ERM AUTOMATISMES INDUSTRIELS 280 Rue Edouard Daladier 84973 CARPENTRAS Cedex Tél : 04 90 60 05 68 - Fax : 04 90 60 66 26 Site : http://www.erm-automatismes.com/ E-Mail : Contact@erm-automatismes.com 1 PREAMBULE 1 2 OBJECTIF ET INTERET DU SOLAIRE THERMIQUE 1 3 LE CHAUFFE-EAU SOLAIRE INDIVIDUEL (CESI) 1 4 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU CESI 2 5 LES CAPTEURS SOLAIRES 4 5.1 LE CAPTEUR VITRE 4 5.2 LE CAPTEUR VITRE SOUS VIDE 5 6 SOLUTIONS DE COUPLAGE 6 6.1 LE CESI A APPOINT SEPARE 6 6.2 LE CESI A APPOINT INTEGRE 7 7 DIMENSIONNEMENT D'INSTALLATION 8 8 POSITIONNEMENT ECONOMIQUE 8 9 L'ENTRETIEN ET LA MAINTENANCE 9 10 DESCRIPTION PRODUIT 10 10.1 SOLERM THERMIQUE CESI AB10 10 DOSSIER TECHNIQUE F1.1 Présentation
DOSSIER MACHINE SOLERM THERMIQUE CESI F 1.1 Présentation Page 1/10 1 PREAMBULE Les qualités de l'énergie solaire à travers le vecteur eau chaude représente le solaire thermique. En effet, l énergie solaire thermique peut être utilisée directement pour chauffer un fluide, qui sert à la production d eau chaude sanitaire (ECS) ou à la production combinée d eau chaude sanitaire et de chauffage des locaux. Associé à une énergie d'appoint (Gaz naturel, Electricité, ), le solaire thermique est une réponse concrète aux soucis du respect de l environnement. De plus, le solaire thermique peut être considéré comme une solution efficace pour contribuer à la diminution des émissions de gaz à effet de serre dans le bâtiment. Si l on exclut les régions tropicales, où le solaire peut satisfaire la totalité des besoins d eau chaude, en zone climatique tempérée, l énergie solaire thermique est à considérer avant tout comme un moyen d économie d énergie. Le solaire thermique peut être utilisé dans toutes les régions françaises, aussi bien celles du Nord que celles du Sud. (Pour produire la même quantité d énergie, une installation solaire qui utilisera une surface de 100 m² de capteurs solaires à Toulouse, en comptera 120 m² à Paris). 2 OBJECTIF ET INTERET DU SOLAIRE THERMIQUE L objectif principal du solaire thermique est de diminuer les charges énergétiques dues à la production d eau chaude sanitaire (ECS) grâce à l énergie solaire. Pour la production d eau chaude sanitaire, on prévoit de 0,7 à 1,5m2 de capteurs solaires thermiques par habitant et un volume de stockage d environ 50 litres par m2 de capteurs. La productivité des capteurs atteint 400 à 500kWh/an/m2, en énergie utile. Cette productivité permet de couvrir 50 à 80% des besoins annuels. En été, la couverture des besoins est proche de 100%. Ceci permet de ne pas utiliser sa chaudière d appoint durant 2 à 4 mois. En évitant de faire fonctionner sa chaudière, pendant quelques mois, avec de mauvais rendement pour des simples besoins d eau chaude, on économise sur la durée de vie de sa chaudière. 3 LE CHAUFFE-EAU SOLAIRE INDIVIDUEL (CESI) Le Chauffe-Eau Solaire Individuel (CESI) est donc un système qui assure le préchauffage de l'eau sanitaire. Une seconde source d'énergie (Gaz, Electrique, ) apporte le complément de chaleur nécessaire à l'obtention de la température de production d'eau chaude sanitaire souhaitée, notamment pendant la période où le rayonnement solaire est insuffisant. Pour pouvoir installer un CESI, il convient de vérifier que l'on dispose d'une surface disponible suffisante. Pour obtenir une efficacité optimale du système, il est nécessaire que les capteurs solaires soit : De dimensions suffisantes (environ 4 m² de capteurs solaires pour un pavillon afin de satisfaire près de 50 % des besoins en eau chaude sanitaire); Orientée préférentiellement vers le sud et avec un minimum d'ombre portée (par exemple par un bâtiment voisin); Accessible. Plusieurs dispositions sont possible pour l'intégration des capteurs solaires : En toiture (Capteurs directement posés sur la toiture ou intégrés à la toiture); En toiture-terrasse (Capteurs sur supports); Au sol (Capteurs sur supports).
