Suivi des Systèmes Solaires Combinés Guide méthodologique

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1 Suivi des Systèmes Solaires Combinés Guide méthodologique Mise à jour 2004 Thomas LETZ Préambule Les systèmes de chauffage solaire, dits "Systèmes Solaires Combinés" (SSC), car fournissant à la fois du chauffage et de l'eau chaude sanitaire, se diffusent de plus en plus aussi bien en France que dans plusieurs pays européens. Exception faite des "PSD" qui ont été abondamment mesurés, les performances réelles des SSC sont mal connues, en France comme dans les autres pays. L'ADEME a entamé une évaluation sérieuse et objective des SSC disponibles sur le marché national. Le présent guide a pour but de proposer une méthode de suivi des performances in-situ s'appliquant à la plus grande partie des SSC. Pour cela, deux nouveaux indicateurs sont proposés, afin de caractériser les SSC en faisant abstraction des paramètres influant sur son fonctionnement qui varient d'un projet à un autre (climat, besoins de chauffage et d'eau chaude sanitaire, surface de capteurs solaires installés). Après définition de ces indicateurs, les mesures nécessaires pour y accéder, puis les moyens de les calculer, sont précisés. Aucun critère de coût n'est pris en compte dans la présente méthode. En effet, celle-ci ne porte que sur les performances thermiques des SSC. Il est bien évident que ce critère, ainsi que des critères complémentaires tels que la durée de vie des matériels, la facilité de pose, la qualité des documents techniques remis aux installateurs et clients (notice de montage et pose, notice d'entretien et conseils, certificat de garantie, autres), sont également à prendre en compte lors de la sélection d'un matériel par un client. Novembre /51

2 Sommaire Liste des symboles Présentation des systèmes combinés Généralités Classification des systèmes Appoint séparé / appoint couplé Stockage hydraulique pour le chauffage / stockage en dalle Chaudière d'appoint séparée / brûleur intégré Stockage à court terme / stockage intersaisonnier Objectif d'un suivi in-situ pour l'évaluation des performances Généralités Objectifs du guide Grandeurs significatives (analyses et propositions) Grandeurs usuelles Taux de couverture des besoins Productivités Rendements Commentaires Taux d'économie d'énergie (formulation générale) Taux d'économie d'énergie thermique Taux d'économie d'énergie étendu Nouveaux indicateurs Ressource solaire et besoins Fraction Solarisable des Consommations Equation caractéristique d'un système combiné Equipement de mesures Classification des SSC selon le suivi envisagé SSC avec appoint séparé pour le chauffage SSC avec appoint couplé pour le chauffage SSC avec appoint couplé pour le chauffage, et appoint bois divisé Grandeurs mesurées et localisation des compteurs Organigramme de suivi Utilisation de la fraction d'insolation de la station météorologique la plus proche Utilisation de l'irradiation globale horizontale de la station météorologique la plus proche Mesure de l'irradiation dans le plan des capteurs Calcul des besoins conventionnels (chauffage et eau chaude sanitaire) Besoins de chauffage (méthode simplifiée) Besoins de chauffage (cas général) Identification des paramètres caractéristiques de la maison Détermination de la durée de la saison de chauffe Calcul de la température intérieure équivalente Calcul des besoins de chaleur pour le chauffage Indication pour le choix de la température de consigne Pénalités pour non respect de la consigne de température intérieure Cas d'un SSC situé dans le volume chauffé Cas d'une chaudière et d'un SSC situés dans le volume chauffé Cas d'un générateur bois divisé Besoins d'eau chaude sanitaire Calcul des consommations conventionnelles (chauffage et eau chaude sanitaire) Pertes de stockage...36 Novembre /51

3 6.2. Pertes de génération Générateurs à effets Joule Générateurs à combustion Consommations électriques des auxiliaires Chaudière Charge ballon ECS Distribution chauffage Régulation Choix d'un système de référence (sans équipement solaire) SSC à appoint chauffage séparé fonctionnant à effet Joule SSC à appoint chauffage couplé Vérification du bon fonctionnement d'un système combiné : proposition d'une méthode simple pouvant permettre de détecter rapidement une dérive du système Fonctionnement du capteur Fonctionnement de l'appoint Extrapolation permettant d'obtenir des valeurs annuelles à partir de valeurs mensuelles mesurées Diagramme de fonctionnement mensuel Extrapolation annuelle à partir de mesures mensuelles Bibliographie...51 Novembre /51

