Simuler le cumul pour valider

Transcription

1 Énergies renouvelables et eau chaude Simuler le cumul pour valider Est-il opportun de cumuler les énergies pour améliorer les installations de production d eau chaude sanitaire? Quelles sont les interactions entre le thermique, la récupération de calories et l appoint? Comment, sur ces bases, optimiser les systèmes? Comment se comportent ces équipements en maison individuelle et en collectif? Dans cet article, les ingénieurs du bureau d études Amoès tentent de répondre à ces différentes questions. Par Manuel Bardoux, François Bourmaud et David Chénier Amoès. 1. Objectifs et résultats 1.1 Démarche et objectifs Ce travail produit par le bureau d études Amoès a pour objet de déterminer la pertinence des combinaisons de systèmes de préchauffage thermique, qui sera dit S, et récupération de chaleur sur les eaux grises pour le préchauffage de l eau froide au robinet de la douche, dit R, ou ballon, dit Rbis entre eux et avec le système principal de production : une chaudière à, dite C, ou un ballon thermodynamique, dit B, pour la maison individuelle, une chaudière à pour le bâtiment de logements collectifs. On s attend en effet à ce que le rendement de production soit plus ou moins dégradé par le cumul des systèmes, d où la définition d un facteur correctif sur le gain attendu d une solution renouvelable. Les hypothèses de modélisation, les combinaisons étudiées et les schémas de principe sont explicités dans le paragraphe 2. Quelle est la portée de l étude? C est d évaluer, de façon approchée, la pertinence du cumul des solutions. Plus particulièrement, nous avons souhaité mettre l accent sur le facteur correctif des apports des solutions renouvelables mises en œuvre. Pour cela, on calcule ce que consomme le moyen principal de production, dit A ( ou ballon thermodynamique) en l'absence de complément ( ou récupérateur sur eaux grises). Puis, on détermine ce que consomme le moyen principal de production avec le complément (A ), et enfin, on calcule ce qu'apporte le complément indépendamment d'une dégradation du rendement du moyen principal de production (C/η). La méthode proposée est donc la suivante (voir les figures 1 et 2) : Le gain attendu par la solution renouvelable selon le rendement η du système de production principal est : C/η. On désigne le facteur correctif f sur le gain attendu C/η prod de la façon suivante : f = A A C/η Si f = %, c est que les gains des solutions se cumulent... Si f = 0 %, l intérêt d une combinaison des systèmes est nul. On peut exprimer f en fonction de la dégradation du rendement de production : f = B 1 η η C ( η ) η Figure 1. Diagramme des flux : système principal de production sans complément A Production ηproduction Production A production B Stockage η stockage C = Gain de la solution Stockage stockage Distribution η distribution Figure 2. Diagramme des flux : système principal de production AVEC complément Distribution distribution Puisages Puisages 1.2 Résultats et conclusions pour une maison individuelle Le tableau 1 des facteurs correctifs sur le gain de la solution complémentaire des combinaisons étudiées récapitule les différents facteurs correctifs obtenus : 50 CHAUD FROID PERFORMANCE N Avril 2014

2 sanitaire TECHNIQUE de solutions leur intérêt Tableau 1. Facteur correctif sur le gain de la solution (X) au sein de la solution combinée (XY) Facteur : X/XY correctif sur le gain de la solution (X) au sein de la solution combinée (XY) : X/XY S/CS R/CR Rbis/CRbis R/CSR S/CSR Rbis/CSRbisS/CSRbis S/BS R/BR Rbis/BRbis Janvier 99,7 %,0 %,0 % 92,6 % 94,0 % 54,4 % 64,2 % 93,6 % 99,4 % 95,6 % Février 99,6 %,0 %,0 % 91,3 % 93,2 % 58,4 % 68,5 % 95,0 % 99,5 % 96,1 % Mars 99,3 %,0 %,0 % 76,9 % 89,9 % 42,9 % 75,9 % 96,5 % 99,5 % 96,7 % Avril 99,3 %,0 %,0 % 65,7 % 88,7 % 41,6 % 81,1 % 97,3 % 99,4 % 96,9 % Mai 99,2 %,0 %,0 % 54,3 % 88,4 % 32,1 % 82,9 % 98,4 % 99,3 % 97,1 % Juin 99,4 %,0 %,0 % 39,9 % 87,1 % 30,2 % 85,0 % 99,0 % 99,3 % 97,3 % Juillet 99,7 %,0 %,0 % 19,7 % 84,7 % 16,1 % 83,8 % 99,0 % 99,2 % 97,3 % Août 99,8 %,0 %,0 % 17,3 % 84,2 % 11,4 % 83,0 % 98,9 % 99,2 % 97,3 % Septembre 99,4 %,0 %,0 % 51,4 % 88,1 % 33,2 % 83,7 % 99,0 % 99,4 % 97,3 % Octobre 99,1 %,0 %,0 % 75,9 % 90,5 % 47,1 % 79,8 % 97,6 % 99,5 % 97,1 % Novembre 99,3 %,0 %,0 % 88,3 % 92,7 % 56,9 % 74,6 % 101,2 % 99,5 % 96,6 % Décembre 99,9 %,0 %,0 % 97,8 % 96,9 % 60,1 % 45,9 % 95,1 % 99,5 % 96,4 % TOTAL 99,4 %,0 %,0 % 70,5 % 88,8 % 43,8 % 79,1 % 92,6 % 99,9 % 97,1 % Voici les commentaires qu il est possible de proposer sur ces différentes associations techniques : 1. Solaire/- (S/CS) L eau qui rentre dans la chaudière est préchauffée par le. La et le rendement de la chaudière s en trouvent dégradés. L impact est néanmoins marginal car plus l eau froide est préchauffée, plus le rendement de la chaudière est dégradé, mais en contrepartie moins il y a d'énergie à apporter par la chaudière. Solaire et chaudière se combinent donc très bien. Figure 3 Consommation mensuelle en [kwh/mois] Cumul pertinent C - Gaz CR - Gaz - Récup. vers douche CS - Gaz - Solaire CSR - Gaz - Solaire - Récup. vers douche Cumul inutile 0 Évolution de la consommation en sur l'année pour plusieurs combinaisons de systèmes (en maison individuelle). La simulation montre que le fait d ajouter un récupérateur de chaleur sur eaux grises pour préchauffer l eau froide de la douche sur une installation - génère une certaine redondance dans les apports de chacun des systèmes. Le facteur correctif du point de vue de R est moins élevé que du point de vue de S car R produit moins que S. Ce facteur reste néanmoins modéré et ne semble pas faire basculer la pertinence économique de combiner ces solutions. Ceci s explique qualitativement : en hiver, là où le récupérateur sur eaux grises apporte le plus, le produit très peu ; en été, le suffisait à produire la quasi-intégralité des besoins, le récupérateur n'apporte donc pas grand-chose de plus (il produit de toute façon moins en été). La figure 3 représente l évolution de la consommation moyenne de sur l année pour différentes combinaisons. En hiver, le cumul des systèmes est toujours intéressant. Mais en été, l apport d un récupérateur à une installation chaudière à et installation est très faible. 5. Rbis/CSRbis, S/CSRbis 2. Récupération/-récupération (R/CR) Le récupérateur sur eaux grises limite les puisages d eau chaude sanitaire et n a aucun impact sur le rendement de production. sur eaux grises pour préchauffer l eau froide de la douche et chaudière se combinent donc très bien. 3. R(bis)/CR(bis) Le récupérateur préchauffe l eau pénétrant dans la chaudière, mais pas assez pour que la soit dégradée. Aucun impact donc sur le rendement de production. sur eaux grises pour préchauffer l eau froide d alimentation de l eau chaude sanitaire et chaudière se combinent donc très bien. 4. Récupération/--récupération et /--récupération (R/CSR et S/CSR) Le fait de mettre en œuvre un récupérateur de chaleur sur eaux grises pour préchauffer l eau froide rentrant dans le ballon thermique ne semble pas judicieux, car plus de la moitié de cette énergie de préchauffage est inutile. L étude réalisée avec un CESI optimisé, c est-à-dire un panneau de 1,78 m 2 et un stockage de 110 l, montre que l ensemble des facteurs correctifs est augmenté, en maison individuelle, de l ordre de 15 à 20 % du point de vue du récupérateur. Cette disposition semble donc tout à fait pertinente en cas de couplage /récupération sur eaux grises, sans changer les conclusions : le couplage /récupération sur eaux grises vers la douche reste plus pertinent que le couplage /récupération sur eaux grises vers le ballon. CHAUD FROID PERFORMANCE N Avril