DOSSIER MACHINE SOLERM THERMIQUE CESI F 1.1 Présentation Page 2/10 4 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU CESI Capter l'énergie solaire A l'aide du capteur solaire 1 qui comprend : - une plaque et des tubes métalliques noirs. Ils constituent l absorbeur. C est le cœur du "système solaire", qui reçoit le rayonnement solaire et s échauffe; - un coffre rigide et thermiquement isolé entourant l absorbeur. Sa partie supérieure, vitrée, laisse pénétrer le soleil et retient la chaleur comme une petite serre. L ensemble est en général placé sur un toit. Transporter la chaleur 2. Étanche et calorifugé, il contient de l eau additionnée d antigel. Ce liquide s échauffe en passant dans les tubes du capteur, et se dirige vers un ballon de stockage. C est le rôle du circuit primaire Restituer la chaleur Un échangeur thermique primaire, refroidi, repart 4 reste efficace. (serpentin), cède ses calories solaires à l eau sanitaire. Le liquide vers le capteur, où il est chauffé à nouveau tant que l ensoleillement 3 Stocker l'eau chaude 5 est une cuve métallique bien isolée. Il constitue la réserve d eau sanitaire. L eau chaude soutirée est remplacée immédiatement par la même quantité d eau froide du réseau 6, réchauffée à son tour par le liquide du circuit primaire. Le ballon solaire
DOSSIER MACHINE SOLERM THERMIQUE CESI F 1.1 Présentation Page 3/10 Faire circuler le liquide primaire La circulation du liquide peut être naturelle ou forcée : - dans le premier cas, le liquide caloporteur circule grâce à sa différence de densité avec l eau du ballon. Tant qu il est plus chaud, donc moins dense qu elle, il s élève naturellement par thermorégulatrice. Le ballon doit être placé plus haut que les capteurs. Sur ce principe sont conçus les chauffe-eau solaires "en thermosiphon" ; - dans le second cas, une petite pompe électrique, le circulateur 7, met en mouvement le liquide caloporteur quand il est plus chaud que l eau sanitaire du ballon. Son fonctionnement est commandé par un dispositif de régulation 8 jouant sur les différences de températures : si la sonde du ballon (10) est plus chaude que celle du capteur (9), la régulation coupe le circulateur. Sinon, le circulateur est remis en route et le liquide primaire réchauffe l eau sanitaire du ballon. Pallier l insuffisance d ensoleillement Partout en métropole, on doit faire face à des périodes défavorables (hiver, demi-saison, longue période de mauvais temps). L énergie solaire ne peut alors assurer la totalité de la production d eau chaude. Aussi, le ballon est équipé d un dispositif d appoint qui prend le relais en cas de besoin, et reconstitue le stock d eau chaude. Il peut s agir : - d une résistance (appoint électrique), souvent placée à mi-hauteur du ballon solaire ; - d un serpentin 11 (appoint hydraulique) raccordé à une chaudière 12 (gaz, fioul, bois) située en aval du ballon. Un second ballon pourvu d un réchauffeur électrique peut également servir d appoint.
DOSSIER MACHINE SOLERM THERMIQUE CESI F 1.1 Présentation Page 4/10 5 LES CAPTEURS SOLAIRES 5.1 Le capteur vitré le capteur plan à liquide vitré produit du chauffage et de l Eau Chaude Sanitaire (ECS) pour les bâtiments en pays tempérés ou froids. Il est le plus répandu et le mieux adapté pour répondre à ces besoins par le biais de l énergie solaire. Ce capteur absorbe le rayonnement solaire et le transforme en chaleur transmise à un fluide caloporteur. La chaleur ainsi captée est ensuite transférée vers un réservoir de stockage. Il se présente sous forme de caissons de différentes dimensions, ou sous forme d éléments séparés à intégrer directement dans l architecture des bâtiments. Ses dimensions peuvent varier de quelques mètres carrés (individuel) à plusieurs centaines de mètres carrés (installations collectives). Ce système peut atteindre une efficacité de 90%. Il se compose de : un corps noir qui absorbe le rayonnement solaire un fluide caloporteur (principalement de l eau mélangée à un antigel) un isolant thermique une couverture transparente qui assure l effet de serre (vitre)
DOSSIER MACHINE SOLERM THERMIQUE CESI F 1.1 Présentation Page 5/10 5.2 Le capteur vitré sous vide Ce type de capteur permet de répondre aux besoins en fortes températures, aux difficultés de chauffage en pays froid ou aux problématiques de surfaces réduites et/ou d'orientation imparfaite des capteurs. Le capteur sous vide est constitué d une série de tubes de verre sous vide à l intérieur desquels se trouve un absorbeur avec un circuit hydraulique, qui capte l énergie solaire et la transfère au fluide caloporteur. Le fonctionnement est le même que celui du capteur plan à liquide vitré, mais le vide créé à l intérieur des tubes permet de réduire conséquemment les déperditions en chaleur. Ce capteur atteint ainsi des températures plus élevées. Le choix de ce capteur est intéressant pour répondre à des besoins en chaleur qui ne peuvent être satisfaits par le capteur plan à liquide vitré. Il peut, par exemple, être installé sur des procédés de climatisation par absorption où des températures de plus de 80 c sont nécessaires, ou encore être utilisé pour la distillation. Toutefois, ce système étant plus onéreux, et ne favorisant pas une parfaite intégration en toiture est la plupart du temps déconseillé pour les projets individuels.
