Apports thermiques avec collecteurs solaires pour de l eau chaude sanitaire dans la Maison de retraite Korian Pontlieue

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1 Projet de recherche EPA-F4 éhabilitations des Etablissements pour Personnes Agées et Facteur 4 Apports thermiques avec collecteurs solaires pour de l eau chaude sanitaire dans la Maison de retraite Korian Pontlieue Annexe VII Cristian Cuevas Université de Concepción Octobre 2011 Partenariats du projet: UTeam (UTC) Énergies demain Philippe DEHAN architecte Elioth - ENIA Architectes Université de Concepción (Chili) Coordination générale : UTeam (UTC) Fondation Bâtiment Énergie

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3 TABLE DES MATIÈES 1 INTODUCTION DESCIPTION DE L INSTALLATION ET DE LA METHODE DE CALCUL Méthode de calcul f-chart Calcul de la demande d énergie pour réchauffer l eau sanitaire Panneaux solaire de référence DONNEES D ENTEE DE LA METHODE DE CALCUL ayonnement sur les panneaux solaires Consommation d eau sanitaire Température de l eau du réseau Paramètres du modèle Emplacement disponible ESULTATS Analyse paramétrique pour estimer le taux de couverture ésultats pour une surface de transfert donnée CONCLUSIONS EFEENCES

4 Nomenclature A c : surface d échange des collecteurs, [m 2 ] A res : surface d échange du réservoir, [m 2 ] c w : chaleur massique de l eau, [J/kgK] F : facteur d évacuation de la chaleur du capteur solaire ' F : facteur modifié d évacuation de la chaleur du capteur solaire f : taux de couverture mensuel H t : moyenne mensuelle du rayonnement solaire incident quotidien dans le plan des capteurs, [J/m 2 ] L : charge de chauffage totale mensuelle, [J] L l : charge de chauffage due aux pertes du réservoir, [J] L w : charge de chauffage mensuelle de l eau, [J] M& c : débit capacitif minimum, [W/K] ( ) min M& w : débit d eau, [kg/s] N : nombre de jours dans le mois considéré T a : moyenne mensuelle de la température ambiante, [ºC] T amb : température ambiante, [ºC] T ref : valeur empirique de référence égale à 100 C, T w,ex : température de l eau de départ du système de chauffage, [ºC] T w,su : température de l eau du réseau, [ºC] ( U A) L : coefficient d échange global de l échangeur, [W/K] U L : coefficient global de pertes thermiques des collecteurs, [W/m 2 K] U res : coefficient global de pertes thermiques du réservoir, [W/m 2 K] V w,a : volume du réservoir actuel, [m 3 ] V w,ref : volume du réservoir de référence, [m 3 ] X : valeur adimensionnelle de la méthode f-chart X c : valeur adimensionnelle corrigée de la méthode f-chart Y : valeur adimensionnelle de la méthode f-chart Y c : valeur adimensionnelle corrigée de la méthode f-chart Z : valeur adimensionnelle de la méthode f-chart Symboles grecques ( τ α ) : moyenne mensuelle du produit de la transmissivité et de l absorptivité du capteur ε L : efficacité de l échangeur t : nombre de seconds par mois, [s] 3

5 1 INTODUCTION Dans cette étude on va explorer l utilisation d énergie solaire pour la production d eau chaude sanitaire dans la Maison de etraite Korian Pontlieue dans le cadre du projet EPA-F4 (éhabilitations des Etablissements pour Personnes Agées et Facteur 4). Pour cette analyse on utilisera la méthode f-chart, laquelle va permettre d estimer la surface d échange pour atteindre un taux de couverture acceptable. En parallèle à cette analyse on va estimer la surface disponible sur les toits et terrasses du bâtiment pour estimer à la fois la surface de collecteurs maximale qu on sait installer. La méthode d analyse utilisée dans cette étude considère une analyse mensuelle, laquelle sera ensuite intégrée pour avoir un résultat annuelle du système considéré. 4