4 Liste des symboles Symbole Définition Unité A c surface hors tout du champ de capteurs m² A bat surface habitable m² A ss surface de vitrages sud équivalente W/K BV coefficient de besoins kwh C consommation kwh DH real milliers de degrés-heures calculés avec la température intérieure réelle kwh η taux d'utilisation des apports gratuits, rendement - η el rendement de la production - distribution d'électricité pris égal à 1/2,58 - E ensoleillement vertical sud kwh/m².j Eco énergie solaire utile ( = part des besoins couverts par le solaire) kwh Ecoconso économie de consommation d'appoint due au solaire kwh H coefficient de déperditions moyen W/K I rayonnement solaire sur un plan quelconque en moyenne mensuelle kwh/m².j I i puissance surfacique d'apports internes W/m² N jm nombre de jours de chauffage par mois - P puissance kw Q besoin, perte kwh Q c énergie fournie par le capteur solaire kwh Q h besoins de chauffage mensuels kwh Q i apports internes kwh Q inj,h énergie injectée dans le plancher chauffant kwh Q s apports solaires passifs kwh Q w besoins d eau chaude sanitaire mensuels kwh θ température C θ e température extérieure en moyenne mensuelle C θ i température intérieure C θ nc température de non-chauffage C W consommation électrique kwh t temps de fonctionnement h Indices aux bur c cons e el ext f g h i l m mes p real appoint, auxiliaire chaudière capteur solaire consigne excédentaire ou extérieur électrique étendu (thermique et électrique) fumées génération chauffage interne, intérieur pertes mensuel mesuré pénalité réel Novembre /51

5 ref s sav st théo th w Polices normal gras italique conventionnel, de référence solaire économisé stockage théorique thermique eau chaude sanitaire valeurs calculées valeurs identifiées ou estimées valeurs mesurées Valeurs annuelles, valeurs mensuelles : En général, les expressions de bilans indiquées peuvent être calculées sur des périodes annuelles ou mensuelles, avec les mêmes formules. S'il y a ambiguïté pour les expressions annuelles, on précisera en utilisant le symbole Σ placé avant la grandeur concernée. Novembre /51

6 1. Présentation des systèmes combinés 1.1. Généralités Une installation solaire active de chauffage et production d'eau chaude sanitaire, dite "Système Solaire Combiné" (SSC) par opposition aux chauffe-eau solaires, peut être schématisée de la manière suivante (Figure 1) : Production capteur 2 1 Besoin ECS Besoin chauffage Consommation appoint 3 Pertes Figure 1 : schéma d'une installation solaire combinée un capteur solaire fournit de l'énergie qui va couvrir une partie des besoins de chauffage et d'eau chaude sanitaire. pour assurer cette fonction, un ensemble de composants tels que circulateurs, ballons de stockage, vannes, régulateurs est nécessaire. Cet ensemble, que nous appellerons par commodité "module hydraulique", comporte nécessairement des pertes. l'appoint pour le chauffage et l'eau chaude sanitaire peut être apporté de différentes manières : soit par une chaudière raccordée au module hydraulique, et qui utilise pour la distribution du chauffage d'appoint tout ou partie des émetteurs de chauffage déjà alimentés en énergie solaire (système à "appoint intégré"), soit par des systèmes indépendants tels que par exemple des appareils à bois divisés ou des convecteurs électriques (système à "appoint séparé"). Dans certains cas de plus en plus fréquents, l'appoint est directement intégré dans le module hydraulique, sous la forme d'un brûleur fonctionnant généralement au gaz inséré dans le ballon de stockage. Une présentation détaillée de plusieurs systèmes combinés européens est présentée dans la référence [1]. Une très grande variété de conception des systèmes peut être rencontrée, compte tenu de toutes les possibilités existant quant au nombre de ballons de stockage, au raccordement de l'appoint, au mode de distribution pour le chauffage, au mode de production de l'eau chaude sanitaire. Dans le document [1], les systèmes sont classés en fonction de leur mode de gestion de la stratification de la chaleur dans le ou les ballons de stockage, ainsi que par le mode de couplage de la chaudière d'appoint. Il s'agit de systèmes dits "génériques", qui peuvent présenter des variantes dans la réalité. Nous adopterons ici un mode de classement différent, organisé sur 4 couples antagonistes, permettant mieux d'évaluer l'instrumentation nécessaire au suivi. Ainsi, un même système pourra relever simultanément de plusieurs catégories. Novembre /51

