Expérimentation de capteurs solaires thermiques peu coûteux et intégrés au bâtiment

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1 GROUPE DE RECHERCHES ECOLOGIQUS DE LA BAIE Expérimentation de capteurs solaires thermiques peu coûteux et intégrés au bâtiment Rapport de stage Master 2 Génie de l habitat Université Paul Sabatier TOULOUSE III Tuteur universitaire : Mlle Sandra Spagnol Maitre de stage : Mr Patrick Déry Pierre MOLLIER 01/08/2011 Présentation d une méthodologie de mesure et d analyse de performance de capteurs solaires thermiques peu coûteux et intégrés au bâtiment.

2 Remerciements Je tiens à remercier et à témoigner ma reconnaissance à toutes les personnes intégrant le Groupe de Recherches Ecologiques de la Baie, pour leur accueil et pour cette expérience très enrichissante, pleine d intérêt, aussi bien d un point de vue personnel que professionnel. Je remercie tout particulièrement mon tuteur de stage, Monsieur Patrick Déry, pour son accueil, ses conseils, sa patience et pour m avoir fait partager son expérience, ses idées, ses compétences et pour le temps qu il m a consacré. Je remercie également ma tutrice universitaire Mlle Spagnol, Monsieur Bertaud, Madame Lartigue et Madame Thellier pour leurs suivis et leur présence malgré la distance. De plus j adresse mes remerciements à l université Paul Sabatier, département Génie de l habitat, à l ensemble des professeurs et intervenants et avant tout, à toute l équipe pédagogique, pour ces trois heureuses années d enseignements et de collaboration. Je n oublie pas non plus mes camarades de promotion 2010/2011, fort dynamique et fédérée!

3 SOMMAIRE Remerciements... 1 I/ Présentation du GREB Le GREB, Groupe de Recherches Ecologiques de la Baie L équipe du GREB La recherche de solutions Domaines d intervention Travail réalisé au sein du GREB Evaluation de capteurs solaires thermiques peu coûteux et intégrés au bâtiment Evaluation de la captation de la chaleur excédentaire d une serre par fluide caloporteur... 3 II/ Intérêt de développer des capteurs solaires thermiques peu coûteux au Québec Introduction Contexte au Québec : du potentiel solaire mais très peu d incitation Le Québec : un potentiel solaire intéressant Le solaire thermique Québécois bénéficie d une aide financière peu populaire Auto-construction de capteurs solaires peu coûteux en réponse à ces contraintes L énergie solaire thermique accessible à tous... 7 III/ Méthodologie de mesure et d analyse des capteurs solaires thermiques du GREB Proposition de protocole et d analyse des mesures Journée de mesure Conditions nécessaires des mesures en laboratoire Limites et contraintes des mesures in-situ : Condition générale de mesures (mesures effectuées et appareils utilisés) Acquisition de données et calibration des entrées Mémorisation des données Traitement des données et calcul du rendement Détermination des caractéristiques du capteur en fonction des courbes de rendement et comparaison Détermination de la production de chaleur et de l intérêt économique Archivages des données... 13

4 IV/ Expérimentation des capteurs solaires thermiques du GREB Description du 1 er Prototype Composition du capteur Description du réseau Recueil de mesures et analyse du premier capteur Détermination du rendement du 1 er capteur Comparaison aux systèmes conventionnels Optimisation visant la réalisation et l évaluation d un second capteur Réalisation et évaluation du 2 nd capteur optimisé Description du 2 nd capteur Montage et réalisation du 2 nd capteur Détermination du rendement et des caractéristiques du 2 nd capteur Analyse des productions d ECS et de l intérêt économique Détermination des besoins Détermination de la production solaire d eau chaude sanitaire Détermination de l intérêt économique Caractéristiques du capteur GREB V/ Perspectives d avenir et conclusion ANNEXES ANNEXE 1 : La calibration des mesures ANNEXE 2 : Caractéristique de la couverture transparente polycarbonate ANNEXE 3 : Caractéristique appareils de mesure Annexe 3.1 : Température extérieure Annexe 3.2 : Température en entrée et sortie de capteur Annexe 3.3 : Rayonnement solaire global ANNEXE 4 : Nuage de points caractéristique des rendements des prototypes ANNEXE 5 : Informations générales et efficacité du capteur modèle G32-P ANNEXE 6 : Représentation graphique surfacique du rendement ANNEXE 7 : Evolution de la température du réservoir durant une journée de mesure représentative. Prototype ANNEXE 8 : Descriptif quantitatif et prix des capteurs GREB Bibliographie générale... 47

5 I/ Présentation du GREB 1.1 Le GREB, Groupe de Recherches Ecologiques de la Baie Le GREB (Groupe de Recherches Ecologique de la Baie) a débuté ses opérations en Il est constitué sous la forme d un organisme à but non-lucratif (OBNL) dont la mission est de favoriser l essor d un mode de vie écologiquement, socialement et économiquement viable. Cette recherche s effectue avec une forte préoccupation pour une occupation et un développement rationnels du territoire. Les trois axes d intervention du GREB sont les suivants : recherche, expérimentation, éducation et action civique. La spécificité du GREB consiste en l application dans la vie quotidienne des solutions élaborées par les chercheurs. En mettant directement en œuvre les solutions préconisées, il est possible d en découvrir non seulement les forces et les avantages mais aussi les obstacles, les difficultés et les failles. Les réalisations à l actif du GREB ont donc passé le test de la pratique et de la vie et ce, tant du point de vue technique et économique que du point de vue social et psychologique. Le GREB regroupe un certain nombre d entités juridiques et physiques, liées ou non au site de l Écohameau de La Baie dont le GREB est fondateur. Ainsi, sont mis en réseau au sein du GREB la coopérative de consommateurs du GREB, la ferme expérimentale Les Vallons de Chambreule, des individus, des organismes et des entreprises. Les membres du GREB élaborent la vision et les concepts qui les réunissent en son sein et qui motivent leur action. 1.2 L équipe du GREB Président : Patrick Déry, B.Sc., M.Sc, physicien. Domaines : analyses et politiques énergétiques, projets d énergies renouvelables, analyses des méthodes agricoles, d aménagement du territoire et d urbanisme au regard de l énergétique. Vice-président : Pierre Gilbert, chargé de projet. Domaines : construction en paille technique du GREB, foyers de masse thermique, conférences. Secrétaire : Dominique Coulombe, B.A. communication. Domaines : communication publique, représentation, éducation traditionnelle et alternative, art-thérapie. Trésorière : Marie-Thérèse Thévard, agricultrice. Domaines : éducation alternative, jardinage écologique Martin Simard, B.A. architecture. Domaines : design architectural, ébénisterie. Pascal Gagnon, B. Sc. Informatique. Domaines : marketing, relocalisation économique, économie postpétrolière. Mario Girard, B.Sc., M.Sc. physicien. Domaines : matériaux composites, modélisation, microturbines hydrauliques, moteurs stirling, projets d énergies renouvelables. 1.3 La recherche de solutions Le GREB recherche des solutions concrètes aux problèmes environnementaux, économiques et sociaux, qu ils soient locaux ou globaux. Applicables dans la vie quotidienne, ces solutions concernent le Mollier Pierre Master Génie de l habitat, UPS Toulouse Stagiaire au GREB 1

6 plus souvent les modes de vie (adaptation sociale aux problèmes) mais elles sont aussi souvent techniques ou technologiques (adaptation technique aux problèmes). Le seul point de vue économique n est pas viable à moyen et long terme car, généralement, les conséquences sont reportées sur les générations futures. Aussi, les solutions «toutes technologiques» ne garantissent pas non plus la viabilité à long terme de nos sociétés, si les habitudes de vie et les structures de fonctionnement ne sont pas repensées en profondeur. Au GREB, la recherche et l expérimentation de solutions viables à la société dans son ensemble est une préoccupation constante. Chaque solution sociale, technique ou technologique est expérimentée de façon concrète et quotidienne par des chercheurs, ce qui permet d en évaluer autant les avantages que les obstacles, une condition essentielle pour déterminer les conditions réelles d application. Ces solutions expérimentées quotidiennement touchent notamment l énergie (sources alternatives, efficacité énergétique, habitudes de consommation ), l aménagement du territoire (urbanisme écologique, écohameaux et écovillages, transport ), l architecture (construction bioclimatique solaire, cycle de vie des matériaux, mécanique du bâtiment ) et l agroalimentaire (agriculture de proximité, maintien de la fertilité, alimentation de saison ). De plus, le GREB réalise des études pour divers clients et ce, autant pour des projets concrets que pour des questions touchant les politiques énergétiques, agricoles ou d aménagement du territoire. 1.4 Domaines d intervention Le GREB développe la recherche et des expérimentations sur les thèmes des énergies renouvelables (bois-énergie, biocarburants, micro-hydroélectricité, solaire passif et thermique, éolien, etc.), de l habitat et de l architecture écologiques (bioclimatique, efficacité énergétique), des écohameaux, du développement rural et local, de l occupation et de l aménagement du territoire, des économies territoriales, de l agriculture paysanne, biologique, écologique et durable et des modes de vie écologique (simplicité volontaire, sobriété), de l alimentation locale et saine etc Il réalise également des actions publiques et civiques dans les domaines de l architecture, l énergie, les ressources renouvelables et non renouvelables, les transports, le développement territorial, l agriculture, la foresterie, les modes de vie et santé, les approches communautaires, la sécurité alimentaire et la biosécurité et la gouvernance locale 1.5 Travail réalisé au sein du GREB Evaluation de capteurs solaires thermiques peu coûteux et intégrés au bâtiment - Méthodologie ; - Instrumentation ; - Mesures expérimentales sur le premier capteur ; - Design d un second capteur ; - Fabrication second capteur ; - Mesures expérimentales sur le second capteur ; - Réalisation de deux feuilles de calcul pour la simulation de la production d ECS. 2

7 1.5.2 Evaluation de la captation de la chaleur excédentaire d une serre par fluide caloporteur - Méthodologie ; - Instrumentation ; - Mesures expérimentales ; - Ajustements du système de captation en place ; - Réalisation d une feuille de calcul pour simulation de la production d eau chaude pour pisciculture et/ou piscine. Ce rapport de stage traite du projet lié à l évaluation de capteurs solaires thermiques peu couteux et intégrés à la toiture de l un des bâtiments multifonctionnels du GREB. 3

