Solaire thermique Chauffe-eau solaire

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1 Solaire thermique Chauffe-eau solaire Caractérisation du besoin en énergie pour l ECS Intégration d un CES dans le bâtiment Principe thermique du fonctionnement et schéma d un CES Capteur Réservoir Circuit primaire Régulation - Appoint Chauffage solaire Marché des CES en Belgique et en Europe Etude de cas, CES individuel Aspects économiques et environnementaux (Coût du kwh solaire CO 2 évité) Etapes d un projet CES Photos Exposé n 04 du cours ENER002 «Energies non conventionnelles» Bruxelles, 18 octobre 2005 Professeur : ir Michel Huart Faculté des Sciences Appliquées de l ULB Année académique 2005/ ER Source d énergie renouvelable Technologie ER Energie utile Soleil Capteur thermique, Séchage solaire, Four solaire Chaleur BT Chaleur HT Cuisson Eclairage Architecture (bio)climatique Froid Dessalement 2

2 Applications en fonction du besoin Chauffe eau solaire (ECS, Piscines, process ayant des besoins d ECS) Chauffage solaire (Réchauffer le retour du circuit de chauffage central) Séchage solaire (Aliments, vêtements, productions agricoles, ) Cuisson solaire Architecture climatique (solaire passif) Réfrigération solaire Autres besoins de chaleur BT Objectif du CES - Chauffer de l eau - pour des usages sanitaires de 10 C à 55 C - pour piscine : maintenir 28 C - autre : en fonction de l usage 3 Combien d énergie nécessite une douche ou un bain? Une douche débite 10 litres d eau à 40 C (mélange d eau froide à 10 C et d eau chaude à 55 C) par minute pendant 5 minutes La quantité d énergie nécessaire au chauffage de cette eau est de : 1,16 Wh/litre/ C x 50 litres x (40 C 10 C) = 1,74 kwh/douche Un bain de 100 litres nécessite en énergie : 1,16 Wh/litre/ C x 100 litres x (40 C 10 C) = 3,48 kwh/bain En terme d émission de CO2, cela dépend du système de chauffe Gaz naturel : 251 / η g/kwh η = rendement système (0,6 à 0,95) Mazout : 306 / η g/kwh Electricité : 456 / η g/kwh Solaire : 0 g/kwh Source : Taux d émissions de la CWaPE. Exemple : Une douche engendre une émission de 0,5 à 1kg de CO 2 4

3 Limiter les besoins en ECS Objectif premier = URE : Réduire la consommation d ECS pour réduire la consommation d énergie Comment? Réduire le temps d utilisation Réduire la pression Réduire le débit Réduire les fuites Supprimer l eau chaude dans certaines zones 5 Rayonnement solaire et chauffage de l eau Rayonnement solaire annuel à Bruxelles : kwh/m²/an Chauffer 1 litre d eau de 10 à 55 C demande une consommation de : 1,16 Wh/l/ C x 1 litre x (55 C - 10 C) = 52 Wh/litre Si on récupère 30 à 50% du rayonnement solaire, on peut chauffer : 5 à 10 m³ d eau par m² par an 6

4 CES dans le bâtiment (1) - Localisation des capteurs Toiture - Auvent - Localisation du réservoir Cave A l étage - Type d appoint Externe en série Interne Instantané Stockage Proximité usage Prox. Réservoir - Usage Unifamilial Collectif Source : APERe 8 CES dans le bâtiment (2) - Localisation des capteurs Toiture - Auvent - Localisation du réservoir Cave A l étage - Type d appoint Externe en série Interne Instantané Stockage Proximité usage Prox. Réservoir - Usage Unifamilial Collectif Source : APERe 9

5 CES dans le bâtiment (3) - Localisation des capteurs Toiture - Auvent - Localisation du réservoir Cave A l étage - Type d appoint Externe en série Interne Instantané Stockage Proximité usage Prox. Réservoir - Usage Unifamilial Collectif Source : APERe 10 CES dans le bâtiment (4) - Localisation des capteurs Toiture - Auvent - Localisation du réservoir Cave A l étage - Type d appoint Externe en série Interne Instantané Stockage Proximité usage Prox. Réservoir - Usage Unifamilial Collectif Source : APERe 11

6 CES dans le bâtiment (5) - Localisation des capteurs Toiture - Auvent - Localisation du réservoir Cave A l étage - Type d appoint Externe en série Interne Instantané Stockage Proximité usage Prox. Réservoir - Usage Unifamilial Collectif Source : APERe 12 Principe thermique de fonctionnement d un CES Objectif + = Etapes CAPTAGE TRANSFERT STOCKAGE (1) (3) (2) Distribution REGULATION APPOINT (5) (6) 13