3 Énergies renouvelables et eau chaude sanitaire Figure 4. Les performances du ballon thermodynamique au regard du thermique Consommation mensuelle en [kwh/mois] B - Th. BS - Th. - Solaire S - Solaire/COP ballon mois par mois S - Solaire/COP ballon annualisé 0 Le ballon thermodynamique consomme plus en hiver qu'en été : il y a plus s en hiver et en outre le Cop est moins performant. Figure 5. thermodynamique et récupération sur eaux de douche Consommation mensuelle en [kwh/mois] B - Th. BR - Th. - Récup. vers douche 0 Le récupérateur lisse la demande que le ballon thermodynamique doit prendre en charge. 6. Solaire/ballon thermodynamique- (S/BS) Les facteurs correctifs à appliquer sur le gain du (ou plutôt sur le gain du divisé par le Cop du ballon) sont de l'ordre de 93 %. Ceci traduit le fait que : lorsque l'eau est préchauffée, le Cop du ballon thermodynamique se trouve dégradé ; lorsque le produit le plus, le ballon thermodynamique a le meilleur Cop, donc l'énergie est moins bien valorisée. Ceci s'observe sur la figure 4. On y voit, en bleu, la production divisée par le Cop annualisé, et en rouge, la production divisée par le Cop mensuel. La courbe rouge est plus basse que la bleue à la belle saison. Par ailleurs, on observe aussi sur cette figure 4 que : le ballon thermodynamique consomme plus en hiver qu'en été : il y a plus s en hiver et en outre le Cop est moins performant ; le réduit la consommation en mi-saison et en été alors qu'elle est déjà basse et n'a que peu d'impact sur la consommation en hiver ; la consommation estivale de la combinaison BS n'est pas nulle : ceci tient au fait que, dans la modélisation, les pertes de stockage ne sont pas compensées par le (ce qui n'est pas complètement vrai, mais traduit le fait que s'il n'y a pas de Tableau 2. Facteur correctif sur le gain de la solution (X) au sein de la solution combinée (XY) : X/XY Facteur correctif sur le gain de la solution (X) au sein de la solution combinée (XY) : X/XY S/CS R/CR Rbis/CRbis R/CSR S/CSR Rbis/CSRbis S/CSRbis Janvier 97,7 % 98,0 % 98,0 % 95,0 % 94,3 % 66,3 % 62,2 % Février 97,7 % 98,1 % 98,1 % 93,9 % 93,3 % 68,6 % 66,5 % Mars 97,0 % 98,0 % 98,0 % 88,6 % 91,7 % 61,5 % 75,7 % Avril 96,5 % 97,8 % 97,8 % 80,1 % 89,0 % 58,2 % 79,3 % Mai 96,0 % 97,6 % 97,6 % 71,3 % 87,5 % 51,4 % 80,7 % Juin 95,7 % 97,3 % 96,7 % 64,0 % 86,7 % 45,1 % 81,4 % Juillet 95,5 % 96,7 % 95,6 % 48,1 % 84,4 % 36,7 % 81,8 % Août 95,8 % 96,6 % 95,4 % 36,6 % 82,7 % 26,7 % 80,6 % Septembre 96,1 % 97,4 % 97,4 % 69,3 % 87,5 % 48,5 % 80,9 % Octobre 96,4 % 97,7 % 97,7 % 83,6 % 89,6 % 57,8 % 76,7 % Novembre 96,9 % 97,8 % 97,8 % 90,9 % 91,7 % 66,0 % 72,3 % Décembre 97,9 % 97,9 % 97,9 % 97,7 % 97,3 % 75,0 % 49,6 % TOTAL 96,5 % 97,7 % 97,5 % 80,7 % 88,5 % 58,1 % 77,5 % puisages la nuit, le ballon thermodynamique se mettra en marche même si le ballon était à plus de 50 C). Si le facteur correctif semble raisonnable et semble plaider en faveur d'une combinaison d'une production et thermodynamique, dans le cadre d'une étude technico-économique, il faudra bien considérer un coût de l'énergie valorisée égal au coût de l'électricité divisé par le Cop annualisé du ballon. Par ailleurs, pour atteindre un objectif énergétique ambitieux, il n'est pas certain que le cumul de ces solutions soit le plus pertinent, car les consommations hivernales restent élevées. 