8 II/ Intérêt de développer des capteurs solaires thermiques peu coûteux au Québec 2.1 Introduction Ce rapport porte sur la conception, la réalisation et l évaluation énergétique et économique de capteurs solaires peu couteux, intégrés au bâtiment et réalisé par le GREB. Le document présente tout d abord la méthodologie suivie pour effectuer les mesures, permettant l analyse des performances et une comparaison avec des systèmes conventionnels équivalents et une méthode de réalisation. L objectif est avant tout d évaluer la pertinence d une telle réalisation, ses avantages et ses inconvénients, condition essentielle pour déterminer ses possibilités réelles d applications. L analyse se portera tout d abord, sur la présentation et l évaluation du rendement d un premier capteur thermique, déjà conçu à mon arrivée (voir photo ci-contre). L analyse de ce premier capteur permet d évaluer un premier niveau de performance, rapidement utilisé comme base pour la réalisation d un second capteur optimisé, sur lequel se portera l analyse principale. Le concepteur d un système de chauffage solaire a besoin de données sur le rendement thermique des capteurs pour deux raisons : d abord, ces données sont utilisées pour classer les capteurs par valeur, facteur déterminant pour leur sélection ensuite, ces données sont indispensables au niveau même de leur conception. Plus spécifiquement, ces données servent à déterminer le format de la batterie de capteurs nécessaires pour satisfaire à une demande de chauffage particulière. L objectif du GREB est de donner libre accès à cette technologie, de basse complexité pour permettre le déploiement de l énergie solaire thermique sur l ensemble du territoire québécois notamment dans les milieux ruraux. L intérêt est tout d abord de proposer une solution alternative à une énergie «gratuite» bien trop inaccessible au Québec ; le solaire thermique résidentiel. En effet, l achat et l installation de capteurs solaires thermiques trop couteux, corrélée à des aides financières insuffisantes et un coût de l énergie faible, ne favorise guère l essor du solaire thermique résidentiel au Québec. De plus, le contexte environnemental actuel d épuisement des énergies fossiles, laisse présager une forte augmentation du coût de ces systèmes aussi bien pour leur fabrication, transport qu au niveau de la maintenance. Ceci s applique particulièrement en zones rurales, ou l impact économique et environnemental lié au transport et à la maintenance des systèmes accroissent le surcoût. L enjeu est donc de permettre à tous, l accès à une énergie propre et très peu coûteuse, facilement accessible (afin de limiter son impact environnementale et économique, tout en garantissant un certain niveau de performance) et réalisable, dans un pays comme le Québec, où le potentiel solaire est très intéressant. 2.2 Contexte au Québec : du potentiel solaire mais très peu d incitation Le Québec : un potentiel solaire intéressant 4

9 Le Québec possède des ressources solaires tout à fait intéressantes et suffisantes pour le développement du solaire thermique. Cependant, cette filière est largement en retard par rapport à grand nombre de pays Européens qui, pour autant, ne profite pas d une quantité d ensoleillement aussi importante qu au Québec. Le potentiel photovoltaïque atteints plus de 1100 kwh/kw au Québec, alors qu il est d environ 850 kwh/kw à Berlin ou à Tokyo (voir tableau 1 suivant), capitales de deux pays qui font figure de pionniers dans ce domaine. Ce tableau, relatif au potentiel photovoltaïque (PV) et non au solaire thermique, permet tout de même d indiquer de niveau du potentiel solaire du Québec. Figure 1 : Classement PV des municipalités en fonction du potentiel PV annuel (panneau PV orienté vers le sud avec inclinaison=latitude) 1 Le Québec profite de fait d un niveau d ensoleillement enviable. Selon la Société de l énergie solaire du Canada, Montréal enregistre un potentiel photovoltaïque annuel de kilowatts/heure (kwh) sur une surface plane. C est beaucoup plus que Londres (728 kwh) ou Paris (938 kwh). Berlin, capitale de la République fédérale d Allemagne, et pays phare de l énergie solaire, ne totalise que 848 kwh. «Il ne faut pas confondre température élevée et potentiel solaire². À titre de comparaison, Rio de Janeiro, avec kwh, n affiche qu une performance à peine supérieure à Québec ou Montréal» selon Jean-Pierre Desjardins. Les conditions d ensoleillement sont donc tout à fait suffisantes pour l utilisation d un chauffe-eau solaire. Malgré son climat rigoureux, le Québec bénéficie donc d un niveau d ensoleillement élevé, même en hiver. Le potentiel est là, il suffit donc d en tirer le meilleur parti, au meilleur coût possible, puisque même les incitations financières gouvernementales, ne suffisent pas pour le moment, à développer cette filière. En effet, les coûts de fabrication mais surtout les frais d installation bien trop élevés ; Le solaire thermique Québécois bénéficie d une aide financière peu populaire Le retard du solaire thermique au Québec est dû en majeure partie au laxisme des gouvernements fédéraux et provinciaux à investir dans la recherche et le développement de la filière solaire. Le peu de sensibilisation des Québécois à l'énergie solaire, obnubilés par l'hydroélectricité bon marché et 1 Cartes d ensoleillement et du potentiel d énergie solaire photovoltaïque du Canada : ² Portail du bâtiment durable au Québec : 5

10 directement accessible, explique aussi pourquoi le Québec est si en retard dans ce domaine. De plus, le Québec compte peu de vendeurs et d installateurs d équipements d énergie solaire thermique, ce qui explique en grande partie des coûts d installation si élevés. Ainsi le potentiel de retombées locales est très faible tout d abord au niveau de l installation mais aussi pour la fabrication, les équipements étant fabriqués en quasi-totalité, si ce n est totalement, à l extérieur du Québec. L'énergie solaire est généralement méconnue et laissée pour compte par les programmes gouvernementaux de développement des énergies renouvelables au Québec. Cependant, en juin 2009, un programme de subventions à l'achat de chauffe-eau solaires à été lancé par l'agence de l'efficacité énergétique (AEE) pour tenter de développer ce domaine au Québec, mais celui-ci n'a pas connu le succès espéré. L Agence de l efficacité énergétique espérait recruter 600 clients. Au terme du projet, soit plus d un an plus tard, seulement 70 systèmes étaient installés. Le programme n a pas fonctionné à cause d un coût d achat et d installation beaucoup plus élevé que prévu pour cette technologie avec un retour sur investissement alors estimé à 36 ans 1! Ce flop est principalement lié au manque d installateurs qualifiés et à une technologie trop coûteuse comme nous l avons vu précédemment. Le développement de cette filière solaire se bute ainsi à trois grands obstacles : La croyance populaire d un Québec, patrie du froid où le potentiel solaire est perçu comme faible ou inexistant ; La grande disponibilité de l hydroélectricité, une ressource renouvelable et très peu coûteuse ; La quasi-absence d incitatifs gouvernementaux qui, lorsqu ils existent, requiert de fortes exigences, augmentant d autant plus les coûts investis. 2.3 Auto-construction de capteurs solaires peu coûteux en réponse à ces contraintes Ce projet d auto-construction de capteurs solaires thermiques peu coûteux du GREB, répond parfaitement à ces problématiques en proposant une «low-technologie» accessible à tous. La production de capteurs solaires thermiques toujours plus performants nécessite une forte consommation d énergie, de la production au transport jusqu'à l implantation. Ce rapport présente l évaluation de capteurs solaires thermiques, réalisables par des personnes qualifiées ou non, en utilisant des matériaux accessibles afin de limiter l impact environnemental et économique d une telle conception, tout en garantissant un certain niveau de performance. Leur intégration au bâti est une condition principale de leur implantation puisque cela permet de réduire fortement les coûts d investissement : l isolant et la tôle architecturale faisant office d absorbeur sont compris dans le prix de la toiture. Ainsi l objectif est de définir une construction simple avec des matériaux accessibles, un niveau de performance, pour une bonne durée de vie et une faible maintenance. En effet, les enjeux technologiques concernent des questions de diminution de coûts d installation principalement mais également de fabrication (avec l augmentation continue du prix des énergies fossiles), permettant de réduire le temps d amortissement de ces systèmes, dans un pays comme le Québec où le potentiel solaire est satisfaisant. Le moyen le plus significatif pour réduire au maximum les coûts de production et d installation, tout en limitant l impact environnemental lié à la conception et au transport de ces systèmes, serait alors de les produire localement par le biais d ateliers coopératifs, d ouvriers de la 1 Chauffe-eau solaire : flop d un projet vert : 6

11 construction, de petites entreprises locales ou par le particulier suffisamment habile. Cela permettrait de développer le potentiel socio-économique encore inexploité, du solaire thermique au Québec. 2.4 L énergie solaire thermique accessible à tous Le GREB, association à but non lucratif, à choisi d investir ses propres fonds dans cette recherche pour permettre un libre accès à l énergie solaire thermique au Québec. En effet les retombées financières directe de ce type de recherche sont faibles voire nulles, elles ne permettent donc pas de financer le projet en lui-même. Ceci n intéresse pas les plus gros laboratoires de recherche qui quand à eux, nécessitent des investisseurs et donc des retombées financières. Ainsi il n est pas possible d investir et d utiliser une méthode et des appareils équivalents à ceux de plus grands laboratoires certifiant les capteurs solaires thermiques mais il est cependant, fortement possible de s en inspirer. Au Québec, ce type de recherche n est pas finançable, puisque l objectif n est pas d obtenir des bénéfices mais d aider simplement la population à faire eux même les choses (empowerment ou autonomisation), en l occurrence subvenir à ses propres besoins énergétiques. La population en milieu rural perd ses possibilités d accéder de façon durable à l énergie, les aides au développement rural étant faibles. Ce type de recherche peut donc s apparenter à de la recherche sociale ou communautaire. La finalité serait de permettre le développement de micro entreprises capables de réalisées ses propres capteurs, voire même de réaliser et de fournir d autres systèmes de production d énergie, accessibles, efficaces et économiques. Ceci permettrait alors un réel développement social et économique des zones rurales concernées. Cette étude pourrait également être développée à plus grande échelle et s appliquer à d autres pays, comme ceux en voie de développement, où l accès à l énergie est bien souvent limité ou inexistant, ou dans des pays industrialisés où le prix de l énergie est bien plus important qu au Québec. L objectif du GREB est donc de fournir une méthode de conception et d analyse des performances de ces capteurs, afin d évaluer leurs pertinences et leurs domaines d application. III/ Méthodologie de mesure et d analyse des capteurs solaires thermiques du GREB L objectif de ce chapitre est de présenter une méthode d analyse pour que cette étude soit reproductible dans le temps, en vue d une amélioration continue des capteurs proposés. Afin de déterminer au mieux les performances des capteurs solaires thermique réalisés par le GREB, il est important de proposer une méthode de mesure et d analyse, simple, rigoureuse mais également peu couteuse. Ainsi le GREB s inspire des méthodes d analyse effectuées dans les laboratoires (NITS et ASHRAE) certifiant les capteurs solaires conventionnels, pour réaliser ces mesures et analyses et ainsi permettre une certaine compatibilité des résultats. Voici, dans un premier temps, le protocole suivis pour les mesures dans d autres laboratoires, puis au GREB, les appareils utilisés ainsi que les méthodes de calculs de rendement et de production annuelle. 7

