol ref Qsol) * 100 ]/ Qsol ref =( )*100 / 3641 = -3.2% On observe un gain de -3.2% au niveau de la production d énergie solaire annuelle. Le second système produit plus d énergie. C est probablement dû au fait qu il y a plus de pertes (Canalisations non isolées), donc la production doit être plus importante pour les compenser. Comparez les schémas du flux énergétique pour chaque variante. Dans la rubrique «Résultats» sélectionnez «Schéma du flux énergétique.

57 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 57/62 Réponse Variante de référence : Variante défectueuse : En un coup d œil on s aperçoit que la variante de référence est plus performante que la seconde variante : la consommation d appoint est moindre.

58 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 58/62 A l aide des schémas du flux énergétique expliquez pourquoi nous avons un gain de -3.2%? Réponse : Pour un besoin similaire de 3055kWh, la variante sans isolation nécessite plus d énergie thermique solaire car les pertes de chaleur sont plus importantes par rapport à la référence. C est pour cela que Qsol > Qsol réf. Calculer en pourcentage, ce que représente la consommation d énergie d appoint par rapport au besoin énergétique totale. Réponse : Variante de référence : E(tot) * 100 / Qdem = 668*100/3056=21.8% L appoint énergétique comble environ 22% des besoins annuels. Seconde variante : E(tot) * 100 / Qdem = 724*100/3056=23.69% L appoint énergétique comble environ 23.7% des besoins annuels. Générer les courbes d enclenchement de la pompe du circuit solaire et générateur thermique intérieur en fonction de la température de sortie du capteur et la température de la strate 3. Faites un tracé pour la semaine 22 de la variante de référence et de la seconde variante (Isolation). Pompe circuit solaire Etat Capteur Température de sortie Réservoir 3 Strate 3 Réservoir 3 Générateur thermique intérieur Etat

59 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 59/62 Réponse : Variante de référence : Variante défectueuse : On observe deux graphiques quasiment similaires car l isolation des tubes a peu d impact sur notre installation solaire. Attention si la longueur des tubes avait été plus importante, on observerait une sollicitation anormale du générateur d appoint.

60 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 60/62 Nous allons maintenant rallonger les longueurs des tubes de manière à évaluer l impact que cela va avoir sur l installation. Comme vous l avez fait précédemment, modifiez les caractéristiques des tubes. Double cliquez sur les tubes surlignés en rouge et remplacez la longueur par 20m. Au total, on aura donc 40m de liaison entre le ballon et les capteurs au lieu de 10m précédemment.

61 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 61/62 Générez à nouveau la les courbes d enclenchement de la pompe du circuit solaire et générateur thermique intérieur en fonction de la température de sortie du capteur et la température de la strate 3. Faites un tracé pour la semaine 22 de la variante défectueuse (Isolation). Commentez le graphique par rapport à celui généré précédemment. Grâce à ce graphique on peut voir que le générateur d appoint est légèrement plus sollicité et que les temps de fonctionnement de la pompe de circulation solaire sont plus importants.

62 DOSSIER PEDAGOGIQUE Progiciel Polysun Scénario 2 CESI Page 62/62 7 CONCLUSION Quelles conclusions pouvez-vous tirer de ces simulations? Réponse : Défaut de débit : Le débit de réglage de la pompe de circulation solaire a un impact important sur la performance du système. Il occasionne une perte d environ 20% par rapport à la variante de référence. Ce mauvais réglage engendre une surconsommation de l énergie d appoint. Au lieu de couvrir 22% de nos besoins, l énergie d appoint est presque deux fois plus utilisée que pour la variante de référence. Défaut de régulation : La régulation a un léger impact sur la performance du système. Ce défaut occasionne une perte de 5.5% par rapport à la variante de référence. Ce défaut engendre une surconsommation de l énergie d appoint. L énergie d appoint couvre 28.4% de besoins en eau chaude sanitaire. Défaut d isolation du circuit solaire : Le défaut d isolation engendre une augmentation de : - l énergie solaire thermique au système - la consommation de combustible - des pertes Après avoir analysé les résultats de chaque simulation on peut dire que le défaut de débit est le désordre qui a le plus d impact sur les performances du système. Les défauts de régulation et de débits sont fréquents par rapport à l absence d isolation du circuit solaire car ces deux sinistres ne sont pas visibles.