Sommaire 1. Analyse des besoins... 2 1.1 Les besoins ECS de la M.A.R.P.A... 2 1.2 Besoins / consommations en chauffage... 4 1.3 Synthèse... 4 2. Pré-dimensionnement des capteurs solaires et du stockage... 5 2.1 Pré - dimensionnement des capteurs... 5 2.2 Pré dimensionnement du stockage (Ballon solaire)... 6 3. Recherche de sites pouvant accueillir les capteurs solaires... 8 3.1 Information site... 8 3.2 Identification des différentes zones... 9 4. Etude de masque solaire... 11 5. Conclusion... 16 Page 1 sur 16
1. Analyse des besoins 1.1 Les besoins ECS de la M.A.R.P.A L analyse des besoins constitue le travail indispensable et préliminaire à l étude d une installation et au choix des appareils de production. La production d eau chaude est parmi les applications les plus performantes de l énergie solaire, en particulier dans les installations collectives des bâtiments résidentiels et tertiaires caractérisés par des besoins d eau chaude importants et réguliers. C est le cas en particulier des bâtiments de l habitat collectif, des hôtels, et des établissements de santé. Les besoins modernes des collectivités (résidences, hôtels, hôpitaux..) conduisent à utiliser l eau chaude en quantité toujours croissante, non seulement pour les usages sanitaires mais aussi pour des travaux et des tâches domestiques. L aptitude à l emploi d une installation de production d eau chaude est caractérisée entre autres choses par la disponibilité de l eau, en quantité suffisante à une température donnée, au moment voulu et à un prix de revient aussi bas que possible. Selon les régions, le recours à l énergie solaire permet d envisager des économies d énergie de l ordre de 40 à 70 % Dans le secteur résidentiel, les besoins énergétiques, peuvent être calculés par l expression : Avec : Becs = Σ 1,16. Vecs. ΔT. lp Becs = somme au niveau de l immeuble des consommations de chaque logement (Wh) Vecs = consommation en litres par jour et par occupant. ΔT = 45 K lp = nombre de personnes vivant dans le logement. Pour l évaluation des besoins de la M.A.R.P.A, nous réaliserons les calculs à partir de deux méthodes : Celle d écrite précédemment (méthode 1), Celle basée sur les factures énergétiques des années 2007 2009 (méthode 2). Page 2 sur 16
Calcul avec la méthode 1 : Les établissements de santé et les résidences pour personnes âgées ont des besoins d eau chaude importants. Ils sont sensiblement constants tout au long de l année. La consommation journalière est d environ 60 litres par lit, auxquels s ajoutent les besoins des cuisines (8 à 15 litres par repas) et ceux des buanderies (6 litres par kg de linge). Données : D où - Vecs : 75 litres / jour. occupant - ΔT = 45 K - Ip = 20 personnes Becs = 1.16 x 75 x 45 x 20 = 78 300 Wh/j soit Becs = 78.3 kwh/j Becs = 78.3 x 365 = 28.6 MWh / an. D après les calculs basés sur la méthode 1, les besoins journaliers de la MARPA sont évalués à 78.3 kwh/j soit 28.6 MWh/an. Calcul avec la méthode 2 (basée sur les factures énergétiques) : Données établies à partir de l étude énergétique du Pays ruthénois: Zone Type nombre Puissance (W) Capacité (L) Consommation ECS Consommation (kwh) / jour Consommation (kwh) / an Consommation (kwh) totale / an T1 Bis CEA 14 1200 100 40,7 14855,5 29178,1 T2 CEA 2 1600 150 8,72 3182,8 Cuisine CEA 1 3300 300 8,72 3182,8 Buanderie CEA 1 1600 150 4,36 1591,4 Réserve CEA 2 3300 300 17,44 6365,6 D après l analyse des consommations énergétiques de la M.A.R.P.A, les consommations liées à l ECS sont : - 80.2 kwh/j - 29.2 MWh/an. D après les deux méthodes de calcul, on constate un écart de l ordre de 2%. Par conséquent, les besoins en ECS pour la M.A.R.P.A sont de 29 MWh/an soit 79.5 kwh/j. Page 3 sur 16