12 3.1 Proposition de protocole et d analyse des mesures Relevé des mesures Journée de mesure (voir 3.1.2) et relevé des différentes mesures (voir 3.1.3). T C ambiante, T C capteur, rayonnement global, débit. Acquisition de donnée calibration Mémorisati on des données Acquisition des données par système d'acquisition DATAQ Instrument (voir 3.1.4). Conversion et calibration des tensions mesurées selon l'unité souhaitée. Vérification des calibrations et visualisation des mesures. Analyse des mesures et mémorisation des données sur logiciel Windaq (voir 3.1.5). Traitement des données Archivage Traitement des données sur tableur Excel, logicel MATlab (voir 3.1.6) Détermination des rendements, déduction des caractéristiques du capteur et des productions et comparaison avec d'autres capteur sconventionnels (voir ; et 3.1.9). Tenu du cahier de laboratoire tout au long des expérimentations. Rédaction de rapport en vue de la publication. 3.2 Journée de mesure Conditions nécessaires des mesures en laboratoire Les caractéristiques du rendement thermique d'un capteur peuvent être calculées par analyse, en utilisant les propriétés optiques et les propriétés de transfert de chaleur connues des éléments constituants ou encore de façon expérimentale. Comme de nombreux capteurs commerciaux sont fabriqués à partir de matériaux et de méthodes qui ne sont pas adéquatement décrits au point de vue transfert de chaleur et propriétés optiques, il est maintenant pratique courante de déterminer les caractéristiques de rendement thermique des capteurs de façon expérimentale, au moyen de rayonnement solaire naturel ou simulé. Les matériaux utilisés pour la conception des capteurs thermiques du GREB sont obtenus localement, leurs propriétés optiques et thermiques ne sont jamais clairement définies, c est pourquoi les rendements sont uniquement déterminés par des mesures expérimentales sur rayonnement solaire naturel sur une ou plusieurs journées de mesures. Le calcul des caractéristiques de rendement thermique d'un capteur a d'abord été formalisé par le National Bureau of Standards en 1974 (aujourd hui nommé NITS) avec une méthode de mesure extérieure. Ainsi, leurs essais statiques sont pratiqués pour une gamme de température du fluide caloporteur à l'entrée du capteur, dans des conditions de rayonnement clair et constant, le soleil étant près de son azimut ou lorsque le rayonnement solaire est presque normal à la surface du capteur. Il est reconnu que les caractéristiques d'un capteur déterminées à partir de l'angle d'incidence presque nul, ne représentent pas fidèlement le comportement d'un capteur en fonctionnement normal, parce que l angle d incidence varie selon l heure du jour. Pour pallier cette déficience, I'American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers (ASHRAE), a mis au point la norme ASHRAE 93-77, pour les essais thermiques des capteurs. La méthode est similaire à celle du NITS, mais elle comprend aussi un essai intérieur pour déterminer les variations du rendement du capteur avec l angle d'incidence et un autre pour déterminer le 8

13 temps de réponse thermique du capteur. Les deux méthodes, NITS et ASHRAE, sont loin d'être idéales pour le Canada parce que les conditions requises pour les essais (journées claires et ensoleillées, vents légers et réflexion du sol faible) ne se produisent que rarement au Canada, particulièrement en hiver. Il convient de considérer deux autres méthodes d'essai pour les conditions canadiennes. Il s'agit de la méthode et de la simulation solaire intérieure. La méthode ASE, mise au point en Allemagne, comprend un essai extérieur pour déterminer l'efficacité maximale du capteur et un essai thermique intérieur, pour déterminer les coefficients de perte thermique (voir 3.3.7) Limites et contraintes des mesures in-situ : Le GREB s inspire ainsi de ces différentes méthodes pour réaliser ses propres journées de mesures. En effet, de nombreuses contraintes ne permettent pas de les reproduire dans l exactitude. Tout d abord, les limites de budget et le fait, que les capteurs sont testés sur leur lieu d implantation, intégrés au bâtiment, ne permet pas d effectuer des mesures intérieures et extérieures sur bancs d essais. La détermination du rendement est représentative de la réalité puisque les mesures sont effectuées sur le site d implantation en extérieur, en mode de fonctionnement normal, lors de journées complètes. Le rayonnement et les angles d incidence sont ainsi variables et représentatif du fonctionnement d utilisation réel du capteur et non en condition optimales, sous un rayonnement simulé en laboratoire. Cependant, Il est important de noter que les capteurs du GREB sont installés selon une orientation à 30 sud-est réduisant tout de même les performances du capteur à hauteur de 5 % environ 1 par rapport au test effectué en laboratoire avec une orientation plein sud. C est pourquoi les rendements obtenus pour nos mesures en champ seront inférieurs à celles obtenus en laboratoire, mais s approcheront suffisamment de la réalité, avec des mesures en condition réelles. Il est important de prendre ainsi du recul lors de la comparaison avec des produits conventionnels testés en laboratoire. Un autre inconvénient provient du nombre important de variables lors des journées de mesure : le rayonnement, la température ambiante, la température intérieure du capteur, soit la quasi-totalité des valeurs nécessaires pour la détermination du rendement. Il faut donc parfois réaliser plusieurs journées de mesure avant d obtenir des résultats significatifs. Une journée de mesure a même été effectuée sur deux autres capteurs conventionnels (un capteur plan et un sous-vide), installés sur le site du GREB et ce pour permettre une corrélation entre les performances obtenues avec des produits conventionnels analysés sur site, et les prototypes du GREB. Ces journées de mesures nécessitent une présence particulière continue tout au long de la journée pour l acquisition des données et non donc pas pu être renouvelées. Elles n ont malheureusement pas permis d obtenir des résultats significatifs en raison de condition météorologique particulière durant cette journée. a) Contraintes sur le rayonnement Les mesures sont effectuées l été 2011, durant le mois de juin et de juillet, lors de journées claires pour obtenir le rayonnement maximum et lorsque le soleil est proche du solstice d été pour s approcher ainsi au mieux du rayonnement maximum simulé en laboratoire (1000 W/m²). Le budget limité lié à ce type d étude à faibles retombées financières, ne permet pas de se doter d appareils de mesure aussi performants qu en laboratoire. Ainsi la mesure du rayonnement solaire reçu ne s effectue pas avec un pyranomètre beaucoup trop couteux, mais avec un capteur d insolation (globale et diffus) dont l incertitude atteint plus ou moins 5% de l échelle totale de rayonnement, soit environ plus ou moins 80 W/m². Lors de certaines journées de mesure, le rayonnement après calibration pouvait atteindre jusqu à 1150 W/m². En pratique, le rayonnement reçu par la Terre au niveau du sol n'est que de 1000 W/m² au maximum. Ce rayonnement n'est obtenu que quelques jours par an sous nos latitudes. Les valeurs de 1 Influence de l orientation sur l énergie captée : 9

14 rayonnement mesurées sur un plan incliné sont donc trop importantes. Pour palier à ce problème, toutes les valeurs de rayonnement sont normalisées en prenant comme référence, la valeur maximale sur la journée, normalisée à 1000 W/m². b) Contraintes sur les températures Le réseau ne possède pas de régulation. Il n est donc pas possible de choisir une gamme de températures du caloporteur à l'entrée du capteur, nécessaire à la détermination du coefficient de performance maximum et des pertes thermiques du capteur. Le réseau est cependant couplé à un plancher chauffant. Ainsi il est possible de réduire ou d augmenter la température en entrée de capteur en laissant circuler ou non, le fluide caloporteur dans le plancher pour y céder des calories (voir schéma réseau en 4.1.2). Autre variable sur laquelle aucun contrôle n est possible ; celle de la température ambiante puisque le capteur est positionné à l extérieur. Il est donc nécessaire d effectuer un grand nombre de journées de mesure pour espérer obtenir des résultats significatifs en couplant les différentes variables entre elles, afin de déterminer l efficacité maximum et les pertes du capteur, sur toute la plage de température et selon différents rayonnements. 3.3 Condition générale de mesures (mesures effectuées et appareils utilisés) Dans chaque enquête de mesure, les mesures suivantes seront relevées de la même manière et analysées avec les même appareils et systèmes d acquisition de données permettant une meilleure compatibilité entre les résultats. Le tableau suivant présente les différentes mesures nécessaires et le matériel utilisé pour déterminer le rendement des capteurs : Ces mesures doivent être effectuées dans les mêmes conditions : La température extérieure est mesurée sous abris avec un capteur de température et d humidité relative. Le rayonnement solaire est quand à lui mesuré sur la toiture du bâtiment comprenant les deux premiers capteurs testés, avec la même pente et orientation que celle des capteurs. Les températures en entrée et sortie du capteur sont obtenues pas des thermo-résistances placées à- même le collecteur en cuivre, dans lequel circule le fluide caloporteur. Le contact est assuré par de la pâte thermique. 10

15 3.4 Acquisition de données et calibration des entrées Un système d acquisition de données «DATAQ Instrument» Dl-710 permet de collecter jusqu à 16 valeurs simultanément, ces valeurs doivent être des tensions exprimées en volts. Une calibration permet de convertir les tensions dans l unité des valeurs mesurées ( C, HR% et W/m²). Ainsi la calibration du rayonnement et de la température des capteurs thermiques extérieurs est assez simple puisqu elle est linéaire par rapport à la tension. Ce n est pas le cas des températures d entrée et de sortie du capteur, mesurées par des thermo-résistances qui sont non linéaires et nécessitent donc une calibration particulière. Les différentes calibrations sont présentées en annexe Mémorisation des données Les valeurs enregistrées par le système d acquisition DATAQ sont ensuite transférées et analysées avec le logiciel Windaq. Celui-ci permet d ajuster les calibrations effectuées, de visualiser les courbes de mesures obtenues et de mémoriser les valeurs calibrées dans leurs unités respectives. Les données Windaq sont enregistrées sous le format «.wdc». Elles sont ensuite extraites sous format «.csv» permettant leur conversion en format «.xls» pour être analysées sur tableur Excel. 3.6 Traitement des données et calcul du rendement Les données sont alors regroupées sur Excel, y compris les caractéristiques du capteur tel que sa surface, le débit imposé, le volume de stockage etc. Ceci permet de déterminer la puissance délivrée par le capteur et son rendement défini comme le rapport entre la puissance délivrée par le capteur et la puissance solaire reçue : η = Puissance délivrée par le capteur Flux solaire reçu par le capteur La puissance délivrée par le capteur est donnée par la formule suivante : P = q.ρ.cp.(ts-te) avec : - q le débit exprimé en L/min ; - ρ la masse volumique de l eau en Kg/m 3 ; - Cp la capacité thermique massique de l eau (4186 J kg -1 K -1 ) ; - Ts et Te la température (variable) en sortie et en entrée du capteur en C. Le flux solaire est mesuré à proximité du capteur avec un capteur de rayonnement solaire incliné et orienté selon le capteur. Le pas de temps d enregistrement des mesures est d une seconde. Les valeurs sont ensuite moyennées à la minute permettant d effectuer le calcul de puissance et de rendement. Ceci permet enfin de tracer les courbes de rendement représentatives des performances du capteur comme décrites ci-après. 3.7 Détermination des caractéristiques du capteur en fonction des courbes de rendement et comparaison A partir des courbes de rendement, il est possible de définir les caractéristiques optiques et thermiques du capteur en question. La méthode de calcul de rendement présentée par l ISES 11

16 (International Solar Energy Society) quantifie les pertes thermiques par conduction et convection grâce à un seul coefficient F R U C utilisé dans l équation du 1 er ordre (1), alors que la méthode européenne introduit deux coefficients a 1 (pertes par conduction et conduction) et a 2 (perte par rayonnement) dans l équation du 2 nd ordre (2). Equation du 1 er ordre : η = F R τ S α S F R U C ( DT G ) (1) Figure 2 : Représentation graphique du rendement thermique d'après l'ashrae F R τ S α S est un paramètre utilisé pour caractériser l'efficacité optique (η 0 ) du capteur, représentatif de l efficacité maximum. Le facteur optique est le rapport entre l'ensoleillement absorbé par l'absorbeur et l'ensoleillement incident sur le vitrage. Ce facteur optique est le produit du facteur de transmission du vitrage par le coefficient d'absorption de l'absorbeur. F R U C est un paramètre utilisé pour caractériser les pertes thermiques du capteur [(W/m²)/ C]. DT est la différence de température entre le fluide caloporteur à l'entrée du capteur et la température extérieure [ C]. G est l'intensité du rayonnement global incident dans le plan du capteur [W/m²]. A partir de la courbe de rendement, il est possible de déterminer les caractéristiques de performance du capteur en question. Le facteur optique (F R τ S α S ) est déterminé par la valeur à l interception et le facteur thermique (F R U C ) est déterminé par la pente de la courbe (voir figure 2). La figure 2 est une représentation graphique de l efficacité d'un capteur. Figure 3 : détermination des coefficients Souvent on obtiendra une courbe au lieu d'une ligne droite parce que le coefficient de perte thermique n'est généralement pas constant. Les caractéristiques du capteur FR, Ta et UL peuvent donc être évaluées à partir de la courbe d'efficacité obtenue expérimentalement. La courbe de rendement est tracée en fonction de la différence de température entre le capteur et l air ambiant. Ainsi le rendement du capteur diminue lorsque l écart de température augmente puisque la perte thermique du capteur 12