DOSSIER MACHINE SOLERM THERMIQUE CESI F 1.1 Présentation Page 6/10 6 SOLUTIONS DE COUPLAGE 6.1 Le CESI à appoint séparé Cette solution de couplage est la plus répandue et utilisée lorsque le couplage doit être réalisé sans remplacement de la chaudière individuelle existante. Ces systèmes possèdent une régulation qui enclenche le circulateur dès que l énergie solaire est suffisante. La performance est ainsi supérieure à celle des thermosiphons. Les capteurs peuvent s intégrer dans l architecture du bâtiment et le ballon être situé séparément n importe où dans le bâtiment, même en dessous des capteurs. Une énergie d appoint peut être intégrée dans le ballon solaire tout comme en aval de celui-ci. La structure de plomberie et de chauffage ordinaire de ce système correspond à celle d un système de production classique, et l entretien est similaire. Le principe de fonctionnement d'un CESI à appoint séparé est le suivant : La chaleur des capteurs solaires est transférée à un ballon de stockage solaire par l'intermédiaire d'un échangeur placé dans le ballon; L'eau préchauffée dans ce ballon de stockage est dirigée en entrée du ballon existant raccordé à la chaudière (ou à l'entrée eau froide de la chaudière) qui assure l'appoint; La circulation entre les capteurs et le ballon de stockage solaire s'effectue grâce à un circulateur 1 et une régulation appropriée. Schéma de principe : 1 Ou par effet Thermosiphon Dans cette configuration, le ballon de stockage doit être placé lus haut que le capteur, dans les combles par exemple.
DOSSIER MACHINE SOLERM THERMIQUE CESI F 1.1 Présentation Page 7/10 6.2 Le CESI à appoint intégré Le principe de fonctionnement d'un CESI à appoint intégré est le suivant : L'installation dispose d'un seul ballon de stockage pourvu de deux échangeurs : - L'échangeur en partie basse permet de récupérer l'énergie solaire et réchauffe l'eau stockée dans la partie inférieure du ballon. Durant les jours les plus ensoleillés, l'ensemble du volume du ballon peut être réchauffé par l'énergie solaire; - Un échangeur hydraulique en partie haute (placé à la moitié ou aux deux tiers du ballon) apporte le complément d'énergie nécessaire à l'élévation ou au maintien en température de l'eau stockée dans la partie supérieure du ballon; La circulation entre les capteurs et le ballon s'effectue grâce à un circulateur et une régulation appropriée. Schéma de principe :
DOSSIER MACHINE SOLERM THERMIQUE CESI F 1.1 Présentation Page 8/10 7 DIMENSIONNEMENT D'INSTALLATION Dans le cas d'une installation neuve, le dimensionnement de la production d'eau chaude sanitaire doit être réalisée indépendamment de la présence de l'installation solaire. En effet, la production doit couvrir l'ensemble des besoins en l'absence d'apport solaire. Dans le cas d'une installation existante, c'est la solution du CESI à appoint séparé qui doit être retenu. En fonction du taux de couverture solaire souhaité, de la zone climatique et des besoins en eau chaude sanitaire, la surface des capteurs et les capacités du ballon peuvent varier dans des proportions assez importantes. A titre d'exemple, le tableau suivant donne une indication des surfaces de capteurs solaires et des volumes de ballons solaires. Ce tableau prend pour base de calcul une consommation journalière par personne de 50 à 60 litres d'eau chaude à 45 C et une couverture des besoins par le solaire comprise entre 50 et 70%. (En cas de consommations inférieures à 50 litres/personne, il conviendra d'ajuster ces valeurs) Nombre d'occupants 1 ou 2 3 ou 4 5 ou 6 7 ou 8 Volume du ballon solaire 1 (En litres) 100 à 150 100 à 250 250 à 350 350 à 500 Volume total du ballon 2 (En litres) 100 à 250 250 à 400 400 0 550 550 à 650 Zones climatiques Surface des capteurs (en m²) Zone 1 2 à 3 3 à 5,5 4 à 7 5 à 7 Zone 2 2 à 3 2,5 à 4,5 3,5 à 6,5 4,5 à 7 Zone 3 2 à 2,5 2 à 4 3 à 5,5 3,5 à 7 Zone 4 2 à 2,5 2 à 3,5 2,5 à 4,5 3,5 à 6 8 POSITIONNEMENT ECONOMIQUE Selon le dimensionnement retenu, un équipement solaire thermique individuel (solaire-gaz naturel par exemple) peut réduire de 30% à 70% les besoins énergétiques liés à la production d'eau