1.2 Besoins / consommations en chauffage Pour déterminer les besoins en chauffage, nous nous référencerons à l étude énergétique qui a été réalisée sur la M.A.R.P.A, où les consommations de chauffage ont été établies. Tableaux des consommations : Consommations 2007 2008 2009 Moyenne kwh Gaz 0,00 kwh Electricité 61 449,00 96 202,00 89 720,00 82 457,00 kwh Fioul 150 010,00 100 010,00 100 000,00 116 673,33 m3 Eau 1 125,00 1 125,00 1 125,00 1 125,00 Total (hors eau) 211 459,00 196 212,00 189 720,00 199 130,33 Total moy / an 199 130,33 Total moy / m² 157,06 Les consommations en chauffages sont, d après les trois dernières années de fonctionnement, de 116 673 kwh / an, soit 116.7 MWh/an. 1.3 Synthèse Tableau récapitulatif des besoins : Besoin en MWh / an Besoins en kwh/j ECS 29 79.5 Chauffage 116.7 320 Total 145 399.5 Les besoins de la M.A.R.P.A en ECS et en chauffage sont de 145 MWh/an, soit 399,5 kwh/j. Page 4 sur 16
2. Pré-dimensionnement des capteurs solaires et du stockage 2.1 Pré - dimensionnement des capteurs Pour l ECS : Valeur centrale La surface de capteurs (Sc) est la variable essentielle car elle conditionne le coût et la production utile du système. Dans notre approche, le pré-dimensionnement de Sc se fait sur la base du volume d eau chaude consommé quotidiennement (Vj). Calculs : On définit Sc0 de façon à avoir un ratio Vj/Sc0 égal à 75 litres/m2. (cf. calcul des besoins) Vj = 1 500 à 2000 litres/jour D où Sc0 = Vj/75 = 26,66 m² on prendra Sc0 = 27 m² : Le calcul précédent peut en effet concerner aussi bien des besoins d ECS à Lille que des besoins d ECS à Perpignan, or l ensoleillement sur ces deux sites n est pas le même. Par conséquent, on intégrera une plage de variation intégrant les bonnes valeurs. Plage autorisée En pré-dimensionnement, l objectif est de définir une plage de variation intégrant les bonnes valeurs. La plage autorisée sera l intervalle *ScMin,ScMax+ = *SC0-50%, SC0+50%] A partir des données du calcul précédent, on obtient Sc0 = [14 m2, 40 m2]. Cette plage est très large (rapport de 1 à 3) mais couvre à peu près tous les besoins d eau chaude sanitaire en France. Pour le département de l Aveyron, l ensoleillement moyen est de 2 200h/an et l irradiation solaire étant compris entre 1 220 et 1 460 kwh/m².an, par conséquent la surface de capteurs nécessaire pour l ECS est de l ordre de 20 m² (estimation). Pour le chauffage : Pour le dimensionnement des capteurs pour le système de chauffage plusieurs paramètres sont à prendre en compte : - Le taux de couverture souhaité, - La production des capteurs, (irradiation du site + rendement capteurs ) - La capacité du site à recevoir les capteurs (surface, distance capteurs / chaufferies), - Les T C de retour du fluide en chaufferie, mesure au niveau du brûleur Page 5 sur 16
Ne connaissant pas l ensemble des variables décrites précédemment, nous poserons comme hypothèse une surface de capteurs de 20 m². Inclinaison des capteurs Le choix de l inclinaison dépend essentiellement de deux paramètres : - la latitude, - la saisonnalité des besoins. Dans la pratique, on utilise généralement un petit nombre d inclinaisons standards (30, 45, 60 ) pour des raisons pratiques. Ceci facilite la définition des supports et une variation de quelques degrés autour de la valeur optimale a une très faible influence sur les résultats. En conséquence, on peut appliquer les règles de pré-dimensionnement suivantes : Si la consommation est constante ou quasi-constante sur l année, l angle d inclinaison sur l horizontale sera proche de la latitude : en France il est voisin de 45 afin qu'à l équinoxe, l incidence du rayonnement solaire soit normale à midi. Si la consommation est plutôt hivernale, on augmentera l inclinaison de 15 (ce qui donne une inclinaison de 60 en France) afin d avoir une incidence plus proche de la normale en hiver. Si la consommation est nettement estivale, on diminuera l inclinaison de 15 (ce qui donne une inclinaison de 30 en France) afin d avoir une incidence plus proche de la normale en été. Dans le cas de la M.A.R.P.A, l inclinaison des capteurs pour l ECS sera de 40, dans le cadre d une installation sur toiture (pente toiture MARPA = 40 ), dans l optique d une centrale au sol, l inclinaison sera de 45 et concernant les capteurs pour le chauffage, l inclinaison optimale est de 60. 2.2 Pré dimensionnement du stockage (Ballon solaire) Valeur centrale On définit le volume du stock en fonction de la consommation journalière : Vs0 = max(vja,vjété) Avec : - Vja : consommation moyenne journalière sur la période de fonctionnement. - Vjété : consommation moyenne journalière sur la période mai-août. Page 6 sur 16