17 augmente. Cette courbe est soit fonction du rayonnement (Delta T / G) soit fonction du Delta T uniquement. Equation du 2 nd ordre : η = F R τ S α S a 1 ( DT G ) - a 2 ( DT² G ) (2) Cette équation permet de dissocier les pertes par conduction avec le coefficient a 1 (exprimé en W/K.m²) de celles par convection 1 avec le coefficient a 2 (exprimé en W/K².m²). Cette seconde équation nécessite une analyse sur MATlab pour obtenir une surface représentative en fonction de l écart de température entre le capteur et l air ambiant (variable X), du rayonnement reçu (variable Y) et du rendement obtenu (variable Z). Les variables sont intégrées sous forme matricielle après exclusion des valeurs erronées sur tableur Excel (rendement supérieur à 100% ou inférieur à zéro etc ), pour une meilleure corrélation (supérieure à 90 %) entre valeurs d entrée (points en bleu sur la figure 3) et surface obtenue (surface colorée sur la figure 3). Après ajustage et paramétrage de l équation (2), les valeurs des coefficients de performances du capteur (F R τ S α S, a 1 et a 2 ) sont déterminées (figure 4 ci-contre). Il est ensuite possible de tracer les surfaces représentatives des performances du capteur GREB (Z1) en fonction d un capteur standard (Z2) pour effectuer une comparaison (figure 5), en utilisant le modèle de programmation sous éditeur MATlab suivant : Figure 4 : Editeur surface graphique Figure 5 : Comparatif des surfaces représentatives des rendements 3.8 Détermination de la production de chaleur et de l intérêt économique Le calcul de production de chaleur annuelle est réalisé uniquement sur le second capteur puisqu il présente le meilleur rendement. Plusieurs méthodes sont utilisées pour évaluer la pertinence de chacune. Elles sont présentées dans l analyse de la production de chaleur au Celle-ci est ensuite nécessaire pour déterminer l intérêt économique des capteurs analysés (présenté en 4.4.3). 3.9 Archivages des données De la conception du capteur à son évaluation, toutes les informations et remarques sont archivées dans un cahier de laboratoire et dans un rapport final. Il s agit de garantir la traçabilité des résultats de la recherche et de pouvoir témoigner ainsi de l antériorité des recherches. D autre part, il permet de capitaliser le savoir-faire et de faciliter ainsi la transmission des connaissances en interne ou lors de transferts de technologie. Il permet de professionnaliser les pratiques liées à la recherche. Par ailleurs, il évite les déperditions liées aux feuilles volantes et aux éléments manuscrits ainsi qu aux départs de chercheurs : tout y est consigné depuis les idées jusqu à la réalisation concrète. Il permet également de consigner les expériences négatives qui peuvent se révéler très utiles pour la suite. 1 Etude de rendement de capteur : EbAJ: 13

18 IV/ Expérimentation des capteurs solaires thermiques du GREB Présentation du fonctionnement des capteurs solaires plans : Les panneaux solaires thermiques se présentent sous la forme de capteurs qui absorbent l énergie solaire, pour la restituer sous forme de chaleur. Les rayons du soleil passent à travers une plaque de polycarbonate transparente à la lumière visible. Sous cette couverture, un absorbeur noir (plaque de métal) absorbe 80 à 90 % des rayons lumineux en fonction de l absorbeur utilisé. L'absorbeur transforme ces rayons lumineux en chaleur, grâce au transfert thermique par rayonnement. En s'échauffant, l'absorbeur émet des infrarouges. Ces Figure 6 : principe de fonctionnement infrarouges sont bloqués entre la plaque de métal et la couverture transparente, c'est le principe de l'effet de serre. Ainsi, l'air entre les deux plaques s'échauffe et améliore le rendement. Il est à noter que l effet de serre n est pas l effet principal recherché, car c est bien le transfert direct par conduction de la chaleur produite dans l absorbeur et transmise vers le fluide caloporteur qui est recherché. Le fluide s'échauffe et est ensuite acheminé pour être stocké ou distribué. 4.1 Description du 1 er Prototype Figure 7 : vue en perspective du capteur Composition du capteur Le premier capteur, d une surface de 12.5 m² est orienté à 30 SUD-EST et est incliné de 35, avec une réalisation est prévue dès la conception du bâtiment, pour permettre son intégration au bâti. Figure 8 : Composition du capteur solaire thermique 14

19 1. La couverture transparente est composé de plaques de polycarbonates ondulées de type «Suntuf». Son rôle est de laisser passer le rayonnement solaire tout en bloquant le rayonnement infrarouge émis par l absorbeur en se réchauffant, créant ainsi l effet de serre. Cette couverture permet également de limiter les pertes par convection au-dessus de l absorbeur. Elle repose sur des lattes périphériques en bois, surmontées de lattes plastiques dont le profilé correspond à celui de la couverture. Les caractéristiques de cette couverture et un comparatif avec une autre couverture en verre plus souvent utilisée sont présenté en annexe L absorbeur est composé de tôle architecturale en acier léger de couleur noire de marque «ideal revêtement» type Ameri-cana permettant une bonne intégration au bâti. L absorbeur a pour rôle de capter un maximum de lumière pour la transformer en chaleur et ainsi la transmettre au fluide caloporteur, circulant dans le collecteur en tube de cuivre. Figure 9 : dimension absorbeur et collecteur 3. Le collecteur est un tuyau de cuivre souple de 0.95 cm de diamètre (3/8 de pouces) placé sous le profilé de tôle architecturale de 1.9 cm (3/4 de pouces) d épaisseur. Pour assurer le contact entre le collecteur et l absorbeur, l espace manquant (de 0.95 cm d épaisseur) est assuré par un tasseau en bois, fixé à même le contre-plaqué. Le collecteur serpente ainsi sur toute la surface du contreplaqué par l intermédiaire de tasseaux, avec un espacement en collecteur de 23 cm (9 pouces). A chaque extrémité du capteur, le tuyau est courbé à l aide d un patron en bois pour éviter tout pincement du cuivre (voir Courbure du collecteur). Le fluide caloporteur circule à l intérieur. Sa longueur totale est de 150 pieds soit 45 mètres. 4. Le fluide caloporteur : compte tenu de son prix et de son impact environnemental en cas de fuite et de remplacement, l utilisation du glycol n est pas retenue. il a été remarqué sur une installation existante, que le glycol provoquait une corrosion importante des réseaux au niveau des jointures, impliquant des fuites. L utilisation de soudure à l argent était alors nécessaire. Ceci implique alors des frais importants nécessaires pour le remplacement et l élimination du glycol et la réparation des réseaux. Ceci impose alors un système auto-vidangeable évitant l'utilisation d'antigel dans le circuit primaire et permettant de se passer de certains composants (vase d'expansion, soupape de sécurité). En période hivernale, il n y a pas de risque de gel puisque le capteur ne fonctionne que lorsque la température à l intérieur du capteur est supérieure à 0 C. Par contre, ils nécessitent une pompe plus puissante capable de remettre en charge le circuit lorsqu'il est vide. Ils permettent également de résoudre le problème de la surchauffe estivale si l eau stagne dans le capteur. Par ailleurs, leur mise en œuvre est plus délicate : les tuyaux doivent absolument avoir une pente descendante, sans aucun point haut, du capteur jusqu'au réservoir de réception du fluide. 5. Le support est assuré par la charpente qui est recouverte d une plaque de contre-plaqué d épaisseur 1.6 cm (5/8 de pouces). Elle est isolée en sous face par de la laine de roche de 9 cm d épaisseur (3.5 pouces) d un RSI de 2.4 m².k/w, réduisant les pertes thermique au dos du capteur Description du réseau Le circuit est alimenté par une pompe avec un débit de 5.09 litres/min. La température à l entrée du capteur est mesurée directement dans le réservoir de 220 litres en partie centrale. La perte thermique liée à la conduite est négligée étant donné la présence d une isolation et d une faible longueur. La 15

20 température de l air est mesurée sous abris. Deux vannes permettent une circulation par le plancher ou directement dans le réservoir en circuit fermé (voir figure 10 ci-après). Figure 10 : principe de fonctionnement du réseau Utilisation alternative du plancher chauffant pour la détermination du rendement Pour tracer la courbe de rendement du prototype, toute la plage de température doit être considérée, dans notre cas de 0 à 35 C (entre la température dans le capteur et la température extérieure). Il est donc nécessaire de pouvoir faire varier la température à l entrée du capteur ou la température extérieure. Il est d usage de considérer un DT «moyen» de 30 C. Analyser le comportement d un capteur solaire thermique au delà des 50 C de DT n apporte rien : nous sommes en dehors de la plage de fonctionnement pour les applications traditionnelles de l eau chaude sanitaire. Les courbes de rendement sont déterminées en fonction de l écart de température entre l air ambiant et le capteur et également en fonction du rayonnement solaire reçu ((Tm-Ta)/Ic). Dans notre cas, il n est possible d agir que sur la température du fluide caloporteur dans le capteur. En effet, les tests sont réalisés en conditions réelles d utilisation, il est donc impossible d influencer le rayonnement ou la température extérieure, à moins de prendre des mesures sur l ensemble de l année ce qui n était pas possible dans notre cas. Pour réduire l écart de température entre l air l ambiant et le capteur et ainsi déterminer le rendement sur une plage maximum de température, l utilisation du plancher comme masse de stockage thermique est nécessaire. Le fluide se refroidit en cédant alors les calories emmagasinées dans le capteur à la dalle de béton et se retrouve donc plus froid en entrée de capteur. Au contraire, en contournant le plancher, la température du fluide augmente, permettant d obtenir les valeurs dans la plage haute des températures, équivalente à un rendement plus faible. La difficulté première est ainsi d obtenir des valeurs de rendement sur toute la plage de données considérée. 4.2 Recueil de mesures et analyse du premier capteur Pour la suite de cette étude, il est important de rappeler que l analyse des performances des capteurs du GREB et surtout, la comparaison avec d autres capteurs solaires thermiques analysés en laboratoire en condition optimale (rayonnement artificiel, incidence parfaitement perpendiculaire au plan du capteur etc ) nécessite une certaine prise de recul (voir ; limites et contraintes des mesures in- 16