7 1.2. Classification des systèmes Appoint séparé / appoint couplé A M H1 (H2) M M M S H1 ENERGY SUPPLY TRANSFER, STORAGE, CONTROL AND DISTRIBUTION LOAD S ENERGY SUPPLY TRANSFER, STORAGE, CONTROL AND DISTRIBUTION LOAD Figure 2 : schémas d' installations solaires combinées ( appoint séparé / appoint couplé ) Dans la première catégorie, l'appoint pour le chauffage est apporté de manière complètement indépendante de la partie solaire. Inversement, dans la deuxième, l'énergie solaire et l'énergie d'appoint sont injectés dans le même circuit de chauffage. Différents modes de couplage sont possibles, entre l'énergie solaire et l'énergie d'appoint : montage parallèle (le circuit de chauffage est alimenté alternativement par l'une ou l'autre), montage série (la chaudière d'appoint est toujours irriguée par le fluide de chauffage, avec un préchauffage éventuel en amont par la partie solaire en cas d'apports suffisants), montage mixte (le circuit de chauffage est alimenté à partir d'un réservoir de stockage chargé par les capteurs solaires et par la chaudière d'appoint) Stockage hydraulique pour le chauffage / stockage en dalle A H1 (H2) M M M S A H1 (H2) ENERGY SUPPLY TRANSFER, STORAGE, CONTROL AND DISTRIBUTION LOAD S ENERGY SUPPLY TRANSFER, STORAGE, CONTROL AND DISTRIBUTION LOAD Figure 3 : schémas d' installations solaires combinées ( stockage hydraulique pour le chauffage / stockage en dalle ) L'accumulation de chaleur solaire pour le chauffage peut se faire dans un réservoir plus ou moins volumineux, ou directement dans des planchers chauffants à épaisseur accrue (Plancher Solaire Direct). Dans ce cas, les ballons de stockage ne sont prévus que pour la production d'eau chaude sanitaire. Novembre /51

8 Chaudière d'appoint séparée / brûleur intégré M H1 (H2) M M M S A DHW ENERGY SUPPLY TRANSFER, STORAGE, CONTROL AND DISTRIBUTION LOAD S A H1 DHW ENERGY SUPPLY TRANSFER, STORAGE, CONTROL AND DISTRIBUTION LOAD Figure 4 : schémas d' installations solaires combinées ( chaudière d'appoint séparée / brûleur intégré ) Dans la plupart des systèmes combinés, l'apport d'énergie d'appoint se fait à l'aide d'une chaudière indépendante, connectée de manière classique à l'aide de canalisations comportant un circulateur. Mais dans certains systèmes, afin d'aller vers une simplification des raccordements, un brûleur, généralement à gaz et fonctionnant d'ailleurs en condensation, est directement intégré dans le réservoir de stockage Stockage à court terme / stockage intersaisonnier A A H1 M H1 (H2) M M H2 M M M S ENERGY SUPPLY TRANSFER, STORAGE, CONTROL AND DISTRIBUTION LOAD S ENERGY SUPPLY TRANSFER, STORAGE, CONTROL AND DISTRIBUTION LOAD Figure 5 : schémas d' installations solaires combinées ( stockage à court terme / stockage intersaisonnier ) La deuxième catégorie ne fait actuellement pas l'objet d'une diffusion importante, même si quelques constructeurs, notamment en Suisse, vendent ce type d'installation. Le présent document ne traitera pas ce type de systèmes combinés, et s'attachera uniquement aux systèmes dans lesquels la capacité de stockage pour le chauffage ne couvre au plus que les besoins de quelques jours. Novembre /51