On veillera à tenir compte, prioritairement de la consommation d été, car le stockage à entre autres fonctions, de limiter les surplus temporaires de production qui sont plus probables en été. Plage autorisée La plage autorisée est définie de manière similaire à la plage autorisée pour le dimensionnement de la surface de capteurs : [VSMin,VSMax] = [VS0-50%, VS0+50%] soit pour notre projet : [1000 l, 3000 l]. Les consommations de la M.A.R.P.A étant considérées égales toutes l année, le volume du ballon sera de l ordre de 2 000 litres. Applications des contraintes Des restrictions liées à la taille du local devant recevoir les ballons, peuvent conduire à réduire le volume VSMax du stockage. Elles sont à étudier au cas par cas en fonction des ballons utilisés. Limite du pré-dimensionnement Une fois les données nécessaires recueillies et le pré-dimensionnement effectué, la méthode de simulation est utilisée pour effectuer un dimensionnement fin et calculer les performances de l installation choisie. La surface de capteurs Sc et le volume du stock Vs restent les paramètres essentiels du dimensionnement. Ils ne peuvent plus être considérés indépendants. On devra donc tester différents couples (Sc,Vs) et comparer les résultats obtenus sur la base des critères et des contraintes du projet. Le pré-dimensionnement a donné un couple central (Sc0, Vs0) et des valeurs extrêmes (Scmin, Scmax) et (Vsmin, Vsmax). On pourra utilement tester les couples suivants : (Sc0, Vs0), (Sc0,Vsmin), (Sc0,Vsmax), (Scmin,Vs0), (Scmax,Vs0) afin de bien déterminer les différentes variantes possibles de dimensionnement. Page 7 sur 16
3. Recherche de sites pouvant accueillir les capteurs solaires 3.1 Information site Données générales du site : Altitude : 700 m Zone climatique : H2c Données géographiques : 44 20'41,41''N - 02 20'00,18''E Pente toiture : 40 Les différents sites : Figure 1 : site de la M.A.R.P.A Zone 1 1 2 3 4 Zone 3 Zone 2 Zone 4 Zone 5 Figure 2 : sites pouvant accueillir les capteurs Page 8 sur 16
3.2 Identification des différentes zones Zones identifiées en jaune sur la carte : 1 : Local chaufferie 2 : Garage 3 : Buanderie 4 : Réserve Les zones Garage, Buanderie et Réserve sont les zones susceptibles de pouvoir implanter le ballon solaire (stockage). Afin de limiter les pertes de charge et thermiques au maximum, il est préférable de positionner les capteurs solaires au plus près de ces zones identifiées. Les zones identifiées en rouge sur la carte représentent les sites susceptibles de pouvoir accueillir les capteurs thermiques. Zones 1 : Type d installation Centrale au sol Type d application Chauffage + ECS Surface disponible (m²) 64 Surface nécessaire (m²) 40 Distance chaufferie (mètre linéaire) 20 Distance local de stockage (mètre linéaire) 20 25 Données géographiques 44 20 40.73 N ; 02 20 01.25 E Avantages Proche du site de stockage et chaufferie Inconvénients Diminution de la surface dédiée au parking Zone 2 : Type d installation Centrale sur toiture Type d application ECS ou chauffage Surface disponible utile (m²) 30 Surface nécessaire (m²) 20 Inclinaison toiture ( ) 40 tolérance bonne Revêtement toiture Ardoise d Espagne Distance chaufferie (mètre linéaire) 20 25 Distance local de stockage (mètre linéaire) 20 25 Données géographiques 44 20 39.32 N ; 02 20 01.29 E Avantages Proche du site de stockage Inconvénients Présence de bouches d aération Page 9 sur 16