21 situ). Les performances des capteurs conventionnels une fois installés, sont inférieures aux valeurs obtenues en laboratoire, contrairement au capteur du GREB. En effet ceux-ci sont analysés sur place en conditions réelles, avec en plus, comme condition défavorable, une orientation 30 sud-est réduisant les performances du capteur d environ 5 % par rapport à une orientation plein sud Détermination du rendement du 1 er capteur Les mesures sont effectuées en suivant la méthodologie présentée en Le relevé de mesures permet dans un premier temps, d évaluer le rendement du capteur solaire thermique permettant ensuite de déterminer les coefficients de performance des capteurs. Les résultats sur ce premier capteur permettent d effectuer une première comparaison avec des capteurs conventionnels mais offre surtout une base en vue de la réalisation et de l analyse d un second capteur plus performant. La figure 11 ci-dessous, présente la courbe de rendement issue des mesures sur le premier capteur (voir nuage de point caractéristique en annexe 4.1). Elle permet de déterminer les caractéristiques de ce premier capteur. L efficacité maximum est donc de 22 % (facteur FR τs αs). Les pertes thermiques sont déterminées par un coefficient de pente Fr Uc de 5.2. Rendemant 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 (Tm-Ta) / G Figure 11 : Rendement du prototype 1 Cette courbe de rendement permet d obtenir une première évaluation du rendement qu il est possible d atteindre pour ce type de conception à faible coût. Elle servira de référence en vue d une optimisation pour la réalisation et l évaluation d un second capteur Comparaison aux systèmes conventionnels Le prototype est maintenant comparé à d autre capteur type, définit par l ISES tel que: Désignation couverture Surface Interception pente a 0 Peinture noire b 1 Peinture noire c 1 Noir chrome d 2 Noir chrome e - Tube sous vide Proto1 1 Peinture noire

22 Rendement Courbes de rendement représentatives 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Delta T / Ic [ C.m²/W] a b c d e Proto1 Figure 12 : Courbes de rendement représentatives (ISES) Les rendements des différents types de capteurs présentés ci-dessus sont tous compris entre 50 % et 75 %. Ces dernières années, elles tendent même à dépasser les 80 % pour les capteurs plans, avec l amélioration constante des performances. Le prototype testé présente un faible rendement avec 22% d efficacité. Cependant, sa pente, représentative des pertes thermiques est logiquement meilleure qu un capteur sans couverture et avoisine les performances d un capteur vitré conventionnel Optimisation visant la réalisation et l évaluation d un second capteur Les analyses portant sur la réalisation et les mesures de ce premier capteur permettent de tirer les premières observations pour viser des améliorations en vue de la réalisation d un second capteur plan. Ainsi la connaissance des facteurs d efficacité optique et thermique vont nous permettre d apporter des hypothèses en vue d une amélioration. a) Amélioration sur le facteur optique du capteur (F R τ S α S ) Seule la modification de la couverture ou de l absorbeur peut avoir une influence sur les performances optiques du capteur. L utilisation d une couverture plane plutôt qu ondulée sur de prochains capteurs pourrait avoir un impact, principalement à midi durant l été où le rayonnement incident est perpendiculaire au plan du capteur, favorisant le facteur de transmitivité. La couverture restera donc inchangée sur le 2 nd capteur, puisque le GREB possède un stock de couverture polycarbonate. L utilisation d une couverture SUNLIGHT HP (Kalwall) en fibre de verre spécialisé pour l énergie solaire pourrait être judicieuse. b) Amélioration sur le facteur de perte thermique du capteur (F R U C ) Espacement entre tuyaux caloporteurs trop importants : L espacement entre les tuyaux de cuivre contenant le fluide caloporteur du premier capteur est de 23 cm. Cet espacement semble trop important, il présente une perte de surface par rapport à la quantité d énergie récupérable par conduction. Le calcul du rendement se faisant en fonction de la surface brute du capteur, il est important de viser à optimiser la surface captatrice. Pour se faire, l espacement sur des capteurs conventionnels a été mesuré de l ordre de 11.4 cm (4.5 pouces), permettant de fixer un nouvel écart de 14 cm (5.5 pouces) au lieu de 23 cm entre collecteur, sur le prochain capteur du GREB. 18

23 Amélioration de la conduction entre l absorbeur et le collecteur Le profilé de la tôle utilisée comme absorbeur pour le premier capteur ne permet un contact suffisant malgré l utilisation d un tasseau en bois pour favoriser le contact. Pour y remédier, le profilé de l absorbeur du 2 nd capteur est conçu directement au GREB. La tôle architecturale est remplacée par une tôle en acier plane non peinte. Celle-ci est tout d abord profilé à l aide d un gabarit en bois et d une tige filetée créant ainsi un profilé de même dimension que celui du collecteur en cuivre de 0.95 cm de diamètre (voir photo ci-dessous). Cette plaque est ensuite peinte en noir mat au spray. Ceci influe cependant sur le coût de l absorbeur par une augmentation de 56 % sur l absorbeur du premier capteur. Figure 13 : méthode de réalisation du profilé de l'absorbeur du 2nd capteur 4.3 Réalisation et évaluation du 2 nd capteur optimisé Description du 2 nd capteur Les modifications apportées au second capteur concernent uniquement les améliorations citées précédemment. Elles visent ainsi le remplacement de l absorbeur par de l acier dont le profilé est réalisé sur place et correspond au diamètre du collecteur en cuivre, pour ainsi améliorer le transfert de chaleur par conduction. L autre modification concerne l espacement entre collecteur passant de 23 cm à 10 cm, pour une surface de capteur environ équivalente, la longueur du collecteur en cuivre augmente ainsi en conséquence (passant de 46 à 82 mètres) pour une surface quasiment équivalente (passant de 12.5 m² à 11.4 m²). PROTOTYPE 1 ( 12.5 m²) PROTOYPE 2 (11.4 m²) COMPOSANTE Description Quantité Description Quantité Isolation Laine de roche 12.5 m² Non changé 11.4 m² Latte bois pour isolation nb : 10 Non changé nb : 90 Contre plaqué 12.5m² Non changé 11.4 m² Caisson en bois lattes périphérique bois 18 m Non changé 15.5 m Plaque d'acier nb :66 Absorbeur Tôle architecturale nb : 6 Bombe peinture noir mat Hte T C nb : 3 Peinture liquide noir mat Hte T C 1.4 ml Circulation Tuyaux cuivre 46 m Non changé 82 m Joint bronze nb : 10 Non changé nb : 5 Polycarbonate type SUNTUF 12.5 m² Non changé 11.4 m² Protection latte suntuf nb : 32 Non changé nb : 25 Latte bois pour support latte suntuf nb : 3 Non changé nb : 3 Figure 12 : comparatif matériaux utilisés 19

24 4.3.2 Montage et réalisation du 2 nd capteur L intégration au bâtiment du prototype est assurée par la mise en œuvre du support (en contreplaqué) à même la charpente du bâtiment. L isolation est effectuée au dos du support entre les pannes de la charpente. L absorbeur est cette fois conçu sur place pour permettre un meilleur contact entre le profilé en acier (absorbeur) et le tuyau en cuivre (collecteur). Les différentes étapes de la conception son décrites dans le tableau suivant : Préparation du support sur charpente Réalisation du cadre périphérique pour la couverture Contre plaqué (ép. 1.5 cm). Isolation en sous face, laine de roche (ép. 8 cm). Réalisation d un gabarit pour la confection du profilé de l absorbeur Latte de bois périphérique (2.5 x 7 cm) pour support de couverture polycarbonate Réalisation du profilé de l absorbeur Création d un gabarit en bois rainuré d une largeur équivalente au diamètre du collecteur (1cm) Evolution de la conception du collecteur La barre d acier est fixée à chaque extrémité du gabarit. En frappant la barre sur le gabarit a l aide d une masse, le profilé est ainsi créé en respectant les dimensions du collecteur en cuivre qui serpentera sous cet absorbeur. Mise en place du collecteur et de l absorbeur De gauche à droite : plaque d acier brute, réalisation du profilé à l aide du gabarit en bois, absorbeur peint en noir mat, maquette du modèle avec collecteur en cuivre sur support en bois. Fixation de l absorbeur Le (collecteur) est disposé à même le support en bois avec une légère pente descendante pour favoriser l extraction du fluide caloporteur par gravité hors période d utilisation. Courbure du collecteur L absorbeur est plaqué contre le collecteur et fixé au support par des clous disposé tous les 30 cm et à chaque extrémité. Le collecteur est courbé à chaque extrémité du capteur à l aide d un gabarit en bois pour éviter les pincements. 20

25 Jointure du collecteur Pose de lattes intermédiaires pour support de la couverture La continuité du collecteur est effectuée à l aide de jointures en bronze. Une réservation dans le support permet un accès facile au dos du collecteur en cas de réparation sur le réseau. Mise en place de latte plastique intérmédiaire pour le support de la couverture polycarbonate Des lattes en bois sont disposées tout les 40 à 50 cm pour supporter et garantir la rigidité de la couverture sur toute la surface du capteur. Réalisation complète du capteur intégré au bâti Des lattes plastiques profilées sont disposées sur les lattes périphériques et intermédiaires en bois pour recevoir la couverture en polycarbonate qui sera alors vissée. Présentation du 2 nd prototype du GREB installé sur la toiture du bâtiment multifonctionnel du GREB Détermination du rendement et des caractéristiques du 2 nd capteur a) Détermination du rendement est comparaison avec le premier prototype L optimisation du 1 er capteur permet d augmenter les performances du 2 nd capteur. Le nuage de point représentatif du rendement du second capteur est présenté en annexe 4.2. Il regroupe des valeurs obtenues sur plusieurs journées de mesure. Le graphique suivant permet de comparer les rendements des deux capteurs du GREB. 70% Rendemant 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% η 1 = ( ) 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 (Tm-Ta) / G Prototype 1 Prototype 2 Figure 15 : Comparatif des rendements entre prototypes 21

26 L efficacité maximum est désormais de 32% contre 22% avec le premier capteur (facteur FR τs αs). Le coefficient de pertes thermiques (FR UC) déterminées par la pente augmente de 6.1 avec le premier capteur à 6.9 pour ce 2 nd capteur. L optimisation permet ainsi d augmenter de 10 % l efficacité du 2 nd capteur et ce, principalement grâce à l amélioration du contact entre l absorbeur et le tube caloporteur, la conduction étant ainsi grandement améliorée. Les performances liées aux pertes thermiques sont réduites. Ceci peut être lié à la longueur de collecteur qui est doublé lors de la mise en œuvre du second capteur ce qui augmente les pertes thermiques, lorsque l écart de température entre le capteur et l air ambiant augmente. La recherche d un rapport optimal entre surface de capteur et la longueur du collecteur pourrait faire partie d une prochaine analyse. Pour la suite de cette étude (analyse de production de chaleur annuelle et de l impact économique), seul le 2 nd capteur sera considéré et pris en compte étant donné son plus au rendement. Pour la suite du présent rapport, il sera nommé PROTOTYPE GREB. Aucune référence au premier capteur testé ne sera effectuée. b) Comparaison du rendement avec un capteur conventionnel Ce chapitre présente une comparaison du prototype GREB à un capteur solaire plan modèle G32-P réalisé par l entreprise Thermo-dynamics (voir description générale et efficacité en annexe 5) utilisé au Québec et dont les données techniques sont connues d un fichier de simulation de production d énergie RETScreen 1, utilisé par la suite. Contraintes lié à une comparaison avec un produit analysé en laboratoire Il est important de rappeler que les capteurs conventionnels sont testés et analysés dans des laboratoires en condition optimale et ceci n est pas représentatif des performances qu il produira une fois installé. Le capteur du GREB, quand à lui, est évalué sur place, sur son lieu et emplacement définitif, en conditions réelle d exploitation avec des performances donc sous-évaluées (voir ; limites et contraintes des mesures in-situ) L analyse du rendement des capteurs conventionnels est généralement décrite en fonction du rayonnement solaire reçu. Pour pouvoir ainsi si référer, les performances des capteurs sont représentés par le biais logiciel MATlab (présenter en 2.5.7) par des surfaces prenant en compte le rayonnement solaire incident (voir annexe 6 : rendement surfacique). Ceci permet ensuite de tracer des courbes en deux dimensions permettant de tracer des courbes de rendement en fonction du rayonnement reçu