7 Composants d un CES - Schéma Chaque composant = 1 étape 1. Capteur 2. Réservoir de stockage 3. Circuit primaire 4. Echangeur de chaleur circuit primaire/réservoir 5. Régulation 6. Chauffage d appoint 14 Composants d un CES Schéma intégré dans bâtiment (1) Capteur solaire : transformation du rayonnement solaire en chaleur (2) Réservoir de stockage : stockage de la chaleur jusqu au moment de l utilisation (3-4) Boucle primaire : transfert de chaleur entre capteur et le réservoir (5) Système de régulation : régulation du transfert de chaleur vers le réservoir (s arrête quand T réservoir > Tcapteur) (6) Energie d appoint 15

8 Composants d un d CES Schéma illustré (5) Groupe circulateur (5) Station de régulation (3) Liquide solaire Set de montage (1) Capteurs solaires (2) Réservoir de stockage 16 (1) Fonctionnement d un capteur solaire Les capteurs solaires qui transforment le rayonnement solaire en chaleur grâce à un absorbeur (un corps noir caractérisé par des propriétés d'absorption très élevées et d'émissivité très basses). L'absorbeur transfère la chaleur à un fluide caloporteur circulant au travers de chacun des capteurs. 17

9 (1) Capteurs plans vitrés 18 (1) Capteurs plans vitrés En façade Intégrés à la toiture En Auvent 19

10 (1) Capteurs plans vitrés Sur toiture plate, ancrage - Laeken 20 Installation de capteurs sur toiture plate Projet Némo, Uccle Par lestage 21

11 (1) Types de capteur solaire Sur le marché belge, on trouve trois types de capteurs Capteurs plans vitrés Capteurs non vitrés Capteurs sous vide (tubulaires ou plans) Le choix du capteur dépend de l usage et des conditions climatiques 22 (1) Rendement d un capteur vitré plan (absorbeur sélectif) Pertes optiques Pertes thermiques Apport solaire 23

12 (1) Conception du capteur pour réduire les pertes Reduire les pertes augmente l apport solaire dans le circuit primaire! Réduire les pertes thermiques Agir contre les pertes par rayonnement : Absorbeur sélectif à haute absorption et faible émissivité Agir contre les pertes par conduction : Isolation des parois latérales et arrière du capteur (Vitrage à l avant avec isolation transparente, mais attention à na pas augmenter les pertes optiques) Circulation de l eau optimale pour extraire les calories de l absorbeur Agir contre les pertes par convection Vitrage à l avant Faire le vide autour de l absorbeur -> Capteurs tubulaires sous vide Réduire les pertes optiques Vitrage à haute transmissivité Pas de vitrage, mais alors pertes thermiques! -> Capteurs non vitrés 24 (1) Absorbeur Rôle = Transformer l irradiation en chaleur et la transmettre au fluide caloporteur Faire le choix du bon absorbeur But du traitement de surface : combiner la couleur et la structure moléculaire du revêtement pour augmenter l absorbtion et limiter la réémission. 25

13 (1) Evacuer la chaleur de l absorbeur vers l eau du circuit primaire Objectif : Assurer un bon transfert de chaleur de l absorbeur au fluide du circuit primaire par : - un bon contact entre le tuyau et l ailette de l absorbeur - une distance de conduction pas trop grande 26 (1) Isolation du cadre des capteurs vitrés Température de l absorbeur : Température de stagnation : But : limiter les déperditions vers l extérieur. Contrainte : résister à la température de stagnation (laines minérales (5 à 7 cm en dessous et 2 à 3 cm sur les côtés) ou polyurethane avec laine minérale de protection) Isolation supérieure en isolation transparente (option) 27

14 (1) Capteurs tubulaires sous vide 29 (1) Capteurs non vitrés Fonctionne uniquement pour des faibles T ( < 20 C) Coût moindre : 65% moins cher En inox 30

15 (1) Capteurs non vitrés en plastique max max (1) CES pour piscines extérieures 32

16 η c (1) Courbe des rendements de capteurs Source : Cahier technique du CSTC n 212 (1999) T m -T a G TYPE DE CAPTEUR RENDEMENT OPTIQUE η COEFFICIENT DE DEPERDITION THERM IQUE U 1 (W /m 2.K ) T max ( C ) avec T a = 20 G = 1000 W/m 2 avec absorbeur non sélectif et sans panneau de couverture (ZWZ) avec absorbeur non sélectif et un seul panneau de couverture transparent (ZWE) avec absorbeur non sélectif et deux panneaux de couverture (ZWD) avec absorbeur sélectif et un seul panneau de couverture (SSE) 0,90 15 à 30 0,75 à 0,85 6 à ,65 à 0,75 4 à ,7 à 0,75 4 à 5 sous vide à bouteille therm os (VAC) 0,5 à 0,88 0,7 à avec absorbeur sélectif et double panneau de couv erture (SSD) 0,7 à 0,75 3 à 4 33 (2) (4) Réservoir de stockage et échangeur de chaleur Chaleur d appoint provenant du système de chauffage existant Sortie eau chaude Chaleur électrique auxiliaire (option) Chaleur provenant du Capteur Solaire Entrée eau froide 34