6 2 DESCIPTION DE L INSTALLATION ET DE LA METHODE DE CALCUL 2.1 Méthode de calcul f-chart Pour développer l analyse du système de chauffage solaire d eau chaude sanitaire, on va utiliser la méthode f-chart [1]. Cette méthode considère le système présenté à la Figure 1. Ce système comporte d un circuit primaire qui capte l énergie solaire et qui la transfère vers le circuit d eau chaude sanitaire à travers un échangeur de chaleur. Le circuit d eau chaude sanitaire compte avec un système de stockage (réservoir) lequel est connecté avec le réseau d eau froide et le point de consommation d eau chaude. Figure 1 : système de chauffage considéré par la méthode f-chart Cette méthode utilise les deux paramètres adimensionnels suivants : X = F Y = F U L F F ( τ α ) ' n F F ( T T ) ' ref a Ac t L ( τ α ) Ac H t N ( τ α ) L n Le paramètre X doit être corrigé pour le système présenté à la Figure 1 avec la corrélation suivante : X X c 116, + 118, T = w + 386, T 100 T a w,su 2, 32T a Avec ces paramètres il est possible de déterminer le taux de couverture mensuelle f du système solaire. f = ,029Y 0,065 X c 0,245Y + 0,0018 X c + 0,0215Y La méthode f-chart est valable pour un réservoir d une capacité de 75 l/m 2 de surface de collecteur. Si on utilise un réservoir avec une capacité différente, il faut corriger la valeur du paramètre X comme suit : 5

7 X X c V = V w,a w,ref 0,25 Il existe une autre correction qu il faut introduire dans le cas où on utilise un échangeur de chaleur avec des caractéristiques différentes à celles utilisées dans la formulation de cette méthode. Cette correction se réalise avec les relations suivantes : ε L Z = ( M& c) ( U A) L min Y c 0, 139 = 0, , 65 exp Y Z Pour le développement du modèle, il a été utilisé une valeur de Z = 2. Pour une valeur de Z différente, il faut utiliser la correction précédente. Dans la pratique Z varie entre 1 et 3. Cette méthode a été validée dans les conditions présentées au Tableau 1. Tableau 1: plage des valeurs utilisées pour la validation du modèle f-chart Paramètre Plage ( τ α ) n 0,6 0,9 ' F A m 2 c U 2,1 8,3 W/m 2 K L β 30 90º ( U A) h W/K 2.2 Calcul de la demande d énergie pour réchauffer l eau sanitaire L énergie qu on doit fournir au système est celle nécessaire pour réchauffer l eau et pour compenser les pertes vers l ambiance des réservoirs : L = L w + L l Où L w est l énergie nécessaire pour réchauffer l eau sanitaire : L w = M& w c w ( T T ) w,ex w,su Et L l est l énergie «perdue» vers l ambiance par le réservoir : L l = U res A res ( T T ) w,ex amb T amb est la température ambiante où est installé le réservoir, que dans ce cas-ci on la considère comme constante pendant toute l année et avec une valeur égal à 20ºC. 6

8 2.3 Panneaux solaire de référence Pour les panneaux solaires on va utiliser comme référence un collecteur Viessmann modèle Vitosol 200 avec les caractéristiques techniques présentées au Tableau 2. Tableau 2 : caractéristiques techniques et géométriques du collecteur 7

9 3 DONNEES D ENTEE DE LA METHODE DE CALCUL 3.1 ayonnement sur les panneaux solaires Le rayonnement sur les panneaux solaires doit être objet d une étude pour déterminer l inclinaison optimale des collecteurs qui maximise l énergie solaire incidente sur la surface de l absorbeur. Dans cette analyse on a considéré les données météos de la ville de Tours, pour lesquelles on a exploré plusieurs inclinaisons en allant de 20 à 50º. Les résultats obtenus sont présentés au Tableau 3. Mois T a Tableau 3 : rayonnement sur les panneaux solaires H t [kj/m 2 ] 20º 25º 30º 35º 40º 45º 50º [ºC] Janvier 3, Février 4, Mars 8, Avril 10, Mai 14, Juin 17, Juillet 19, Août 19, Septembre 16, Octobre 12, Novembre 7, Décembre 4, Totale annuelle D après ces résultats l inclinaison optimale pour les collecteurs est de 35, on utilisera donc les valeurs correspondantes à cette inclinaison pour l analyse qui suit. 3.2 Consommation d eau sanitaire La température de l eau chaude fournie par le système de chauffage doit se trouver entre 35 et un maximum de 60ºC. La plupart des références qu on trouve sur les consommations d eau sont basées sur une température de 60ºC, valeur qu on retiendra pour cette étude. En ce qui concerne le besoin d eau chaude sanitaire des chambres des maisons de retraite on trouve plusieurs valeurs dans les références spécialisées. Braud [2] propose une consommation d eau chaude sanitaire à 60ºC de 40 l/lit/jour. D après Dubreuil et Giraud [3] la consommation d eau chaude sanitaire à 60ºC dans les chambres de maisons de retraite est de 60 l/lit/jour. Cette même référence propose aussi tenir compte des effets saisonniers des consommations d eau mensuelles dans l établissement. Cette correction n est pas précisément proposée pour les maisons de retraite, mais on va l utiliser car elle semble assez logique pour touts les systèmes de chauffage d eau sanitaire. Les facteurs de corrections son ceux qui se trouve au Tableau 4. 8