27 Figure 16 : Comparatif courbe de rendement fonction du rayonnement Cette courbe permet en plus de déterminer le rendement du capteur, de définir la température de stagnation du capteur définie comme la différence de température à laquelle les gains solaires ne peuvent compenser les pertes thermiques. Ceci exprime donc les pertes thermiques du capteur. Avec 400W/m², le capteur n est plus efficace dès lors que la température dans le capteur dépasse de 22 C la température ambiante. De même, un rayonnement de 900W/m² n est plus suffisant pour assurer un gain d énergie si la différence de température atteint 38 C entre le capteur et l air ambiant, les pertes par rapport aux gains seraient alors trop importantes. En hiver, la température du capteur (et du stock) ne pourra donc être supérieur à 38 C lorsque la température extérieure atteint 0 C. Même si la plage de fonctionnement pour les applications traditionnelles de chauffage de l eau chaude sanitaire est au maximum de 50 C, cela montre bien qu un appoint sera nécessaire durant la période hivernale. Les pertes thermique du capteur G32-P sont quand à elles si faibles, quelles permettent d atteindre une différence de température allant jusqu à 70 C, du moins en laboratoire. Cette courbe permet également de déterminer le rendement des capteurs tel que : η = F R τ S α S a 1 ( DT G ) - a 2 ( DT² G ) (2) Les caractéristiques des capteurs sont les suivantes : CAPTEUR Efficacité maximum Coefficient a1 (W/K.m²) Coefficient a2 (W/K².m²) Delta T Max (Tm Ta) Modèle G32-P 64% C Prototype GREB 32% C En comparant au capteur standard, le prototype a une efficacité deux fois moins importante. Les pertes par conduction (a1) et convection (a2) sont supérieures. En effet, la structure du capteur du GREB est bien moins performante de par une étanchéité à l air plus faible avec une couverture en polycarbonate de performance inférieure à celle en verre. La comparaison avec un produit conventionnel standard va permettre par la suite, une comparaison entre la production de chaleur annuelle qu il est possible d obtenir et le temps de retour sur investissement qui en découle. 23

28 4.4 Analyse des productions d ECS et de l intérêt économique L analyse de la production d eau chaude sanitaire (ECS) des capteurs étudiés est nécessaire pour déterminer leurs capacités à satisfaire les besoins et pour évaluer leurs impacts économiques. La suite du rapport présente tout d abord l évaluation des besoins en eau chaude sanitaire, en prenant pour exemple une famille de 4 personnes. Cette évaluation est nécessaire pour déterminer la surface de capteurs nécessaires pour y satisfaire en fonction des performances de chaque analysé (capteur du GREB et modèle G32-P), permettant ensuite l évaluation économique du capteur solaire thermique peu coûteux du GREB Détermination des besoins Détermination des besoins en eau chaude sanitaire Considérons une famille de 4 personnes. La consommation d eau chaude sanitaire par jour et par personne est estimée à 45 litres, ce qui correspond à un volume total de 180 litres pour la famille. L augmentation de la température de l eau est estimé à 35 C (température minimum : 10 C, température maximum : 45 C). La quantité réelle d énergie nécessaire pour produire l eau chaude sanitaire est calculée comme étant la quantité d énergie nécessaire pour chauffer ce volume d eau, de la température de l eau froide «Tf» (10 C) jusqu à la température demandée (45 C). «V» est le volume d eau chaude à soutirer, soit 180 litres et «Tc» la température demandée d eau chaude. La quantité d énergie nécessaire pour produire l eau chaude est donnée par : Q charge = Cp. ρ.v. (Tc Tf) où «C p» est la capacité calorifique de l eau (4 200 ( J/kg)/ C) et «ρ» sa masse volumique(1 kg/l). La valeur obtenue est ensuite multipliée au prorata du nombre de jours par semaine pendant lesquels le système est utilisé (7 jours) puis ramené au mois, ce qui donne une quantité d énergie nécessaire pour produire de l eau chaude de l ordre de Q charge =212kWh par mois pour une famille de 4 personnes. Sur l année, cela représente une consommation d environ 2544 kwh Détermination de la production solaire d eau chaude sanitaire La production d eau chaude sanitaire par l utilisation des capteurs solaires thermiques étudiés dans ce rapport (capteur du GREB et le capteur conventionnel), est estimé suivant trois méthodes afin de comparer et d évaluer leur exactitude. L intérêt économique, c'est-à-dire le coût de revient du kwh et le temps de retour sur investissement, est estimé grâce aux deux dernières méthodes présentées ci-après et sera présenté dans la prochaine et dernière section ( 4.4.3). a) Par la réalisation et l utilisation d une feuille de calcul Excel de simulation horaire réalisé par le GREB 1 Cette feuille de calcul Excel prend en compte les données géographiques du lieu d analyse (dans notre cas à la Baie au Québec) et les performances du capteur solaire thermique étudié, permettant d estimer une production de chaleur horaire (en kwh). Cette production est ensuite ramenée au mois puis à l année. Les données géographiques, générées par un fichier TRNsys, renseignent sur la température relative et l humidité, le rayonnement global et diffus, la force et la direction du vent et ce, heure par heure durant une année. Les caractéristiques du capteur prennent en compte sa superficie, son inclinaison, son azimut et ses performances (FR(τα) et FR(UL)) déterminées préalablement dans le cadre du prototype du GREB ou fourni par le constructeur pour le capteur conventionnel. Enfin se sont les 1 Réalisation de la feuille de calcul par Benoit Thévard, Ingénieur Conseil en énergie et résilience des territoires Activités. 24

29 informations concernant le réservoir de stockage qui sont renseignées avec les dimensions et capacité volumique de stockage (220 litres), le type d isolation (laine de roche de 8 cm), la température du local (18 C). Les facteurs de perte thermique ne sont cependant pas pris en compte. Le graphique suivant présente les taux de recouvrement des capteurs du GREB et du modèle G32P pour les besoins évalués précédemment. La surface du capteur G32P de 2.98 m² fournis par son fabriquant est suffisante pour satisfaire aux besoins estivaux représentés par la ligne verte (212 kwh/mois). Les performances du capteur G32P et/ou sa surface sont même surévalués sur la période estivale, puisqu ils atteignent 146% des besoins appelés au mois de juillet. La surface nécessaire pour le prototype du GREB est de 5.8 m² permettant également de satisfaire aux besoins estivaux, avec un taux de recouvrement sur l année de 42% contre 75% pour le modèle G32P. La production annuelle du prototype GREB est estimée à 1632 kwh contre 2449 kwh pour le modèle G32-P pour des besoins précédemment évalués à 2250 kwh par an. 350 Production d'ecs (kwh) Prototype GREB (s = 5.8 m²) Model G32-P (s = 2.98 m²) Consommation ECS (foyer 4 pers) Figure17 : taux de recouvrement des capteurs analysés L objectif du GREB est de proposer un capteur solaire thermique accessible, efficace et économique, capable de satisfaire les besoins en eau chaude sanitaire durant la période printanière et estivale principalement (hors période de chauffage). Pour le reste de l année et donc durant la période hivernale, l appoint serait fourni par des systèmes de biomasse utilisés en cogénération, fournissant la production de chaleur pour le chauffage de la maison mais également l appoint nécessaire pour la production d ECS. Le capteur doit donc être dimensionné pour satisfaire principalement aux besoins estivaux. Cette méthode ne présente pas d évaluation économique, celle-ci sera donc effectuée avec les deux méthodes d analyse de production suivantes. Pour la suite des évaluations, le capteur GREB sera évalué avec la surface utile défini dans ce paragraphe, soit 5.8 m² b) Par la réalisation et l utilisation d une feuille de calcul Excel utilisant une corrélation entre des valeurs obtenues in-situ et des cartes d ensoleillement global quotidien moyen Cette méthode se base uniquement sur les valeurs obtenues lors d une journée de mesure significative au point de vue des résultats. La moyenne de rayonnement reçu lors de la journée de mesure du prototype est comparée à la valeur donnée par les cartes d ensoleillement et de potentiel d énergie solaire photovoltaïque fournis par les ressources naturelles du Canada 1 (pour le même mois). Elles 1 Ensoleillement global quotidien moyen (kwh/m 2 ) à la Baie : 25

30 fournissent un rayonnement solaire global quotidien et moyen en kwh/m². Un facteur d utilisation solaire est ensuite déterminé comme le rapport entre la valeur moyenne de rayonnement mesurées lors de la journée d essai (4.9 kwh/m²) et celle donné par les cartes d ensoleillement le même mois (5.9 kwh/m²). La production de chaleur obtenue lors de la journée d essais de kwh (déterminée par l augmentation de température du réservoir durant la journée de mesure présentée sur le graphique en annexe 7) est ainsi extrapolée sur chaque mois de l année avec les facteurs d utilisation correspondant. Ceci permet donc d estimer une production mensuelle puis annuelle comme indiqué dans le tableau suivant. Potentiel d'énergie solaire (kwh/m²) La Baie, Québec Location géographique -> E,48.34N Valeurs d'ensoleillements global quotidien en kwh/m² obtenue lors de la journée de mesure (mois de juillet): Valeurs d'ensoleillements global quotidien en kwh/m² données par les cartes PV 4.9 Facteur d'utilisation d'utilsation solaire (kwh) Janvier Février Mars Avril Mai Juin Juillet Aout Septembre Octobre Novembre Décembre ENERGIE ANNUELLE PRODUITE Estimation de la production PROTOTYPE GREB (s=11.44 m²) Energie quotidienne produite calculée en fonction du facteur surface de capteur m² surface de capteur 5.8 m² Jour / mois Energie produite par mois (kwh) Figure 18 : estimation de la production annuelle du PROTOTYPE GREB Contrairement à la première méthode qui présente une évaluation mensuelle à partir de fichier météorologique horaire, cette méthode effectue une approximation mensuelle à partir d un coefficient quotidien constant. L énergie produite par mois est donc ici peu représentative de la réalité, seule la production annuelle peut être considérée, soit 1694 kwh pour une surface du capteur GREB de 5.8 m², ce qui permet une première validation du résultat obtenu en première approche et qui était de 1632 kwh par an. La capacité du capteur GREB est évaluée à 0.93 kwh/m² mais cette valeur est estimée sur une seule journée de mesure, elle sera donc comparée ultérieurement à la valeur obtenue avec le logiciel RETScreen. c) Par l utilisation du modèle de calcul sur logiciel RETScreen Le modèle pour chauffe-eau solaire du logiciel RETScreen permet d'évaluer entre autre la production et la viabilité financière pour des projets de chauffage solaire de l'eau et ce, partout à travers le monde. Ce logiciel effectue des estimations mensuelles à partir des performances du capteur solaire thermique en fonction du lieu d analyse. L analyse permet d estimer des besoins de 2400 kwh par an pour une famille de 4 personnes contre 2544kwh avec la première méthode utilisée ce qui valide la valeur obtenue. La capacité du capteur GREB est ici estimée à 0.7 kwh contre 0.93 kwh obtenu lors de la journée de mesure. La capacité du capteur G32P est quand à elle estimée à 1.95 kwh. Ainsi la production annuelle du capteur GREB (surface de 5.80 m²) est de 2400 kwh par an, contre 2900 kwh par an pour le modèle G32P (surface de 2.98 m²). 26