9 2. Objectif d'un suivi in-situ pour l'évaluation des performances 2.1. Généralités Les objectifs d'un suivi technique peuvent être variés : vérifier le bon fonctionnement d'un système valider une méthode de calcul comparer les systèmes combinés entre eux caractériser la performance absolue d'un système... Le premier de ces objectifs consiste à établir si le système, et en particulier sa régulation, fonctionnent conformément à ce qui était prévu initialement, de manière à pouvoir y apporter éventuellement les modifications ou améliorations nécessaires. Pour cela, il est nécessaire de disposer de moyens d'investigations assez fins, avec non seulement des mesures des températures et des débits en différents points du circuit, permettant de calculer les flux d'énergie, mais également les valeurs des états des différents actionneurs (circulateurs, vannes,...). Ces différents paramètres doivent être scrutés avec un pas de temps suffisamment fin - de l'ordre de la minute - pour suivre la dynamique d'évolution du système. Par contre, il n'est pas forcément utile de mémoriser ces indications sur un très long intervalle de temps. Pour le deuxième objectif, il faut évidemment disposer d'une méthode de calcul, qui donne les valeurs de certaines grandeurs correspondant à des grandeurs mesurables. Nous verrons plus loin que certaines grandeurs d'entrée des méthodes de calcul ne sont pas directement mesurables, comme par exemple les besoins de chauffage, ce qui impose de les calculer à partir d'autres grandeurs mesurables. Enfin, pour les troisième et quatrième objectifs, il faut définir des indicateurs fiables et une référence commune pour les différents systèmes. En effet, on peut être tenté de caractériser les performances solaires d'un système par comparaison avec un système identique ayant une surface de capteurs solaires nulle. Comme les systèmes combinés forment souvent un tout cohérent, dans lequel chaque constructeur a non seulement travaillé la partie solaire, mais également la partie appoint, à travers un choix de composants bien précis (chaudière d'appoint, régulation,...), celle-ci diffère d'un système combiné à un autre, rendant par-là même les comparaisons difficiles. Il faut donc considérer les systèmes combinés, non pas comme la juxtaposition d'une partie solaire et d'une partie appoint, mais bien comme un ensemble homogène indissociable. Enfin, toujours dans le cadre de ce même objectif, il faut définir ce que sont les besoins de chauffage et d'eau chaude sanitaire, afin que les grandeurs mesurées pour différentes maisons suivies soient comparables. Un suivi technique doit se baser sur l'évaluation des besoins réels. En général, pour atteindre les deuxième, troisième et quatrième objectifs, des valeurs agrégées mensuelles sont suffisantes. En effet, les données météorologiques le plus couramment disponibles sont généralement présentées en valeurs mensuelles. D'autres part, pour que les calculs prévisionnels d'installations solaires restent rapides pour permettre un dimensionnement aisé, ils sont généralement réalisés avec un pas de temps mensuel. Enfin, dans le cadre de télésuivis d'opérations individuelles, il semble raisonnable de limiter le nombre de données transmises, de manière à garder un coût de téléphone faible. Un transfert mensuel des cumuls des différentes énergies, temps de fonctionnement et données météorologiques semble donc suffisant. Novembre /51

10 Cependant, il faut rester conscient du fait que les comparaisons mensuelles auront forcément une marge d'erreur plus importante que les résultats obtenus avec un pas de temps plus fin. En effet, les résultats obtenus avec un calcul de performances solaires effectué avec des valeurs moyennes des besoins et des paramètres météorologiques ne sont pas nécessairement les mêmes que ceux qui seraient obtenus en faisant la moyenne mensuelle de résultats calculés avec des valeurs journalières. En effet, les variations journalières disparaissent dans les moyennes mensuelles Objectifs du guide Ce guide vise à répondre aux deux questions : Le SSC fonctionne-t-il "correctement"? Quelles en sont les performances? Pour chacune des 2 questions seront donnés la méthodologie, l'instrumentation nécessaire, des indications sur les coûts de la métrologie et de l'exploitation. Mais en préalable, il importe de clarifier la signification des indicateurs habituellement utilisés Grandeurs significatives (analyses et propositions) Grandeurs usuelles Pour qualifier le fonctionner d'une installation solaire, on peut utiliser un certain nombre d'indicateurs : taux de couverture des besoins productivités rendements Cependant ces indicateurs peuvent être définis de plusieurs manières, et se rapporter à des durées différentes (mois, année,...). Il importe donc de bien les préciser, pour savoir de quoi l'on parle. Dans les paragraphes suivants, nous donnons des définitions générales, étant bien entendu qu'on obtiendra des valeurs mensuelles ou annuelles selon les durées correspondant aux grandeurs retenues. Il faut noter aussi que ces indicateurs doivent être maniés et interprétés avec la plus grande prudence. En effet, ils doivent toujours être analysés en tenant compte de multiples paramètres : localisation du projet, besoins de chauffage et d'eau chaude, dimensionnement de l'installation, Taux de couverture des besoins Le taux de couverture des besoins indique quelle part des besoins est couverte par l'énergie solaire. Il varie beaucoup en fonction de la localisation géographique, sans qu'une valeur faible indique forcément un mauvais fonctionnement. Novembre /51

