Système Chauffe eau solaire I. INTERÊT Utiliser le soleil pour chauffer l eau sanitaire est une idée qui paraît d une logique implacable. Le principe des chauffe-eau solaires est simple et la technique est aujourd hui fiable et éprouvée. Non polluante et inépuisable à l échelle humaine, l énergie solaire permet de respecter l environnement et de préserver la santé. Elle permet de préserver les ressources énergétiques, sans produire de déchets ni d émissions polluantes, notamment du gaz carbonique. Au-delà des enjeux environnementaux et de l impact sur la production de gaz à effet de serre, l eau chaude représente une part non négligeable de la facture énergétique d un bâtiment, qui peut être réduite grâce à l utilisation de l énergie solaire. En constante amélioration depuis plus de 20 ans, les technologies du solaire thermique sont arrivées à un haut niveau de maturité. Plus de 00.000 m2 de capteurs ont été installés en France (métropole et DOM) et l ensemble des applications dans lesquelles ils sont utilisés dispose maintenant de références. Des produits de haute qualité sont disponibles, les systèmes thermiques sont fiables, et leur productivité peut être garantie grâce : aux procédures de qualification et de certification des équipements (Avis Technique, marquage CSTBat), aux outils de calcul et dimensionnement (SOLO, Polysun, TRNSys, logiciel PSD-Maison individuelle ), au contrôle et au suivi des opérations (télé contrôle). Les conditions d un bon fonctionnement durable ont été progressivement créées, et les garanties ont été fiabilisées dans le cadre de contrats de «GRS» (Garantie de Résultat Solaire) pour les applications collectives. II. PRÉSENTATION DU CHAUFFE-EAU SOLAIRE INDIVIDUEL 1 Capteur solaire Sonde de température 2 9 Circuit primaire Eau chaude sanitaire Chaudière d appoint 12 Le chauffe-eau solaire individuel (CESI) est un système qui assure le préchauffage de l'eau sanitaire. Une seconde source d'énergie (gaz, électrique, ) apporte le complément de chaleur nécessaire à l'obtention de la température de production d'eau chaude 4 11 sanitaire souhaitée, notamment pendant la période où le rayonnement solaire est 8 Régulateur 10 3 Ballon de stockage insuffisant. 7 Figure 1 : schéma de principe 6 Arrivée eau froide 1
III. CONDITIONS D INSTALLATION 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 0 % 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 possibles 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). IV. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Les numéros font référence au schéma de principe (Figure 1). 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 C est le rôle du circuit primaire 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. Restituer la chaleur Un échangeur thermique repart 4 3 (serpentin), cède ses calories solaires à l eau sanitaire. Le liquide primaire, refroidi, vers le capteur, où il est chauffé à nouveau tant que l ensoleillement reste efficace. Stocker l'eau chaude Le ballon de stockage 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. 2
Faire circuler le liquide primaire La circulation du liquide est forcée : une petite pompe électrique, le circulateur, 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 sensibles aux différences de températures : si la sonde du ballon 10 est plus chaude que celle du capteur liquide primaire réchauffe l eau sanitaire du ballon. 9, la régulation coupe le circulateur. Sinon, le circulateur est remis en route et le 7 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. V. DIMENSIONNEMENT Nombre d'occupants 1 ou 2 3 ou 4 ou 6 7 ou 8 Volume du ballon solaire (En litres) 100 à 10 100 à 20 20 à 30 30 à 00 Zones climatiques Surface des capteurs (en m²) Zone 1 2 à 3 3 à, 4 à 7 à 7 Zone 2 2 à 3 2, à 4, 3, à 6, 4, à 7 Zone 3 2 à 2, 2 à 4 3 à, 3, à 7 Zone 4 2 à 2, 2 à 3, 2, à 4, 3, à 6 VI. ANALYSE SYSML DU SYSTÈME A. QUELS SONT LES ACTEURS SUSCEPTIBLES D INTERAGIR AVEC LE SYSTÈME? Figure 2 : diagramme de contexte 3
B. LE RÔLE DES DIFFERENTS ACTEURS DU SYSTÈME Figure 3 : diagramme des cas d utilisation C. LES ECHANGES ENTRE ACTEUR Figure 4 : diagramme de séquence du cas d utilisation «Puiser l eau» Figure : diagramme de séquence du cas d utilisation «Stocker l eau chaude» 4
D. LA CONSTITUTION DU SYSTÈME Système - Chauffe eau solaire individuel Figure 6 : diagramme de définition de blocs E. À QUELLES EXIGENCES DOIT SATISFAIRE LE SYSTÈME? Figure 7 : diagramme d exigence
F. QUELS SONT LES TYPES DE GRANDEURS TRAITÉES PAR LE SYSTÈME? Figure 8 : diagramme d exigence Tout_capt : température du fluide caloporteur au niveau des capteurs solaires Tout_bal : température de l eau dans le ballon Fout : température de l eau mitigée Y : commande de l électrovanne Fin : température de l eau froide à l entrée du ballon E : énergie cédée à l eau du ballon VII. ANNEXE Figure 9 : diagramme du cas d utilisation «Stocker l eau chaude» (appoint électrique) 6