Système solaire combiné Estimation des besoins énergétiques

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1 Revue des Energes Renouvelables ICRESD-07 Tlemcen (007) Système solare combné Estmaton des besons énergétques R. Kharch 1, B. Benyoucef et M. Belhamel 1 1 Centre de Développement des Energes Renouvelables B.P. 6, Route de l Observatore, Bouzaréah, Alger Unté de Recherche Matéraux et Energes Renouvelables, Unversté Abou Bekr Belkad, Tlemcen Résumé - Un système solare combné est une nstallaton solare qu fournt à la fos de l eau chaude santare et le chauffage, on l appelle auss comb système. Dans cet artcle, nous avons évalué les besons énergétques d un tel système dans le cas d une famlle de cnq personnes sur un ste de Bouzaréah, Alger. La surface chauffée par le plancher solare drect est de 100 m avec un nveau d solaton moyen. La demande de chauffage vare lnéarement avec la température extéreure, proportonnelle au coeffcent de pertes de chaleur (UA en W/ C). La demande de chauffage mensuelle attent envron 1700 kwh en hver, en prenant comme température désrée, Tc = 1 C pour une température extéreure d envron 10 C. La demande en eau chaude santare d une famlle de cnq personnes peut attendre les 400 kwh/mos, mas peut varer de ± 0 %. L énerge solare couvre totalement les besons en été, en m-sason plus de 50 % et en hver envron 0 %, pour cela l appont est prmordal. Mots clés: Chauffage solare - Eau chaude santare - Capteurs solares - Besons énergétques. 1. INTRODUCTION Les problèmes envronnementaux sont devenus une des préoccupatons majeures de notre sècle. Aujourd hu, chacun s attache à préserver les ressources naturelles, lutter contre la polluton, défendre l envronnement, protéger la santé publque et assurer l avenr des futures génératons [9]. Les nstallatons solares qu fournssent à la fos de l eau chaude santare et une parte du chauffage sont généralement appelées des comb-systèmes ou SSC (systèmes solares combnés). Une nstallaton famlale est composée de 10 à 30 m de capteurs, pour couvrr de 10 à 60 % des besons en chauffage, en plus de l eau chaude santare. La plupart des comb-systèmes fonctonnent en lason avec un système de chauffage central classque, utlsant l eau pré-chauffée par le solel dans la chaudère. Ou, pour le chauffage drect, en fasant crculer l eau chaude solare (à basse température) dans les murs ou dans le plancher d une mason. Les technques mses en oeuvre pour un chauffe-eau solare sont ben connues, et les performances sont facles à évaluer, mas les comb-systèmes posent des problèmes beaucoup plus complexes. En effet, les performances dépendent de l nteracton entre les besons d eau chaude santare et de chauffage, ans que la fournture de chaleur par le système solare et par l appont, suvant les dfférentes sasons.. COMPOSITION DU SYSTEME SOLAIRE COMBINE ET CALCUL DES ELEMENTS Le SSC est composé: - de capteurs solares, qu transforment l énerge solare en chaleur, ls sont souvent dsposés en toture. - d une dalle (PSD), dans laquelle crcule le flude caloporteur chauffé par les capteurs, 109

2 110 R. Kharch et al. - d un ballon de stockage, qu gère le chauffage du bâtment et la producton d eau chaude santare. Fg. 1: Schéma d une nstallaton de chauffage solare par le plancher et l eau chaude santare.1 Demande mensuelle de chauffage Elle vare lnéarement avec la température extéreure, proportonnelle au coeffcent de pertes de chaleur (UA en W/ C) [4]. On fxe une température de consgne du local T cons. La demande de chauffage pour le mos, D ( Wh ) est égale à: D = U A ( Tcons Tmoy, ) Nh, Où T moy, est la température moyenne extéreure pour le mos, N h, le nombre d heures dans le mos, UA le coeffcent de pertes de chaleur global du local. Pour une surface chauffée de A = 100 m, avec un nveau d solaton moyen ( U = ) [4] et en posant T cons = 1 C. Calcul pour le mos : D = 00 ( 1 Tmoy, ) Nh,. Besons en eau chaude santare Les besons d énerge pour chauffer l eau dovent être détermnés dans les modèles de producton d eau chaude santare (avec ou sans stockage). Pour calculer les quanttés d énerge nécessares à la producton d eau chaude santare, l faut d abord connaître les volumes d eau chaude à produre. Ces volumes sont obtenus à partr des tableaux publés dans le document Ashrae - Applcatons Hand Book (1995). La quantté réelle d énerge nécessare pour produre l eau chaude santare est calculée comme étant la quantté d énerge nécessare pour chauffer ce volume d eau de la température de l eau frode jusqu à la température demandée. S V l est le volume d eau chaude à soutrer et T h la température demandée d eau chaude, les deux étant spécfées par l utlsateur, alors la quantté d énerge nécessare E pour produre l eau chaude est donnée par : E ECS = C p ECS ρ V l ( T T ) h c Où C p est la capacté calorfque de l eau (400 J/kg/ C), ρ sa masse volumque (1 kg/l), et T c la température de l eau frode.