17 (2) (4) Réservoir de stockage Critères de qualité énergétique Bonne stratification pour éviter la mise en route de l appoint Élancement (rapport hauteur/diam > 2,5) Déflecteur Sortie en eau chaude pour éviter le refroidissement par thermosiphon naturel Emplacement des sondes (1/3 sup pour appoint et 1/3 inf pour solaire) Isolation du réservoir (et des conduites) isolation du circuit primaire : matériau résistant aux intempéries, aux rayons ultraviolets et aux rongeurs et aux oiseaux Si système sous pression : dimensionnement correct du vase d expansion Critères santé Eviter les risques de brûlure Eviter le risque de légionellose 35 (3) Transfert thermique par le circuit primaire La puissance thermique de transfert du fluide caloporteur = débit x chaleur massique Chaleur massique de l eau = 1 cal/g C = 4,2 kj/l C = 1,16 kwh/l C (Entre 0 C et 100 C, le Cp de l eau varie peu avec la t ) Chaleur massique d une solution aqueuse glycolée est influencée par la t Exemple : 1,2-Propylèneglycol Chaleur massique du Tyfocolor (kj/kgk) 4,6 4,5 4,4 4,3 4,2 4,1 4 3,9 3,8 3,7 3,6 3,5 3,4 3, Température ( C) Source : TYFOROP CHEMIE Gmbh 37

18 (2) (3) (4) Capteur stockeur 39 Réservoir au dessus des capteurs Systèmes à thermosiphon 40

19 (6) Système d appoint Attention S assurer que le système d appoint soit compatible avec une alimentation en eau préchauffée Sécurité Installer un système de protection contre le risque de brûlure si eau trop chaude au robinet 41 Applications «Chauffage solaire» Chauffe eau solaire Chauffage solaire Séchage solaire Cuisson solaire Architecture climatique (solaire passif) Autres Objectif du CES = Chauffer de l eau du retour de chauffage de 25 C à 40 C pour des planchers chauffants ou des radiateurs surdimensionnés 42

20 Chauffage solaire combiné Système solaire combiné préchauffe : (1) l ECS : Eau froide à 10 C ECS (2) le retour de la boucle de chauffage de par exemple 25 C 30 C 43 Système solaire combiné : Schéma habitation de la distribution de la chaleur Chauffage du bâtiment par le sol ou par les murs 44

21 Système combiné : Exemple de reservoir eau chaude sanitaire Chauffage d appoint Entrée eau froide Chaleur du capteur solaire Circuit chauffage 45 Système combiné : Couplage CES et chaudière Radiateurs ou chauffage sol Panneaux solaires Mesure de t de retour du chauffage Eau chaude sanitaire Comparaison avec t de la cuve au niveau de l échangeur chauffage CHAUDIERE T retour > < T cuve? 46

22 CES en RBC Surface installée en RBC (Primes IBGE) 1600 Objectif 2010 =.. m² m² installés cumul (incomplet) 47 CES en RW Surface installée en RW (Primes DRTRE) Objectif 2010 = m² m² installés cumul

23 CES en UE-25 Surface installée par 1000 habitants ESTIF Estonie Hongrie Lituanie Lettonie Pologne Tchequie Slovaquie Malte Slovénie Chypre Irlande Finlande Grande Bretagne France Belgique Italie Espagne Portugal Pays-Bas Suède Luxembourg Danemark Allemagne Autriche Grèce 0,4 0,4 0,5 0,7 2,7 4,2 10,9 38,6 48,8 2,0 2,3 2,9 4,7 4,7 7,7 10,7 14,6 18,2 21,0 27,4 59,8 68,3 258,4 268, ,4 m²/1000 hab 50 Surface installée (m²) / 2004 Estonie 570 Hongrie Lituanie Lettonie Pologne Tchequie Slovaquie Malte Slovénie Chypre Irlande Finlande Grande Bretagne France Belgique Italie Espagne Portugal Pays-Bas Suède Luxembourg Danemark Allemagne Autriche Grèce CES en UE-25 Surface installée totale (2004) = 13,6 Millions m² Objectif 2010 = 100 Millions m² 51