7. Récupération/ thermodynamiquerécupération - (R/BR, Rbis/BRbis) Le cumul d'un ballon thermodynamique et d'un récupérateur de chaleur sur les eaux grises semble moins défavorisé que le cas précédent, avec toujours la nuance sur le coût de l énergie valorisée à prendre en compte dans le cadre d une étude technico-économique. Comme illustré par la figure 5, le récupérateur directement relié au robinet de douche permet de lisser la demande que le ballon thermodynamique doit prendre en charge, en assurant une plus grande récupération en hiver. Sur la courbe, la réduction des consommations par le récupérateur de chaleur sur les eaux grises connecté sur l'eau froide de la douche n'est pas très importante. Toutefois, rien n'empêche une récupération pour l'eau froide de la douche et le ballon dans la mesure où le facteur correctif de chacune des solutions est très proche de % Résultats et conclusions pour un bâtiment de logements collectifs Les facteurs correctifs sont présentés dans le tableau 2. On obtient des résultats semblables au cas de la maison individuelle. Lorsque la solution renouvelable permet d éviter des puisages, le rendement moyen de la chaudière se trouve dégradé à la fois pour les mêmes raisons qu en individuel, mais aussi parce que la part de bouclage (donc sans ) prend une place plus importante. D où les facteurs correctifs légèrement 52 CHAUD FROID PERFORMANCE N Avril 2014

4 plus bas qu en individuel pour R/CR et Rbis/CRbis. Pour les combinaisons avec du, la différence tient aussi au dimensionnement du qui est plus optimisé que le cas étudié dans l individuel. Les consommations mensuelles de représentées dans la figure 6 montrent également la similitude par rapport au cas de la maison individuelle. Figure 6. Évolution de la consommation en sur l'année pour plusieurs combinaisons de systèmes (bâtiment de logements collectifs) Consommation mensuelle en [kwh/mois] Cumul pertinent C - Gaz CR - Gaz - Récup. vers douche CS - Gaz - Solaire CSR - Gaz - Solaire - Récup. vers douche Cumul inutile Conclusion générale L étude montre qu il existe de vraies interactions entre les systèmes et que la combinaison n est pas toujours pertinente. On retiendra que : les conclusions sont semblables pour la maison individuelle et les logements collectifs. Pour autant, il est important de remarquer qu en logements collectifs, les pertes de bouclage peuvent être responsables de près d un tiers des consommations énergétiques pour l eau chaude sanitaire. Ces pertes de bouclage ne sont pas prises en charge par les solutions renouvelables étudiées ici, la combinaison qui semble la moins pertinente est le thermique associé à la récupération de chaleur sur eaux grises pour préchauffer l eau entrant dans le ballon. Dans ce cas, il y a une compétition très nette sur le préchauffage de l eau, pour associer efficacement le thermique et le récupérateur de chaleur sur les eaux grises, il est préférable de réduire la surface de capteurs s (1,8 m 2 pour la maison individuelle), pour les combinaisons avec le ballon thermodynamique, l énergie renouvelable est à la base peu valorisée car il faut la diviser par le Cop du ballon. En outre : - le thermique peut tout à fait s harmoniser avec le ballon thermodynamique mais avec un facteur correctif (environ Figure 7. Évolution du rendement sur PCI en fonction de la température Rendement utile sur PCI [en %] Taux de charge 10 % 40 % % Température retour installation [en C] Source : Atlantic 92 %) car le thermique produit plus en été, et le ballon thermodynamique a un Cop dégradé en hiver ; - à l inverse, le récupérateur de chaleur sur eaux grises s harmonise bien avec le ballon thermodynamique car il produit davantage en hiver. La présente étude mérite d être approfondie sur un certain nombre de points : La modélisation du ballon thermodynamique a été simplifiée (production horaire simultanée avec les puisages...), et il serait utile d affiner le modèle. Pareillement pour le thermique (surchauffes...). Si la présente étude a permis de mettre en évidence des degrés de compatibilité «technique» et des combinaisons astucieuses (par exemple la complémentarité été/hiver du thermique et du récupérateur de chaleur), il est nécessaire de mener une étude économique, qui permettra probablement de trancher sur l intérêt global de la combinaison de certaines solutions. De plus, il est important de rappeler que ce type d analyse économique mérite d être revisité et actualisé car : - le coût de l énergie va croître de façon importante, notamment le coût de l électricité (ce coût n est d ailleurs pas le même selon les pays) ; - on peut imaginer que le prix de vente de certaines solutions récentes, notamment le récupérateur d énergie, pourrait baisser si le volume des ventes augmente. 