3 ICRESD 007: Système solare combné Estmaton des besons énergétques 111 Pour détermner les besons en eau chaude santare (ECS) d une famlle, on estme à 50 ltres par jour et par personne, mas ce chffre peut varer de plus ou mons 0 %. En hver, la température de l eau frode attent 15 C. Donc c T h =50 C et énergétques par jour: T = T eau du réseau =15 C, V l est prs égal à 50 ltres, pour une famlle de 5 personnes, les besons E ECS = kwh. En été, précsément on a mesuré en août 006, la température de l eau frode est égale à envron 4 C, les besons énergétques sont: E ECS = kwh..3 Estmaton de l rradaton solare mensuelle pour l année 005 En utlsant les données de l rradaton solare du ste de Bouzaréah, [3], on a détermné l rradaton mensuelle pour l année Calcul de la pussance solare dsponble Pour détermner la pussance solare dsponble, on a beson des valeurs des coeffcents suvants: - Coeffcent E : énerge solare reçue en kwh/m.jour - Coeffcent C : nclnason des capteurs - Coeffcent C o : orentaton des capteurs - Coeffcent C c : correcton du flude caloporteur - Coeffcent η : rendement du capteur La pussance solare dsponble dépend de l orentaton et de l nclnason des capteurs, et du ste. PSD = E η C C C o C 0.999, C o = 1 (sud), C c = 1 (on n utlse pas d antgel) On prend en moyenne E = c kwh / m. jour PSD = E η C Co Cc = = 1.45 kwh / m.jour La pussance solare dsponble est égale à 1,45 kwh/m.jour. Cette valeur nous permet de calculer la surface des capteurs..5 Estmaton de la surface de captaton pour le système Le capteur plan déjà développé par le CDER est de type classque (tubes dsposées en radateur), dont le rendement journaler est égal à 0.43 [1]. 1- Calcul de la surface de captaton pour l eau chaude santare V est prs égal à 50 l, pour une famlle de 5 personnes [5]. l S = N p P r τ c / PSD N p : nombre de personnes occupant l habtat (5); P r : coeffcent égal à envron.; τ c : taux de couverture (entre 50 et 70 %). On trouve une surface de captaton pour l ECS de 4,559 m. - Calcul de la surface de captaton pour le plancher solare drect [] Pour une surface chauffée de A = 100 m, avec un nveau d solaton moyen ( U = ). Le rato de captaton (rapport surface de captaton / surface d échange (dalle)) est prs entre 0. et 0.3. Ce qu nous fat une surface de captaton de 0 à 30 m. Des valeurs de raton nféreures nous donneraent des températures très fables, et des ratos plus élevés condusent à des températures superfcelles de plancher désagréables (supéreures à 7 C).