24 Etudes de cas : Equipement Calorimètre 3 capteurs intégrés à la toiture 7,2 m² en toiture (P th = 5 kw) Orientation SO/O et 40 d inclinaison Logement 2 Distance capteurs/réservoir 18 mètres (dh = 12 mètres) Système à vidange avec eau glycolée Logement 1 Pompe : 110 l/h (dt max = 39 C) Réservoir solaire : 300 l Appoint : Chaudière mixte à condensation Sans accumulation Allumage électronique - Gaz naturel 52 Etude de cas - Moyennes mensuelles : ,00 13,00 Soleil kwh/j Appoint kwh/j 12,00 11,00 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 mars-02 avr-02 mai-02 juin-02 juil-02 août-02 sept-02 oct-02 nov-02 déc-02 janv-03 févr-03 Moy

25 (Après 3 ans) - Mars 2004 Etude de cas - Entretien réservoir Anode de corrosion Calcaire 54 Etude de cas - Conclusions (5 ans) 2 ménages : Cons d ECS (l/j) moy mensuelle 140 à 200 (min 40 max 300) Exposition SO/O 7,2 m² l Appoint : chaudière à condensation GN Production moyenne jour : de 3 à 4,5 kwh/j ou 60 à 90 l d ECS à 55 C Production moyenne an : de à kwh/an ou 22 à 33 m³ d ECS Taux de couverture annuel : de l ordre de 50% Couverture sup. à 85 % d avril à septembre Le profil de consommation influence fortement les résultats La variation annuelle de l ensoleillement influence peu les résultats L orientation SO/O réduit les apports d hiver Emission de CO 2 évitée : 250 à 400 kg par an ou 6 à 9 tonnes/25 ans Prix du kwh solaire de 5 à 7 ceur Consommation électrique de la pompe : 80 kwh/an 55

26 Coût d un système solaire de production d eau chaude Coût du kwh solaire = Investissement / Durée de vie / Energie économisée Coût du CES = Investissement Aides financière (Rég, Prov, Com, Intercom, Réd. fisc.) Par exemple : EUR EUR = EUR Durée de vie : 25 ans (par exemple) Production thermique solaire : 1500 kwh (par exemple) Energie économisée : 1500 / 0,80 = kwh (par exemple) Energie économisée = Economie de combustible induite par la production thermique solaire et le rendement de conversion en chaleur utile de l équipement d appoint : 80 % (par exemple) = 3,8 ceur/kwh (A calculer au cas par cas) Remarques Investissement non actualisé et frais d entretien non compris Production thermique estimée 56 Coût du kwh solaire (3 scénario) Féquent Matériel Installation EUR jusqu'à 4 m² EUR Prime RW par m² supplémentaire BW 750, H 620, Lg Prime province 650, Lx 400, N Prime commune Prime Intercommunale elec 40% de l'investissement avec plafond à 750 EUR pour rénovation et 620 pour Réduction d'impôt construction neuve 750 Favorable Défavorable Investissement (EUR) Durée de vie 25 Production solaire Cons ECS (l/jour) 150 Apport solaire (%) 55% Rendement appoint 0,80 Energie économisée Coût kwh (ceur) 3, % 44% 0,80 0, ,4 17,0 Comparaison coût kwh thermique (ceur) Elec jour 16,7 Elec nuit 8,6 Propane 6,2 Mazout 4,3 Gaz nat (B) 2,9 Sources : Renouvelle n 12 Sources : Renouvelle n 12 Sources : Renouvelle n 12 Sources : Renouvelle n 12 Sources : Renouvelle n 12 wallonie.be - Mai

27 Etapes d un projet solaire Pré-étude de faisabilité pour analyser la possibilité Avoir des besoins en eau chaude Disposer de surfaces ensoleillées non ombragées Analyser la possibilité d intégrer les éléments du CES : Capteurs, réservoir(s), tuyauterie Analyser la compatibilité avec le système de chauffe en place (qui fera l appoint) Audit solaire Déterminer les besoins en ECS de l établissement (moyennes journalières et variations hebdomadaires et saisonnières) Caractériser le bâtiment, le système de chauffe et de distribution de l ECS Pré-dimensionnement du système solaire et rentabilité = Recherche de l optimum Identification des travaux à effectuer Etude technico-économique Exécution Maintenance et Suivi de l installation 58 Photo CES - Unifamiliale dans le Brabant 59

28 Photo CES - Unifamiliale à Namur - 4,12 m² l 60 62

29 Photo Placement de 5 capteurs plans sous vide sur toiture en ardoise naturelle 3 capteurs sous vide - ballon 400l ECS 6 pers. + clinique vétérinaire Province Luxembourg - Aubange 64 65