11 chauffage : Eco h / Q h ECS : Eco w / Q w total : (Eco h + Eco w ) / ( Q h + Q w ) (1) Ce taux de couverture des besoins est souvent calculé par les logiciels de dimensionnement. Et c'est souvent la première question que se posent les personnes intéressées. Cependant, il n'est pas accessible directement à la mesure, car les besoins eux-mêmes ne sont pas mesurables directement Productivités Une productivité est une quantité d'énergie rapportée à la surface des capteurs solaires. Trois productivités différentes liées à trois localisations différentes sur l'installation peuvent être définies : Productivité en sortie de capteur Q c / A c (2) avec Q c : énergie solaire dans le circuit capteur A c : surface des capteurs Productivité utile (Eco h + Eco w ) / A c (3) Productivité en énergie économisée (Ecoconso h + Ecoconso w ) / A c (4) De manière générale, les productivités donnent une indication très sommaire des performances d'une installation. Elles permettent seulement de situer grossièrement le fonctionnement d'une installation Rendements A chacune des productivités définies ci-dessus correspond un rendement, obtenu en la divisant par l'ensoleillement incident dans le plan des capteurs Commentaires Les différents indicateurs énumérés ci-dessus peuvent prendre des valeurs très différentes d'une installation à l'autre, sans pour autant que le système fonctionne mal. Par exemple, pour une installation à gros besoins de chauffage équipée d'une surface de capteur solaire réduite, le taux de couverture et le taux d'économie d'énergie seront faibles, alors que la productivité sera élevée. Comment alors faire la part des choses? Novembre /51

12 Certains indicateurs ne sont pas pertinents et peuvent donner une vision faussée du fonctionnement d'une installation. Ainsi, la productivité en sortie des capteurs donne une idée de l'énergie solaire "extraite"du capteur, mais elle ne donne aucun renseignement sur la manière dont cette énergie est "bien" utilisée, ou au contraire gaspillée. Par exemple, si le capteur solaire est connecté à un stockage mal isolé, la productivité sera élevée, mais l'énergie solaire sera perdue en grande partie par les parois du ballon de stockage, et de l'énergie d'appoint sera surconsommée pour compenser cette mauvaise utilisation kwh 200 l/j à 50 C 330 jours /an 2680 kwh 1530 kwh 200 l/j à 50 C 330 jours /an 2680 kwh rendement ballon = 60 % pertes = 1790 kwh rendement ballon = 70 % pertes = 1150 kwh 2600 kwh 2300 kwh Figure 6 : la productivité en sortie de capteur n'est pas un indicateur suffisant Les deux schémas précédents (Figure 6) illustrent ce phénomène : les deux chauffe-eau couvrent les mêmes besoins annuels. Le capteur solaire du premier fournit 300 kwh de plus que celui du deuxième. Cependant, la consommation d'appoint y est aussi plus importante (+ 340 kwh). Ceci est dû à la moins bonne isolation du ballon de stockage. Si on compare la productivité en sortie de capteurs, on conclut que le premier chauffe-eau est plus performant que le second, alors qu'en réalité, c'est le deuxième qui procure l'économie maximale. Et c'est bien cette dernière grandeur qui intéresse le plus l'utilisateur. La question à laquelle doit répondre un suivi, outre bien évidemment celle de savoir si le système ne présente pas de dysfonctionnements, est : quelle est l'économie réalisée par le système combiné? Taux d'économie d'énergie (formulation générale) Pour répondre à cette question, il faut définir un système de chauffage et de production d'ecs de référence assurant le même service (c'est-à-dire procurant le même confort aussi bien en chauffage qu'en eau chaude sanitaire), calculer la consommation de ce chauffage de référence, et déterminer l'énergie économisée par rapport à cette référence grâce au système combiné. Les deux schémas suivants (Figure 7 et Figure 8) illustrent les bilans thermiques du SSC étudié et du système de référence, qui couvre les mêmes besoins Q h et Q w que le système réel. Novembre /51