2. Hypothèses et méthodes de modélisation Dans cette partie, nous précisons les modalités de l étude qui vient d être développée Hypothèses en maison individuelle Il s agit d une maison individuelle occupée par quatre personnes, sans bouclage ECS. La consommation moyenne annuelle est de 105 l/j à 50 C ; la température de production est de 60 C. Cette consommation d eau chaude est modulée en fonction de coefficients journaliers et mensuels (voir l encadré en fin d article). Trois profils journaliers (un pour la semaine, un pour le samedi et un pour le dimanche) permettent de répartir heure par heure la consommation d eau journalière. Ils proviennent de la recommandation «Eau chaude sanitaire» de l AICVF de Les solutions techniques testées dans cette étude sont : Solution C : une chaudière individuelle à avec microballon (environ 3 l). L'ECS est produite en semi-instantané à 50 C. On considère qu'il n'y a pas de pertes de stockage. Solution B : un ballon thermodynamique d une capacité de 250 l. L'ECS est produite à 50 C, et l on considère que le ballon chauffe au fur et à mesure de la demande (absence d'optimisation). Le Cop varie en fonction de la température extérieure, mais aussi en fonction de la température de l'eau entrant dans le ballon (pour 1 C supérieur à 15 C, on retranche 0,0026 au Cop - source : abaque Atlantic Odyssée). Les pertes de stockage sont estimées à 60 W/h. Solution S : une installation avec 5 m 2 de capteurs et un stockage de 250 l. La simulation est effectuée sur le logiciel TRANSOL. Solution R : un récupérateur de chaleur sur eaux grises relié uniquement sur le mitigeur de la douche. Il s agit du mitigeur Recoh-Vert type R21-V3 du fabricant Gaia-Green, qui a une efficacité théorique de 65,4 % à 9,2 l/min. On considère en fait qu en solution R ou Rbis, 25 % de la chaleur des eaux usées des douches (qui représentent 70 % des puisages ECS) est valorisée. Solution Rbis : un récupérateur de chaleur sur eaux grises relié sur l'arrivée du ballon uniquement. Le système est identique à la solution R. CHAUD FROID PERFORMANCE N Avril

5 Énergies renouvelables et eau chaude sanitaire 2.2 Hypothèses en logements collectifs Il s agit d un bâtiment de 17 logements (du T1 au T5) situé en région parisienne. La production d eau chaude sanitaire comprend un bouclage et les pertes sont estimées à W. L ECS est produite à 55 C afin de compenser les pertes du bouclage et d assurer 50 C en tout point du réseau (conformément à la réglementation anti-légionelles). Dans le cas d un bâtiment de logements collectifs, on étudie les mêmes solutions que pour une maison individuelle, mis à part le ballon thermodynamique. La simulation prend en compte une chaudière à production instantanée (ce qui est évidemment une hypothèse simplificatrice). * Températures estivales augmentées de 0 à 3 C linéairement en juin, de 3 C en juillet et août, et de 3 à 0 C linéairement en septembre. En effet, les fichiers météo sont issus des années 60-90, dont les données sont aujourd hui révolues. Durant l été particulièrement caniculaire de 2003, la température moyenne était de 6 C supérieure à celle des données climatiques classiquement utilisées en simulation : le choix des 3 C semble raisonnable pour tenir compte du réchauffement climatique. L installation est composée de 1,5 m 2 de capteurs par logement et d un stockage de 50 l/m 2 de capteurs. 