10 Tableau 4 : répartitions mensuelles des consommations d eau Janvier Février Mars Avril Mai Juin Juillet Août Septembre Octobre Novembre Décembre 1,25 1,20 1,10 1,05 1,00 0,80 0,50 0,60 0,90 1,05 1,15 1,40 A ces valeurs il faut rajouter les consommations d eau dans la cuisine. Braud [2] suggère une consommation entre 9 et 10 l/repas pour les cuisines des maisons de retraite avec lave-vaisselle. Dans cette étude on ne va que considérer les consommations d eau des chambres pour un total de 107 lits, car elles devraient être les plus importantes et assez juste pour l emplacement disponible du système qu on sait installer dans ce bâtiment. 3.3 Température de l eau du réseau Une autre valeur qui doit être considéré dans la modélisation est la température de l eau du réseau, laquelle dans ce cas-ci a été obtenue de la page de Tecsol [4] pour la ville de Le Mans. Les valeurs sont présentées au Tableau 5. Tableau 5 : température de l eau du réseau T w, su [ºC] Janvier Février Mars Avril Mai Juin Juillet Août Septembre Octobre Novembre Décembre 7,5 7,8 9,4 11,0 12,0 14,0 15,0 15,0 14,0 11,0 9,3 7,8 3.4 Paramètres du modèle Pour développer ce modèle on a défini les paramètres suivants : F F F F ( τ α ) 0, 79 n = W U L = 6, 5 m 2 K ' = ( τ α ) ( τ α ) U res 0,98 n = 0,94 W = 0, 65 m 2 K 9

11 3.5 Emplacement disponible Si on tient compte de l écart minimum qu il faut respecter entre les collecteurs, présenté à la Figure 3 (Petitjean [5]), et de la surface disponible sur les terrasses, on peut estimer la quantité de panneaux solaires qu on sait installer dans ce bâtiment. 3 m Figure 3 : distance minimale qu il faut avoir entre deux files de collecteurs D après les Figures 4, 5, 6 et 7 on sait installer 34 panneaux sur la terrasse du niveau 6, 24 sur la terrasse du niveau 5, 12 collecteurs sur la terrasse du niveau 4 et 52 sur le toit du niveau 3. En total en peut installer 122 panneaux, c.à.d. une surface d échange de 284 m 2. Figure 4 : emplacement des panneaux sur la terrasse du niveau 6 10

12 Figure 5 : emplacement des panneaux sur la terrasse du niveau 5 Figure 6 : emplacement des panneaux sur la terrasse du niveau 4 11

13 Figure 7 : emplacement des panneaux sur la terrasse du niveau 3 4 ESULTATS 4.1 Analyse paramétrique pour estimer le taux de couverture D après Petitjean [5], un taux de couverture annuel entre 50 et 70% est un bon compromis économique pour les installations solaires. On retiendra une valeur de 60% pour l analyse qui suit. Dans un premier cas on va analyser l effet de la surface totale installée des collecteurs sur le taux de couverture pour deux demandes d eau : 40 et 60 l/lit/jour, résultats qui se trouvent à la Figure Taux de couverture [-] l/lit/jour 40 l/lit/jour A c [m 2 ] Figure 8 : taux de couverture pour différentes surfaces installées 12