13 Système combiné Suivi des systèmes combinés solaires Guide méthodologique système combiné solaire Caux chaudière Qh Ac. Ic capteur Qw Ws Le bilan thermique du système combiné s'écrit : Ql Figure 7 : bilan thermique d'un SSC C aux + A c. I c = Q h + Q w + Q l (5) Dans ce bilan, les pertes sont évidemment bien plus importantes que dans le cas de référence, puisqu'elles intègrent les pertes du capteur solaire, et en particulier l'irradiation excédentaire définie plus bas. Système de référence système de référence Qw Cref chaudière ballon ECS Qh Wref Ql,ref Figure 8 : bilan thermique du système de référence Le bilan thermique du système de référence s'écrit : C ref = Q h + Q w + Q l,ref (6) Le taux d'économie d'énergie F sav est défini par : = Consommation économisée 1- Consommation du SSC (7) Consommation de référence Consommation de référence Fsav = Cette définition générale du taux d'économie d'énergie peut se décliner de plusieurs manières. En effet, nous sommes restés vagues dans la présentation précédente quant à ce qu'inclut la consommation. Novembre /51

14 Elle peut ne prendre en compte que l'énergie thermique consommée, ou inclure également les consommations électriques auxiliaires nécessaires pour faire fonctionner le système (circulateurs, vannes, régulation, ). Enfin, le SSC étudié peut procurer un confort différent du système de référence (température intérieure inférieure à certains moments à la consigne fixée, aussi bien pour le chauffage que pour l'eau chaude sanitaire). Cette différence peut être prise en compte à travers des fonctions de pénalité [3]. Cette dernière approche ne sera pas retenue ici, car elle fait appel à une évaluation précise et détaillée de critères de confort, qui peut être réalisée par simulations, mais qui ne peut être facilement mesurée Taux d'économie d'énergie thermique Le taux d'économie d'énergie thermique F sav,th est défini par : Caux Fsav,th = 1- (8) Cref où : C ref représente la consommation thermique conventionnelle sans solaire C aux représente la consommation thermique d'appoint du Système Solaire Combiné étudié Taux d'économie d'énergie étendu Le taux d'économie d'énergie étendu F sav,ext intègre la consommation électrique des auxiliaires. Pour pouvoir prendre en compte dans une formule unique des kwh thermiques et des kwh électriques, on multiplie ces derniers par un coefficient de transformation en énergie primaire, qui correspond à l'inverse du rendement moyen de la production - distribution d'électricité η el. F sav,ext = 1 C C aux ref Ws + ηel + W ηel ref (9) avec W s : consommation des auxiliaires pour le SSC W ref : consommation des auxiliaires pour le système de référence η el : rendement de la production - distribution d'électricité Cela dit, un chiffre unique donnant l'économie annuelle de consommation ou le taux d'économie d'énergie n'est pas très significatif, s'il est présenté de manière isolée. Il faut le comparer à la ressource solaire disponible. C'est pourquoi nous utiliserons l'approche suivante Nouveaux indicateurs NB : L'approche présentée ici est nouvelle. Elle a été élaborée dans le cadre de la tâche 26 du programme SHC de l'agence Internationale de l'energie [8]. Novembre /51

15 Ressource solaire et besoins Pour les systèmes combinés plus encore que pour les chauffe-eau solaires, les besoins et la ressource solaire sont décalés d'environ 6 mois. Les deux figures suivantes illustrent ce phénomène (Figure 9 et Figure 10). Figure 9 : valeurs moyennes mensuelles de l'irradiation sur un plan orienté au sud et incliné d'un angle égal à la latitude du lieu [1] Figure 10 : exemple des variations mensuelles des besoins en chauffage et pour l'eau chaude sanitaire dans une maison bien isolée en France [1] Le fonctionnement et les performances d'un système combiné vont donc dépendre très fortement de ces deux paramètres Fraction Solarisable des Consommations Si on superpose sur le même diagramme les courbes représentant l'irradiation totale incidente sur le capteur solaire et la consommation de l'installation conventionnelle, trois zones apparaissent (Figure 11) : - L'intersection entre les deux domaines précédents représente l'irradiation totale valorisable, (en phase avec les consommations), ou inversement la part des consommations qui peuvent être substituées par l'énergie solaire (ΣC ref,s ) Novembre /51