4 11 R. Kharch et al. 3- Surface de captaton pour le système en enter En tout, pour le chauffage et l eau chaude santare, nous avons beson d une surface de 30 m de capteurs. 3. INTERPRETATION DES RESULTATS 3.1 Caractérstques de producton de l eau chaude santare solare Besons smlares pendant l année (Fg. 3), cependant ls sont satsfats par l énerge solare sauf en hver (spécalement l année 005 qu état assez chaude, ce qu n est pas une référence). 3. Satsfare les besons La proporton des besons d énerge pour l eau chaude et pour le chauffage vare suvant le volume habtable, l solaton thermque, le nombre des habtants,... En règle générale, les capteurs dovent fonctonner à une température fable afn d assurer un bon rendement. D autres contrantes sont lées à la source de l énerge d appont chose. La dffculté est de combner les dfférents besons et contrante dans un système économque et fable qu extrat un bénéfce maxmal du capteur solare. L énerge fourne par le chauffe-eau solare vare suvant l ensolellement: en été, les besons sont couverts à 100 %, en m-sason plus de 50 % et en hver envron 0 % (Fg. 7, 8 et 9). Le ballon solare est équpé d une résstance électrque ou d un échangeur relé à une chaudère (bos, gaz, fuel...) afn de fournr l appont en cas de fable ensolellement ou d'utlsaton ntensve. 3.3 Couverture de l énerge solare des besons énergétques Il est clar que les besons en chauffage ne sont pas en phase avec l ensolellement pendant l hver, et que l énerge solare dsponble en été dépasse largement les besons d eau chaude santare. Ans, le chauffage solare et l appont dovent être conçus ensemble afn d assurer le rendement global du système, et s l y a la possblté de chauffer une pscne en été, l nstallaton sera rentablsée davantage. 4. CONCLUSION Il va sans dre que la consommaton d énerge d un pays est proportonnelle au standard de ve de sa populaton: ce qu correspond à la devse ds-mo comben de kwh tu consommes, et je te dra d où tu vens!. En ce début du sècle, la populaton mondale est estmée à 6 mllards [6]. En vue de l améloraton des condtons d habtaton et de traval, l est possble également d agr sur certans facteurs régssant le mcroclmat d un mleu urban. Les caractérstques thermques d un mleu urban ont une grande nfluence sur son mcroclmat. En outre, une lutte suffsamment effcace contre la polluton atmosphérque permettra d amélorer l ensolellement des vlles et des régons ndustrelles, de rendre ces dernères plus vvables et de lasser davantage d énerge solare à la dsposton des utlsateurs [7]. La consommaton énergétque du bâtment génère un quart des émssons de CO. Ces dernères années, la consommaton énergétque dans les logements et les bureaux a augmenté en rason de l accrossement du parc, de l augmentaton de la surface moyenne occupée, d un confort accru mas auss à cause du développement des usages de l électrcté. Comme tous les secteurs, celu du bâtment est appelé à apporter sa contrbuton à la réducton des émssons des gaz à effet de serre. Il représente aujourd hu 18 % des émssons drectes, % avec celles du chauffage urban et celles ssues de la producton de l électrcté, et 45 % des consommatons d énerge fnale, sot envron tonnes de CO par habtant et par an. Après notre étude, nous réalsons que vu notre potentel solare, nous pouvons largement subvenr aux besons énergétques dans l habtat. Mas les efforts pour déployer ces nouvelles technologes énergétques dovent être accélérées, a explqué M me Waller-Hunter. Plus nous développons les énerges renouvelables, plus grandes sont les chances que les concentratons de

5 ICRESD 007: Système solare combné Estmaton des besons énergétques 113 gaz à effet de serre dans l atmosphère soent stablsées plus tôt et à un nveau plus bas, a-t-elle martelé. Le CO, comme tous les grands gaz à effet de serre, a une durée de ve longue dans l atmosphère. Les scentfques estment que même s aucune tonne de CO n état plus rejetée aujourd hu dans l atmosphère, le clmat contnuerat de se réchauffer pendant des décennes du fat des concentratons accumulées depus l ère ndustrelle. Les rejets de CO vennent des actvtés humanes, transports, chauffage et ndustre notamment. Mme Waller-Hunter est secrétare exécutve de la Conventon Clmat de l'onu, le premer accord sur le dosser (199) que le protocole de Kyoto sur la réducton des gaz à effet de serre a complété en 1997 [8]. Fg. : Représentaton des besons mensuels en chauffage pour 005 Fg. 3: Représentaton des besons mensuels en eau chaude santare pour 005 Fg. 4: Evoluton de l éclarement solare globale mensuel pour 005 Fg. 5: Représentaton des gans solares mensuels pour l année 005

6 114 R. Kharch et al. Fg. 6: Représentaton des besons mensuels en chauffage et en eau chaude santare pour 005 Fg. 7: Couverture de l énerge solare des besons en ECS Fg. 8: Couverture de l énerge solare des besons en chauffage Fg. 9: Couverture de l énerge solare des besons en chauffage et en ECS REFERENCES [1] M. Ouzzane, Rapport Technque, CDER, Alger, Décembre199. [] T. Cabrol et D. Roux, Chauffage de l Habtat et Energe Solare, Edsud [3] R. Yache, Logcel de Calcul des Irradatons Horares et Journalères sous Excel, 007. [4] Document, Analyse de Projets d Energes Propres Manuel d Ingénere et d Etudes de Cas, Retscreen. [5] H. Slve, L Energe Solare, Ste Web: [6] A. Khedm, L Energe Solare, Utlsaton Thermque et Photovoltaïque, 006. [7] J.R. Vallant, Utlsatons et Promesses de l Energe Solare, Eyrolles. [8] Document, Bonn, (AFP), 04 jun 004. [9] Document, Protocole de Kyoto : Intellgent Energy Europe,