31 d) Synthèse des résultats obtenue en fonction des différentes méthodes utilisées Le tableau suivant présente les valeurs obtenues selon différentes méthodes utilisées jusqu ici et cela concerne la capacité du capteur, sa production et son taux de recouvrement annuelle en fonction des besoins calculés pour une famille de 4 personnes sur l année. Les valeurs en rouge sont les valeurs les plus défavorables qui seront ainsi retenues pour l analyse économique qui suit. Comparaison des résultats en fonction de la méthode utilisée Simulation horaire Proto GREB (S = 5.80 m²) Facteur d'utilisation RETScreen Modèle G32P (S = 2.98 m²) Simulation horaire Facteur d'utilisation RETScreen Capacité du capteur (kwh/m²) Besoins ECS annuelle - 4 personnes (kwh) Production annuelle (kwh) Taux de recouvrement (%) Figure 19 : comparatif des résultats obtenus suivant diverses méthodes Détermination de l intérêt économique Le prix détaillé du capteur GREB (pour une surface de m²) est présenté en annexe 8. Il est présenté de deux manières différentes. La première considère une réalisation intégrée au bâtiment. Ainsi le prix de l isolation du capteur et de la surface de toiture équivalente à la surface du capteur (considérée en tôle architecturale) n est pas compris dans le prix du capteur, puisqu ils font partie intégrante de la construction du bâtiment. Une seconde estimation considère le capteur solaire du GREB en supplément sur la toiture. Ainsi l isolation et la surface de toiture ne sont pas déduites du prix du capteur. L intérêt est avant tout de considérer un capteur intégré au bâtiment. Le tableau suivant présente un récapitulatif des coûts estimés pour un capteur de 5.80 m² et sont ramenés ensuite à une surface unitaire au m² : Prix Protoype Réalisation $ $/m² /m² Intégré au bâtiment GREB (S=5.80 m²) Rénovation Figure 20 : Prix du prototype GREB en fonction de l intégration Le temps de retour sur investissement peut alors être déterminé suivant deux méthodes. La première utilise les données récoltées précédemment pour effectuer un calcul directement dans le tableau suivant, en prenant un coût d entretien estimé à 100$ sur 20 ans. Elle permet également d obtenir une estimation du coût de revient du kwh évalué à 1.5 $/kwh (1.05 /kwh) pour un capteur intégré à la toiture et de 1.99 $/kwh (1.4 /kwh) pour un capteur non intégré. Le temps de retour est estimé à 4.3 années pour le capteur intégré et 5.7 années pour le second non intégré à la toiture selon cette méthode 27

32 Hypothèses Détermination coût de reviens et TRI ANALYSE DES COÛTS - PROTO GREB (S=5.8 m²) Intégré Rénovation Unité Durée de vie 20 ans Coût d'entretien sur durée de vie 100 $ Prix de l'électricité domestique 0.07 $/kwh Production annuelle 1632 kwh Prix du capteur $ Coût de revient /kwh TRI (électricité domestique = 7 /kwh) Années Figure 21 L autre méthode consiste en une analyse avec le logiciel RETScreen permettant d évaluer un temps de retour sur investissement de 3.5 année (voir figure 22) contre 4.3 obtenu précédemment pour le capteur intégré au bâtiment, avec des économies de 112 $ par an. Les flux sont déterminés suivant un taux d indexation des combustibles et d inflation de 2% pour une durée de vie du système estimée à 20 ans. Figure 22 : Courbe représentative du temps de retour sur investissement du prototype GREB Le temps de retour du capteur GREB (intégré au bâtiment) est estimé à 4 ans environ. Il est bien inférieur au temps de retour d un capteur conventionnel utilisé au Québec estimé à plus de 30 ans (comme il est présenté en introduction au 3.2.2), dont les caractéristiques sont similaires au capteur G32P étudié précédemment et pour lequel en plus, des incitations financières gouvernementales sont prévues. Ainsi l intérêt économique de ce type de conception est bien vérifié dans un pays comme le Québec, où pourtant, le prix de l énergie est faible. De plus, ce prototype n a subi qu une seule optimisation. L objectif de cette étude est donc d inciter une démarche de développement continue ce qui pourrait permettre par la suite d obtenir des caractéristiques encore plus intéressantes Caractéristiques du capteur GREB Le tableau suivant regroupe les caractéristiques de performances et de coût du capteur solaire thermique du GREB intégré au bâtiment. Ceux-ci pourront par la suite servir de référence en vue d une amélioration et de la réalisation de nouveaux capteurs solaires thermiques du même type. 28

33 Caractéristiques du capteur GREB Fr (τs αs) 32 % FR UC 6.9 W / m². C Capacité 0.7 (kwh/m²) Température stagnation 38 C Prix 67 $/m² 47 /m² Figure 23 : caractéristique principales du prototype GREB V/ Perspectives d avenir et conclusion La réalisation de cette étude a tout d abord permis de définir une méthode de mesure permettant d analyser et de définir le niveau de performance de ces premiers prototypes de capteur solaire thermique réalisés par le GREB. Par la suite il a été possible d évaluer le taux de couverture énergétique de ce système, son coût et donc son intérêt économique déjà intéressant. Le développement d une méthodologie de mesure et d analyse et l approche de premiers résultats va permettre par la suite d être réutilisé en vue d une amélioration continue. La méthodologie de mesures et d analyse proposée dans ce rapport a donc pu être expérimentée en mode réel permettant par la suite d être amélioré en fonction des observations obtenues. Les perspectives d avenir consistent donc en l optimisation du prototype tout en préservant ses avantages (retour sur l investissement rapide, faible coût, disponibilités des composantes, retombées socioéconomiques potentiels, autonomisation ), mais également dans l amélioration de la méthodologie de mesures. Ainsi, en adoptant une méthodologie de mesures, basée sur la comparaison directe en champ (capteurs testés côte-à-côte) avec au moins un capteur commercial dont les caractéristiques obtenues en laboratoire sont connues, il serait probablement possible d obtenir des mesures beaucoup plus adéquates. Il apparaît clair que de nombreuses améliorations pourront être apportées au dernier prototype du GREB notamment sur le vitrage, l isolation et l étanchéité. Il importe toutefois dans cette démarche d optimisation de ne pas perdre de vue les objectifs initiaux du projet qui vise la facilitation du déploiement de l utilisation de l énergie solaire thermique au Québec et l autonomisation des collectivités notamment celles du milieu rural. Le plus grand défi pour la poursuite d un tel projet demeure la problématique du financement. En effet, même si les coûts d un tel projet de recherche sont relativement faibles, les politiques publiques de financement ne sont pas adaptées à ce type de projet à vocation communautaire ou sociale. L objectif suite à cette première évaluation est de fournir des pistes d analyses, de conceptions et de résultats pour inciter et faciliter la recherche et le développement de ce projet. 29

34 ANNEXES 30

35 ANNEXE 1 : La calibration des mesures Les mesures de températures, d humidité relative et de rayonnement sont collectées avec un système d acquisition de données de type «DATAQ Instrument» Dl-710. Le signal alors obtenu est une tension qui nécessite ensuite une calibration pour permettre la conversion de tension en unité souhaitée (la température en degré Celsius, l humidité en pourcentage d humidité relative et la radiation en W/m²). La calibration du pyranomètre et des capteurs de température et d humidité relative (Part nb : APRS6577) dépend d une fonction linéaire de la tension mesurée en fonction de l unité finale souhaitée. Cependant, la calibration des thermo-résistances (Part nb : PANR ) est plus complexe puisqu elle n est pas régit pas une fonction linéaire. Cette annexe présente la calibration de chaque entrée. Calibration du rayonnement : Pour le rayonnement solaire, une fonction de transfert linéaire permet de convertir facilement la tension relevé par le capteur d insolation solaire en rayonnement tel que : [W/m²] = x V sortie avec V sortie la tension en sortie. Calibration des capteurs de température et d humidité relative (Part nb : APRS6577): La tension relevé par le capteur de température et d humidité relative extérieure est convertis en tension par le biais des équations suivantes fournis par le fabriquant : Calibration de la température : T C = x V entrée 30, (0 V = -30 C ; 3.3 V = 100 C) ; Calibration en humidité relative : %HR = x V entrée (0 Volt = 0%HR ; 3.3 V = 100%HR). Calibration des thermo-résistances (Part nb : PANR ) : Les thermo-résistances ont l avantage d'une sensibilité très élevée aux changements de température, mais l'inconvénient d'une caractéristique non-linéaire, ainsi leurs calibration est bien plus complexe. Voici une courbe caractéristique montrant l évolution inverse de la température en fonction de la résistance sur une plage de 5 à 75 C, dans laquelle nos variations de températures vont être étudiées. 25 Courbe de thermo-résistance Rt ( KΩ) y = 28,309e -0,039x 5 0 y = 29,1e -0,042x T C 31

36 Après affinage de la courbe de référence (courbe noire), une nouvelle courbe de tendance nous permet d obtenir une équation avec un meilleur ajustement (courbe rouge). Ces valeurs sont données par le fabriquant. Ces caractèristiques non-linéaire de thermo-résistance ne permettent pas une analyse directe des mesures via le système d acquisition de données. Cette première courbe permet d établir l équation qui lie la résistance thermique à la température. Il faut désormais lier ces valeurs de température et de résistance avec une tension pour pouvoir être exploitable par le système d acquisition de données et ainsi être convertie en température. Pour ce faire, l utilisation d un diviseur de tension, va permettre de lier la résistance à la tension, puis la tension à la température de la manière suivante : R (kω) Equation de la thermo-résistance en fonction de la température : T C La courbe noire obtenue avec le tableau du fabricant permet après avoir ciblé notre zone d étude (de 5 à 75 C) d obtenir une équation affinée de type : Rth = A exp (B. x) [1]. L équation de thermo-résistance ainsi obtenue est y = 29.1 e x. Equation de la résistance en fonction de la tension de sortie (Vs) : Pour déterminer la tension de sortie correspondant à une certaine résistance, l utilisation d un diviseur de tension (voir figure bis ci-contre) est nécessaire. La loi d Ohm nous donne U = R x I - En entrée Ve = (Rth+Ri) d où I = - En sortie Vs = Ri x I d où I = [1 ] [1"] - [1 ] [1"] : = d où Rth + Ri =. - Rth = Ri ( Ve Vs 1 ) [2] Equation non-linéaire de la température en fonction de la tension de sortie (Vs) : 32

37 - [1] [2] : A e (. ) = Ri 1 e(. ) = 1 - x étant la température, l équation donne : T( C) = ln ( Ri A Vi Vs 1 ) B [3] - Ri (KΩ), Vs (Volt), A et B sont des coefficients fixes. Cette relation de la température en fonction de la tension est non-linéaire. Pour pouvoir calibrer les thermo-résistances, il faut donc trouver une relation linéaire entre la température et la tension de sortie sur la plage de température étudiée. Equation linéaire de la tension de sortie en fonction de la température et la résistance : - [1] [2] : e(. ) = 1 e(. ) + 1 = - Vs = Vi ( A Ri e( B. x ) 1) [4] 5 Linéarisation de la T C ft (Vs) 4 Vs 3 2 y = 0,0475x + 1, T C Cette dernière équation permet d obtenir une linéarisation la température en fonction de la tension de sortie sous la forme : Vs = C. T + D d où T = Vs D C Cette linéarisation permet d obtenir une approximation de la température à partir de la tension obtenue. Il est alors possible de déterminer directement la température avec le système d acquisition de données depuis une mesure de résistance. 33