16 - Une partie des consommations dépasse l'irradiation disponible en hiver. Nous l'appellerons Consommation excédentaire (ΣC ref,e ) - Inversement, en été, l'irradiation dépasse de beaucoup les consommations. Nous appellerons cette part Irradiation excédentaire (A c I c,e ) (kwh) Irradiation totale Consommation totale Irradiation excédentaire Consommation excédentaire exexexcédentaireexcédentair Consommation substituable substituablesolarisable Jan Fév Mar Avr Mai Jun Jul Aoû Sep Oct Nov Déc Figure 11 : définition de la Fraction Solarisable des Consommations FSC La Fraction Solarisable des Consommations (FSC) est définie par le rapport ΣC ref,s / ΣC ref. Elle représente la proportion des consommations de chauffage et d'eau chaude qui sont "en phase" avec l'énergie solaire disponible. FSC = + Plus précisément, FSC est calculé à l'aide de la formule suivante : 12 min(cref, AcIc) 1 FSC = 12 (10) Cref 1 où : C ref représente la consommation mensuelle conventionnelle sans solaire (kwh). C'est la quantité d'énergie qu'aurait consommée la même maison, avec les mêmes besoins d'eau chaude sanitaire, équipée d'une installation de chauffage et production d'eau chaude sanitaire de référence. A c représente la surface de capteurs solaires (m²) I c représente l'irradiation mensuelle globale dans le plan des capteurs (kwh/m²) Par définition, FSC est inférieur à 1. Une valeur élevée de FSC indique un système combiné qui tend à être surdimensionné. Pour une surface de capteurs solaires nulle, on a bien évidemment FSC = 0. N.B. : Cette approche n'est pertinente que pour les systèmes dont la capacité de stockage est à l'échelle de la journée. Les systèmes à stockage inter-saisonnier ne peuvent pas être traités par une telle approche, puisque le principe est justement de décaler les excédents de ressource solaire disponible en été pour couvrir les besoins d'hiver. Novembre /51

17 Avec cette formulation, les schémas des deux systèmes se présentent ainsi (Figure 12 et Figure 13): Système combiné système combiné solaire Caux chaudière Ac.Ic,e Ac. Ic Qh Qw Cref,s capteur Ws Ql Figure 12 : bilan thermique d'un SSC Système de référence Cref,e système de référence Qw Cref,s Cref chaudière ballon ECS Qh Wref Ql,ref Figure 13 : bilan thermique du système de référence La qualité d'un système combiné va dépendre de sa capacité à transformer l'irradiation valorisable C ref,s en économies d'énergie C sav = C ref C aux Equation caractéristique d'un système combiné Voyons maintenant comment ce nouveau paramètre peut être utilisé. Si on porte sur un diagramme, comportant en abscisse le paramètre FSC et en ordonnée le paramètre F sav, les points représentatifs d'un même SSC placés dans différentes maisons, et localisés dans des climats différents, on obtient un nuage peu dispersé d'allure parabolique (Figure 14). Novembre /51

18 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% y = 0.195x x R 2 = y = 0.048x x R 2 = Fsav,therm Fsav,ext 30% 20% 10% FSC 0% Figure 14 : courbes caractéristiques d'un SSC On peut alors donc caractériser un système combiné par une seule formule, valable quel que soit le climat, les besoins de chauffage et d'eau chaude sanitaire et le dimensionnement du système : F sav = ( a + b. FSC + c. FSC² ) (11) où : a, b, et c sont 3 coefficients caractéristiques du système Une présentation plus détaillée et des validations de ce concept sont données dans la référence [8]. Il est d'ailleurs possible de diminuer encore la dispersion des points en introduisant un terme correctif supplémentaire noté SC. Il s'agit d'un coefficient correctif de stockage, fonction du rapport entre le volume de stockage et la surface de capteurs solaires. 3. Equipement de mesures 3.1. Classification des SSC selon le suivi envisagé SSC avec appoint séparé pour le chauffage Cette catégorie contient les SSC avec un chauffage d'appoint fourni par des appareils électriques divisés ou un poêle à bois (ou équivalent). Il est presque impossible de mesurer correctement l'énergie utilisée ou fournie par un poêle à bois. Ainsi la mesure peut seulement être faite avec un chauffage d'appoint électrique. Mais naturellement, ces SCS pourront également être vendus avec du bois en tant qu'énergie d'appoint pour le chauffage. Novembre /51