2.3 Éléments communs Pour l ensemble des simulations, les données météorologiques sont celles de la station de Paris Montsouris, issues de la banque de données Météonorm ; on opère une adaptation du fichier pour tenir compte du réchauffement climatique*. La modélisation est réalisée sur Excel au pas de temps horaire, sur une année complète. Dans le cas d une installation thermique, à certaines heures de la journée, la température de l'eau en sortie de ballon excède 50 C (ou 55 C en collectif). L'énergie au-delà de cette température n est pas comptabilisée puisque la production de l ECS est réalisée à 50 C. Ceci pourrait faire l objet d une amélioration dans la modélisation. Pour la chaudière, lorsque l'eau froide est préchauffée, les fumées ne condensent plus aussi bien car elles sont moins refroidies. Ce qui dégrade le rendement. Pour tenir compte de cela, on considère que celui-ci évolue comme sur la figure Combinaisons étudiées pour une maison individuelle - Schémas de principe Combinaison CS Capteurs colaires Combinaison CR Combinaison CRbis Une chaudière, avec un préchauffage par une installation thermique. Combinaison CSR Une chaudière, avec un préchauffage par un récupérateur de chaleur sur les eaux grises, relié au mitigeur de douche. Combinaison CSRbis Une chaudière, avec un préchauffage par un récupérateur sur les eaux grises relié à l arrivée d eau froide de la chaudière. Combinaison BS Capteurs s Capteurs s Capteurs s Autres points thermodynamique Une chaudière, avec un préchauffage par une installation thermique ET un récupérateur relié au mitigeur de douche. Combinaison BR Une chaudière, avec un préchauffage par une installation thermique ET un récupérateur relié à l arrivée du ballon de la chaudière. Combinaison BRbis Un ballon thermodynamique, avec préchauffage par une installation thermique. thermodynamique thermodynamique Un ballon thermodynamique, avec préchauffage par un récupérateur de chaleur sur les eaux grises, relié au mitigeur de douche. Un ballon thermodynamique, avec préchauffage par un récupérateur relié à l arrivée d eau froide du ballon. 54 CHAUD FROID PERFORMANCE N Avril 2014

6 2.5 Combinaisons étudiées pour des logements collectifs - Schémas de principe Combinaison CS Capteurs s Combinaison CR Combinaison CRbis Bouclage ECS Une chaudière, avec un préchauffage par une installation thermique. Combinaison CSR Bouclage Bouclage ECS ECS tique Une chaudière, avec un préchauffage par un récupérateur de chaleur sur les eaux grises, relié au mitigeur de douche. Combinaison CSRbis Bouclage ECS ECS érateur Une chaudière, avec un préchauffage par un récupérateur sur les eaux grises relié à l arrivée d eau froide de la chaudière. Capteurs s Capteurs s Bouclage ECS Bouclage ECS Une chaudière, avec un préchauffage par une installation thermique ET un récupérateur relié au mitigeur de douche. Une chaudière, avec un préchauffage par une installation thermique ET un récupérateur relié à l arrivée du ballon de la chaudière. Coefficients horaires, journaliers et mensuels utilisés pour la simulation Besoins moyens d'ecs en litres/jour à 60 C Nombre de personnes Consommation moyenne Source : étude Amoes. Répartition hebdomadaire - Coefficients cj (Σcj = 7) Lundi Mardi Mercredi Jeudi Vendredi Samedi Dimanche 0,98 0,96 0,97 1,00 1,00 1,02 1,10 Source : étude Tecsol/Enerplan Répartition mensuelle - Coefficients cm (Σcm = 12) Janvier Février Mars Avril Mai Juin 1,20 1,22 1,19 1,10 1,01 0,88 Juillet Août Septembre Octobre Novembre Décembre 0,66 0,60 0,90 1,03 1,08 1,13 Source : étude Tecsol/Enerplan Répartition horaire - Coefficients αi (Σαi = 24) Période Semaine Samedi Dimanche 1 0,02 0,06 0,05 2 0,02 0,04 0,05 3 0,01 0,02 0,02 4 0,01 0,02 0,02 5 0,02 0,01 0,02 6 0,20 0,05 0,02 7 1,60 0,35 0,04 8 3,30 1,07 0,36 9 1,80 2,21 1, ,50 2,59 2, ,23 2,63 3, ,90 1,83 2, ,10 1,50 1, ,42 1,94 1, ,80 1,72 1, ,50 1,06 1, ,54 0,73 0, ,85 0,89 0, ,65 1,38 1, ,90 1,34 1, ,25 1,19 1, ,30 0,60 0, ,78 0,44 0, ,30 0,33 0,19 Source : guide de l'aicvf CHAUD FROID PERFORMANCE N Avril