Zone 3 : Type d installation Centrale sur toiture Type d application ECS + chauffage Surface disponible utile (m²) 40 Surface nécessaire (m²) 40 Inclinaison toiture ( ) 40 tolérance bonne Revêtement toiture Ardoise d Espagne Distance chaufferie (mètre linéaire) 20 25 Distance local de stockage (mètre linéaire) 20 25 Données géographiques 44 20 39.81 N ; 02 20 02.33 E Avantages Proche du site de stockage Inconvénients Présence d arbre + bâtiment (risque d ombrage) Zone 4 : Type d installation Centrale sur toiture Type d application ECS + chauffage Surface disponible utile (m²) 50 Surface nécessaire (m²) 40 Inclinaison toiture ( ) 40 tolérance bonne Revêtement toiture Ardoise d Espagne Distance chaufferie (mètre linéaire) 70 80 Distance local de stockage (mètre linéaire) 70 80 Données géographiques 44 20 39.00 N ; 02 20 04.04 E Avantages Pas de contrainte Inconvénients Distance (capteurs chaufferie + stockage) importante Zone 5 : Type d installation Centrale au sol Type d application ECS + chauffage Surface disponible (m²) 150-200 Surface nécessaire (m²) 40 Distance chaufferie (mètre linéaire) 90-100 Distance local de stockage (mètre linéaire) 90 100 Données géographiques 44 20 39.01 N ; 02 20 04.03 E Avantages Proche du site de stockage et chaufferie Inconvénients Distance capteur chaufferie+stockage importante Afin de valider ces différentes zones identifiées, il sera réalisé une étude masque (ombrage portée sur les sites). Page 10 sur 16
4. Etude de masque solaire Les masques solaires ont pour effet d'atténuer la récupération du rayonnement solaire. On distingue les masques solaires dus au bâtiment de ceux dus à l'environnement. Cette étude vise à déterminer si il ya présence de masques solaires pour les 5 sites qui ont été identifiés précédemment. Zone 1 Figure 3 : masque solaire site 1 D après les résultats de la simulation, on constate la présence d un masque solaire sur ce site, dû à la proximité avec le bâtiment. Détail du masque solaire : - Du 1 er janvier au 19 mars : heure de lever du soleil jusqu à 10h40. - Du 24 septembre au 31 décembre : heure de lever du soleil jusqu à 10h30-11h00. Principal inconvénient de ce site est le fait que le masque solaire soit présent majoritairement pendant la période hivernale, où les besoins en chauffage sont les plus importants et où l irradiation solaire est la moins important. Par conséquent ce site ne présente pas les caractéristiques idéales pour l implantation de capteurs thermiques. Page 11 sur 16
Zone 2 : Figure 4 : masque site 2 D après les résultats de la simulation, aucun masque n est porté sur ce site. Ce site présente de bonnes conditions en vue de l implantation de capteurs solaire (d un point de vue ensoleillement et masque solaire). : L inconvénient de ce site est la présence de bouches d aération au niveau de la toiture. Page 12 sur 16
Zone 3 : Figure 5 : masque dû au bâtiment situé à l'est Figure 6 : masque dû à la présence d'arbre Figure 7 : masque dû au bâtiment situé à l'ouest Page 13 sur 16
Le site n 3 présente de nombreux masques solaires qui sont liés principalement à l architecture du bâtiment et à la présence d arbres. Ce site n est donc pas favorable à l implantation de capteurs solaires. Zone 4 : Figure 8 : simulation masque solaire site n 4 D après la simulation, aucun masque solaire n est porté sur ce site. Le site n 4 est favorable à l implantation de capteurs solaires thermiques. Page 14 sur 16
Zone 5 : Figure 9 : simulation masque solaire site n 5 D après les résultats obtenus suite à la simulation, on constate la présence d un masque solaire lié à la proximité avec le bâtiment de la M.A.R.P.A. Détail du masque solaire : - Du 1 er janvier au 11 mars : environs 2h d ombre sur le site. - Du 12 mars au 29 septembre : entre 1h et 1h30 d ombre sur le site. - Du 30 septembre au 31 décembre : environs 2h d ombre sur le site. Par conséquent, il n est pas judicieux d implanter les capteurs thermiques sur ce site. Page 15 sur 16
5. Conclusion D après l étude qui a été réalisée, deux sites présentent les conditions idéales pour l implantation de capteurs solaires thermiques dans le but de préchauffer l ECS et le système de chauffage. Zone 2 Zone 4 Figure 10 : site retenus pour l'implantation de capteurs solaires Toutefois, ces deux sites présentent des inconvénients soit architectural, soit d éloignement avec le local où sera stocker le ballon solaire (cf. 3.2 identification des zones). A présent seule une étude de faisabilité est en mesure de valider ces sites et de réaliser un dimensionnement précis de ce projet. Page 16 sur 16