chaude (soit 10 à 20% des besoins totaux chauffage et eau chaude d un pavillon). Les coûts d'une installation solaire (investissement et exploitation) sont directement liés à la surface de capteurs, donc au taux de couverture solaire recherché et à l ensoleillement de la région (Les départements du Nord reçoivent 30 à 40 % de soleil en moins que ceux du littoral méditerranéen). Le coût d investissement varie également fortement en fonction du type de matériel choisi. Les aides publiques en faveur du solaire, délivrées généralement par l'ademe et les Conseils Régionaux peuvent couvrir une part importante de l investissement, mais varient selon les régions et dans le temps (en fonction des orientations politiques et budgétaires). Certaines communes peuvent accompagner les solutions solaires, au travers de différents mécanismes (subventions directes, réduction de l imposition locale ). Alors que moins de 100 chauffe-eau solaire individuels par an étaient installés en 1999, environ 5 500 CESI ont été installés en 2003. Le marché du logement collectif avec l eau chaude sanitaire solaire collective est aussi concerné. Plusieurs milliers de m² de capteurs ont été posés en 2003. 1 Pour un chauffe-eau solaire à appoint intégré. 2 Pour un chauffe-eau solaire à appoint séparé.
DOSSIER MACHINE SOLERM THERMIQUE CESI F 1.1 Présentation Page 9/10 9 L'ENTRETIEN ET LA MAINTENANCE Le Chauffe-Eau Solaire Individuel (CESI), comme tout équipement de chauffage, doit avoir un suivi régulier et être entretenu périodiquement. Il est recommandé de vérifier régulièrement le bon fonctionnement du système solaire, en contrôlant : - la pression du fluide des capteurs, qui doit être d'environ 0,6 bar + H/10 (avec H représentant la hauteur entre le capteur et le ballon), - le fonctionnement du régulateur et du circulateur, par temps ensoleillé. Il est utile de prévoir sur l'installation un thermomètre à l'entrée et un autre à la sortie de l'échangeur solaire du ballon. En fonctionnement et par temps ensoleillé, l'écart entrée - sortie dépasse rarement 10 K. Si cet écart est supérieur à 15 K, c'est probablement le signe d'une mauvaise circulation de fluide. Cette vérification peut être réalisée par le client, entre deux visites d entretien d'un professionnel. Des contrôles doivent être effectuées tous les ans, suivant les indications du constructeur et de l'installateur au moment de la mise en service de l'installation.
DOSSIER MACHINE SOLERM THERMIQUE CESI F 1.1 Présentation Page 10/10 10 DESCRIPTION PRODUIT (STANDARD) 10.1 Solerm thermique CESI AB10 L'équipement Solerm thermique CESI AB10 est un chauffe-eau solaire équipé de 4 m² de capteurs, d'un ballon d'eau de 300 litres, d'un appoint électrique et d'un groupe de transfert. Afin de réaliser diverses activités pédagogiques sur les bilans énergétiques, le système est conçu pour évacuer l eau chaude produite. Pour ce faire et dans un souci d économie d'eau, la sortie de distribution d eau du système doit être raccordée à un point de puisage fonctionnel. Un contrôle du débit soutiré permettra de ramener le volume des puisages à une valeur quotidienne correspondante à une maison individuelle. L équipement est instrumenté afin de permettre les mesures suivantes : - Irradiation solaire; - Température extérieure; - Température, débit dans les différents circuits; - Température dans le ballon solaire; - Energie électrique absorbée par l appoint; De plus, les compteurs d énergie thermiques permettent de mesurer les températures, le débit, le volume et l énergie thermique. Un manomètre permet de mesurer, à poste fixe, les pressions amont et aval du circulateur permettant ainsi différents travaux pratiques sur le point de fonctionnement du circulateur. L'équipement est équipé d'une centrale d acquisition (option) qui enregistre l'évolution des différentes mesures ainsi que les puisages réels ou simulés. Cette centrale, est interrogeable à distance via une connexion Internet. Par conséquent, les apprenants peuvent réaliser les différents travaux pratiques avec des mesures instantanées et/ou en interprétant les enregistrements des jours précédents.