38 ANNEXE 2 : Caractéristique de la couverture transparente polycarbonate Caractéristique mécanique Selon le fabriquant, les plaques de polycarbonate sont 200 fois plus résistant que le verre, il résiste au vent, aux grêlons et aux charges d enneigement. Des analyses effectuées sur des couvertures utilisées depuis plus de 20 ans mettent en avant une diminution de la transmission lumineuse de moins de 5%. La transmission lumineuse la plus élevée Une couverture en polycarbonate transmet plus de 90 % de la lumière visible plus que le verre et bien plus que tout autre matériau de vitrage. Le graphique suivant met de plus en évidence, un effet de serre plus important avec l utilisation du polycarbonate. En effet, dans le domaine du visible, la transmission lumineuse est équivalente avec le verre. Par contre, la transmission lumineuse du polycarbonate est plus faible dans le domaine de l infrarouge que celle du verre, son effet de serre est donc bien plus important ce qui contribue à améliorer les caractéristiques des capteurs solaires thermiques. Résistance aux rayonnements UV Figure 3 : Transparence par rapport aux autres produits La figure suivante présente l évolution de la transmission lumineuse de la couverture SUNTUF dans le temps, sachant que 100 heures d exposition QUV sont environ équivalentes à une année d exposition extérieure maximale aux UV. On remarque tout d abord la forte transmission lumineuse du polycarbonate, proche de celle du verre, supérieure à 90 %. Après 20 ans d utilisation, les tests en laboratoire mettent en avant une faible diminution de ce coefficient de transmission qui reste supérieur à 90%, bien au-delà du verre qui diminue jusqu à 74 %. Ainsi les caractéristiques de transmission lumineuse du polycarbonate sont tout à fait appropriées pour nos capteurs solaires thermiques, permettant également de garantir une bonne performance dans le temps. 34

39 Figure 4 : % de transmission lumineuse du SUNTUF, d'une double paroi polycarbonate et du verre Cette couverture résiste aux effets nuisibles du rayonnement UV comme le montre la figure suivante. Le taux de jaunissement de cette couverture n atteint à peine 5 % après 20 ans d utilisation, contrairement au verre qui atteint 23 % d index de jaunissement après 20 ans d utilisation extérieure. Figure 5 : Variation de l'index de jaunissement Conservation maximum de l énergie L avantage des plaques ondulées de polycarbonate et de permettre une meilleure transmission de la lumière tôt le matin et tard dans l après-midi permettant d augmenter la durée de fonctionnement du capteur sur la journée, comme le montre le schéma suivant. Figure 6 : transmission d'une couverture ondulée Le seul inconvénient réside dans la forme du profilé (ondulations) qui augmente les pertes thermiques (plus grande surface en contact) et les pertes optiques par réflexion. Toutefois le profilé est plus résistant aux charges mécaniques qu une plaque unie. 35

40 ANNEXE 3 : Caractéristique appareils de mesure Annexe 3.1 : Température extérieure 36

41 Annexe 3.2 : Température en entrée et sortie de capteur Annexe 3.3 : Rayonnement solaire global 37

42 ANNEXE 4 : Nuage de points caractéristique des rendements des prototypes 70% 60% 50% PROTOTYPE 1 Rendement 40% 30% 20% 10% 0% 0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 (Tm - Ta) / G 70% 60% 50% Prototype GREB 2 Rendement 40% 30% 20% 10% 0% 0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 (Tm - Ta) /G 38

43 ANNEXE 5 : Informations générales et efficacité du capteur modèle G32-P G SERIES SOLAR COLLECTORS TECHNICAL SPECIFICATIONS G Series Solar Collector - Model G32-P SRCC OG-100 Certified Certification # A Directory A. Collector Efficiency 1. General Description 2. Test Conditions 3. Time Constant 4. Efficiency 5. Incident Angle Modifier 6. FSEC Standard Day Tests Download G Series Technical Specifications Directory A. General Information 1.0 Product Description: Thermo Dynamics G Series flat plate liquid collectors are single glazed with low-iron tempered glass. The absorber is an arrangement of parallel riser fins connected to top and 39

44 bottom headers. The fins are aluminum with integral copper riser tubes, which are completely surrounded by the aluminum and are metallurgically bonded together. The copper riser tubes are soldered to internal manifolds (headers), which are available in either 3/4" or 1" diameter copper pipe. The back and sides are insulated with a 25 mm (1") layer of compressed fiberglass. The collector frame is extruded aluminum with a baked-enamel finish, (dark brown). Collector mounting is by way of a sliding bolt-track. Flush and racked collector mounting formats are easily accommodated. 1.1 Options Factory installed temperature sensors; 3/4" and 1" headers; 12 mm (1/2") riser tubes; absorber coatings: selective paint surface. 1.2 Dimensions and Volumes 1.3 Weight: 1.20 m x m x m (47-3/8 in x 97-3/8 in x 3-3/8 in) Gross area: m2 (32.10 ft2) Aperture area: m2 (29.96 ft2) Absorber area: m2 (30.90 ft2) Volume (19 mm (3/4") header): 2.3 liter (0.51 IG) Volume (25 mm (1") header): 3.0 liter (0.66 IG) Net: 43.5 kg (96 lb) Shipping: 64 kg (140 lb) (includes wooden crate) Directory 40

45 J. Collector Efficiency 1.0 General Description 1.1 Test Method: Tested in accordance with SRCC (Solar Rating and Certification Corporation) Standard OG100-05, "Test Methods and Minimum Standards for Certifying Solar Collectors" with reference to ANSI/ASHRAE Standard Testing Information: Agency: Bodycote Testing Group Location: Ontario, Canada Lat N Long W Elevation: 160 m (525 ft) Date: January 18, Details of Tested collector: Model: G32-P Glazing: low-iron tempered Solite Absorber material: aluminum fin and tube Absorber coating: SOLEC black paint Insulation: fiberglass Gross area: m2 (32.10 ft2) Aperture area: m2 (29.96 ft2) Absorber area: m2 (30.89 ft2) 1.4 Comments: The time constant, thermal efficiency and Incident Angle Modifier were determined in the solar simulator. 2.0 Test Conditions 2.1 Collector Tilt and Orientation: Normal to the direction of irradiation. 2.2 Heat Transfer Fluid: Water 2.3 Liquid Flow Rate: kg/s (0.13 lb/s) 2.4 Mean Ambient Air Temperature: 20.3 C (68.5 F) 41

46 2.5 Wind Velocity: 3.2 m/sec (10.5 ft/sec) 2.6 Range of insolation: 808 W/m2 (256 Btu/ft2 h) 3.0 Time Constant: 95 sec at kg/s (0.139 lb/s) water Inlet temperature: 22.8 C (73.0 F) Ambient temperature: 20.1 (68.2 F) 4.0 Efficiency: Efficiency curve is based on gross collector area, and was determined using the indoor solar simulator. First order efficiency equation: 1st order: eff = (Ti - Ta)/G 2nd order: eff = (Ti - Ta)/G (Ti - Ta)^2/G 5.0 Incident Angle Modifier: K(ta) = (1/cosq - 1) 42

47 6.0 FSEC Standard Day Tests: The following standard day tests were performed by The Florida Solar Energy Center, (FSEC). The G Series Collectors described by this brochure, when properly installed and maintained, meet the minimum standards established by the SRCC, (Solar Rating & Certification Corporation). This certification does not imply endorsement or warranty of this product by SRCC 43

48 ANNEXE 6 : Représentation graphique surfacique du rendement Le graphique suivant réalisé par éditeur MATlab permet de comparer les rendements des deux capteurs, celui du GREB étant représenté par la surface inférieure. Il permet la prise en compte de tous les facteurs, c'est-à-dire le rendement en fonction de l écart de température, mais également le rayonnement. 44

49 ANNEXE 7 : Evolution de la température du réservoir durant une journée de mesure représentative. Prototype 2 Ce graphique représentant l augmentation de la température dans le réservoir (220 litres) lors d une journée significative, permet de déterminer la capacité du capteur ainsi que l énergie produite (voir tableau ci-après) en fonction de la durée d exposition du capteur Température mesurée ( C) T C Réservoir ( 220 litres) Heure T C extérieure Prototype Date Expérimentation Capteur solaire Capteur 2 19/07/2011 Surface brute du capteur m² Surface utile m² Volume (non isolé) 225 litres CP du l'eau 4185 J/(kg. C) Masse Vol eau 1.00 Kg/L Débit utilisé L/min Condition météo Météo Ensoleillé Delta Tps Résultats 07:13 hh:mm 7 heures 13 minutes 433 minutes cumulées Delta T C C Ray moy W/m² Energie ( Q = m.ρ.cp.δt) J kj kwh Wh/m² 45

50 ANNEXE 8 : Descriptif quantitatif et prix des capteurs GREB PROTOTYPE 1 (S=12.5 m²) PROTOYPE 2 (S = m²) COMPOSANTE Description Quantité Prix $ Description Quantité Prix $ Isolation Caisson en bois Laine de roche R14, (194 " x 100 " x 3") Contre plaqué (4' x 8' x 5/8') 135 ft² 135 ft² Laine de roche R14, (194 " x 100 " x 3") Contre plaqué (4' x 8' x 5/8') 123 ft² 123 ft² Latte bois pour isolation (1" x 3") lattes périphérique bois (1" x 3") nb : ft Latte bois pour isolation (1" x 3") lattes périphérique bois (1" x 3") nb : ft² Plaque d'acier nb : Absorbeur Tôle architecturale (194 " x 100 " x 3") nb : Bombe peinture noir mat Hte T C nb : 3 18 Peinture liquide noir mat Hte T C (V=946 ml) ml Circulation Tuyaux cuivre (section 3/8") 150 ft Tuyaux cuivre (section 3/8") 270 ft Joint bronze (section 3/8") nb : Joint bronze (section 3/8") nb : Polycarbonate type SUNTUF (2' x 12') 135 ft² 351 Polycarbonate type SUNTUF (2' x 12') nb : Protection latte suntuf (2' de long (0.2 latte/ft²)) nb : latte suntuf (2' de long (0.2 latte/ft²)) nb : Latte bois pour support latte suntuf (1" x 3") nb : Latte bois pour support latte suntuf (1" x 3") nb : Coût rénovation ($CA/m²) rénovation 95 COÛT ($/m²) Coût intégré au bâtiment ($CA/m²) intégré 67 COÛT ( /m²) rénovation 66 intégré 47 Prix Protoype Réalisation $ $/m² /m² Intégré au bâtiment GREB (S=5.80 m²) Rénovation G32P (S=2.98m²) Installation standard

51 Bibliographie générale Etude globale Etudes du rendement des capteurs solaire au CNRC : Calcul rendement : Apper : Standards : Cours hydraulique : Dimensionnement plancher chauffant : Comparatif patte thermique Autre conception capteur peu couteux : Méthode campagne de mesure tdm/documents/cours/conception%20d%27essais/slides_m%c3%a9thode%20de%20conception%20d%c 2%92essais%20et%20d%C2%92une%20campagne%20de%20mesures%20exp%C3%A9rimentale.pdf 47