14 D après ces résultats, si on veut avoir un taux de couverture de 60% il faut une surface d échange installée qui doit être entre 185 et 275 m 2. En considérant une surface d ouverture de 2,33 m 2 des collecteurs de référence, il faut installer entre 80 et 118 collecteurs. Si on considère maintenant la surface de panneaux (284 m 2 ) qu on sait installer dans ce bâtiment, on peut dire qu on peut avoir un taux de couverture qui se trouve entre 60 et 70%. 4.2 ésultats pour une surface de transfert donnée On va fixer maintenant la surface des panneaux qu on peut installer dans cette maison pour déterminer les apports solaires pour touts les mois pour une consommation d eau de 60 l/lit/jour. On va donc fixer une surface installée de 284 m 2. Les résultats obtenus sont présentés au Tableau 6. On observe que pour les mois de juin, juillet et août le système fournie plus d énergie que la nécessaire pour réchauffer l eau à 60ºC, ce qui peut entrainer des températures d eau trop élevées dans le système si on ne prévoit pas un système pour dégager cette excès d énergie. En peut aussi utiliser cet excès d énergie pour le chauffage de l eau de la cuisine pendant ces mois. Le taux de couverture minimum se trouve en décembre, avec un 5,2 %. La différence devra être couvert par un système auxiliaire, qui peut être le système qui est utilisé actuellement. Dans ces conditions le système avec des panneaux solaires fournie un 60,9 % de l énergie nécessaire pour la consommation d eau sanitaire des chambres. Tableau 6 : performance mensuelle et annuelle du système de chauffage Mois H t [J/m 2 ] T a [ºC] L [J] X c Y f fl [J] Janvier 6.247E E E+10 Février 1.036E E E+10 Mars 1.436E E E+10 Avril 1.864E E E+10 Mai 1.917E E E+10 Juin 2.073E E E+10 Juillet 2.195E E E+10 Août 2.062E E E+10 Septembre 1.714E E E+10 Octobre 1.148E E E+10 Novembre 8.169E E E+10 Décembre 4.824E E E+09 Total 5.110E E+11 Si le système de chauffage est dimensionné pour seulement chauffer l eau des chambres, pour éviter ce problème de réchauffement, on pourrait dimensionner le système pour satisfaire le 100 % de demande d eau chaude sanitaire pour le mois où on risque d avoir le réchauffement le plus élevé. Ces résultats sont présentés au Tableau 7. 13

15 Le taux de couverture de ce système est de 41,7%, pour une surface d échange de 121 m 2, c.à.d. une installation avec 52 panneaux solaires. Dans ce cas c est le mois de juillet qui est utilisé pour le dimensionnement du système. Tableau 7 : performance mensuelle et annuelle du système de chauffage Mois H t [J/m 2 ] T a [ºC] L [J] X c Y f fl [J] Janvier 6.247E E E+09 Février 1.036E E E+10 Mars 1.436E E E+10 Avril 1.864E E E+10 Mai 1.917E E E+10 Juin 2.073E E E+10 Juillet 2.195E E E+10 Août 2.062E E E+10 Septembre 1.714E E E+10 Octobre 1.148E E E+10 Novembre 8.169E E E+09 Décembre 4.824E E E+08 Total 4.999E E+11 5 CONCLUSIONS Avec l analyse présenté dans cette étude on a démontre que dans la Maison de retraite Korian Pontlieue il y a moyen d installer un système de chauffage par panneaux solaires qui peut au moins satisfaire la demande d eau chaude sanitaire des chambres, avec un taux de couverture de l ordre de 61%. A cette première étude il faut faire d autres études complémentaires, comme une étude technique pour déterminer la faisabilité de l installation de ce système sur les toits et terrasses et une étude économique pour voir la rentabilité de ce système. 14

16 EFEENCES [1] J. A. Duffie, W. A. Beckman, Solar Engineering of the Thermal Processes, (second ed.), John Wiley & Sons Inc., New York (1991). [2] P. Braud. Eau Chaude Sanitaire, Techniques de l Ingénieur (1996). [3] G. Dubreuil, A. Giraud, Calculs pratiques de plomberie sanitaire : Eau froide, eau chaude, évacuations, Les éditions parisiennes (EDIPA) (2008). [4] Tecsol, Eau Chaude Solaire - Manuel pour la conception, le dimensionnement et la réalisation des installations collectives (ADEME 2002). [5] C. Petitjean. Eau Chaude Sanitaire Solaire - Application à l individuel et au collectif - Guide pour l installateur. COSTIC (Comité Scientifique et Technique des Industries Climatiques). 15