19 SSC avec appoint couplé pour le chauffage Dans cette catégorie, on trouve deux variantes : - Les SSC avec un brûleur intégré dans le ballon de stockage, où il est impossible de mesurer à la sortie de l'appoint - Les SSC avec une chaudière d'appoint séparée, qui peut être : o Une chaudière bois. Dans ce cas, il est presque impossible de mesurer l'énergie à l'entré de la chaudière : l'estimation précise du pouvoir calorifique du bois brûlé est difficile, du fait des variations d'humidité. o Une chaudière électrique, gaz ou fuel. Dans ce cas, la mesure peut être faite à l'entrée ou la sortie de la chaudière SSC avec appoint couplé pour le chauffage, et appoint bois divisé Il peut arriver que l'utilisateur installe, en plus du SSC à appoint couplé qui est censé couvrir l'intégralité des besoins de chauffage, un appareil à bois divisé (poêle, cheminée avec insert, ). Cette configuration peut être rencontrée lorsque l'installation comporte un appoint centralisé coûteux (cas d'une chaudière électrique), et que dans ce cas, l'utilisateur veuille économiser sur la dépense d'appoint, ou lorsque l'utilisateur souhaite bénéficier de l'agrément apporté par cet appareil à bois en complément de l'appoint principal apporté par le SSC. Comme la mesure de la contribution au chauffage de cet appareil est impossible, il faut assimiler les apports thermiques de cet appoint bois à des apports internes gratuits. Compte tenu de l'usage aléatoire de cet équipement complémentaire, les mesures ne pourront être faîtes valablement que si la boucle de distribution de chauffage réagit rapidement à une variation d'apports internes, c'est-à-dire dans le cas d'émetteurs sans inertie (planchers chauffants exclus) avec thermostat intérieur Grandeurs mesurées et localisation des compteurs Le Tableau 1 et la Figure 15 donne la liste des mesures d'énergie nécessaires et la localisation des compteurs, selon le type de SSC étudié, en utilisant la classification élaborée dans la Tâche 26 [1]. Type SSC avec appoint séparé pour le chauffage SSC avec un brûleur intégré dans le ballon de stockage SSC avec appoint par chaudière bois SSC avec appoint couplé pour le chauffage Entrée chaudière appoint (1) Compteurs électriques pour les convecteurs et le ballon d'eau chaude Compteur de fuel ou de gaz Sortie chaudière appoint (1') Compteur fuel ou gaz ou oui ou électrique Novembre /51 ECS (2) Boucle chauffage (3) Circuit capteurs solaires (4) n de système oui oui oui 1 oui oui oui 5; 6; 7; 8; 15 oui oui oui oui 11; 12; 13; 14 oui oui oui 2; 3; 4; 9; 10; 11; 12; 14; 16; 17; 18

20 + températures intérieure et extérieure, irradiation dans le plan des capteurs solaires Légende : obligatoire, optionnel. ("oui" signifie "un compteur de chaleur est nécessaire") Tableau 1 : Mesures d'énergie requises Figure 15 : Localisation des compteurs Le choix entre les 2 possibilités 1 et 1' sera fait selon les limites du système vendu par le fabricant : si un générateur d'appoint est fourni ou recommandé par le constructeur du SSC, l'énergie d'appoint devrait être mesurée à l'entrée de la chaudière (1). En revanche, si une chaudière existante est utilisée, ou si une chaudière bois est utilisée, ou si la chaudière d'appoint ne peut pas être considérée comme faisant partie du SSC, l'énergie d'appoint sera mesurée à la sortie de la chaudière. C1 System C1' System C4 C2 C3 C4 C2 C3 ENERGY SUPPLY TRANSFER, STORAGE, CONTROL AND DISTRIBUTION LOAD ENERGY SUPPLY TRANSFER, STORAGE, CONTROL AND DISTRIBUTION LOAD Novembre /51