Installations Solaires Collectives Individualisées Guide de rédaction du cahier des charges techniques de consultation à destinations du Maître d Ouvrage et Maître d Oeuvre Version Finale Décembre 2006 R. MORLOT CSTB F. BELLENGER CSTB M.J. LAGOGUE COSTIC L. GRELICHE TECSOL P. LECARPENTIER EDF J.C. FRICHET EDF M. CARRÉ ADEME J. ROGLIANO Architecte-Designer 1/84
Organisation du document AVANT-PROPOS 4 INTRODUCTION 6 AVANT PROJET SOMMAIRE 9 Notions de base sur les installations solaires collectives individualisées FICHES TECHNIQUES 27 FT1 : Schémas types et variantes FT2 : Légionelle - Arreté Ministériel et Risques FT3 : Fluides caloporteurs FT4 : Equilibrage hydraulique FT5 : Raccords hydrauliques FT6 : Entretien Maintenance FT7 : Montage d'une opération ANNEXE 1 : AVANT PROJET DEFINITIF Guide de dimensionnement ANNEXE 2 : PHASE DE CONSULTATION Modèle de Cahier des Clauses Techniques particulières (CCTP) 2/84
Remerciements La matière première du document a été abondée par les partenaires du CSTB : l Agence de l Environnement et de la Maîtrise de l Energie (ADEME), Electricité de France Département Enerbat (EDF R&D), le Centre d Etude et de Formation du Génie Climatique et de l Equipement Technique du Bâtiment (COSTIC), le Bureau d Etudes TECSOL, et l Architecte Designer Jean ROGLIANO. Tous ont apporté un précieux éclairage complémentaire dans leurs domaines d expertise et ont rendu possible cette publication. Qu ils en soient remerciés. Le document bénéficie aussi des apports d un comité de relecture, afin d enrichir son contenu, en élargissant le panorama des expériences. Le CSTB tient à citer ces «experts» ou «praticiens», à savoir les personnes suivantes : Bruno GAGNEPAIN ADEME Jean-François COUSIN ADEME DR Camille PETITJEAN COSTIC Jean-François DOUCET EDF Eric MICHEL ACD2 Dominique BRIANE BETSO Christian FORTUNE HOLISUD ICO Louis CASALS TECSOL Jean-Marie FOUNEAU Installateur Que chacun soit ici remercié pour sa contribution. Quelles sont vos attentes d un tel guide, en tant que spécialiste ou non du domaine, et intéressé par la technique des Installations Solaires Collectives Individualisées? Dominique BRIANE Bureau d Etudes BETSO «Un guide des bonnes pratiques en production d ECS solaire et en particulier pour le solaire collectif individualisé indiquant très clairement les erreurs à éviter. Un point précis de ce qu il est raisonnable de faire en termes de contrôle et garantie de l installation. Les limites de la GRS dans ce type d installation.» Christian FORTUNE - Bureau d Etudes HOLISUD «Ce guide doit permettre à son lecteur de cibler les principaux points critiques d une conception et lui permettre de les déterminer et répondre aux principales questions. Il lui permettra de valider une conception en toute connaissance de cause. Il doit nous orienter vers des solutions techniques quantifiables et réalisables sur chantier. Celles-ci doivent s appuyer sur des règles et règlementations existantes.» Jean-François DOUCET - EDF «On attend des schémas de principe, le dimensionnement des organes, les points clés de l installation à respecter et une méthode de mise en service ainsi que des éléments pour le contrôle du bon fonctionnement et la maintenance de l installation. Le montage du dossier (documents à produire, demande d aides financières, calendrier de réalisation, ) est également important à décrire.» Jean-François COUSIN DR ADEME «Apporter au maître d ouvrage les informations relatives aux avantages et inconvénients d une installation solaire collective individualisée pour qu il puisse faire le choix de ce type de système en toute connaissance.» A ce titre, il me semblerait intéressant de repérer visuellement, tout au long de l ouvrage, ce qui est spécifique à ce type d installation solaire collective individualisée. 3/84
AVANT-PROPOS Dans un souci de promotion de l énergie solaire, il devient indispensable de définir des règles de dimensionnement, de conception et de fonctionnement permettant d accompagner l émergence de cette alternative énergétique pour la production d Eau Chaude Sanitaire. En effet, à l heure où les Maîtres d Ouvrages s intéressent à cette ressource, il convient de les conforter dans ce choix en leur fournissant les outils susceptibles de garantir le bon fonctionnement et la pérennité des installations. A l instar des installations collectives de production d eau chaude traditionnelles (gaz / fioul) pour les usages d ECS, il convient de produire des documents regroupant les précautions et les mesures à prendre pour réaliser une Installation Solaire Collective Individualisée dans les règles de l art. Avant d aborder les différentes phases de la réalisation d un système solaire thermique Collectif Individualisé, il est important de rappeler que la philosophie générale d utilisation des énergies renouvelables et de la production d eau chaude solaire en particulier, doit être associée à une démarche globale visant à une Utilisation Rationnelle de l Energie (URE), qui favorise la conception et la gestion d installations peu consommatrices en énergie, soit en corrélation avec une consommation modérée et maîtrisée, et qui diminue leurs impacts sur l environnement. Le présent document regroupe les règles utilisées pour les installations classiques d Eau Chaude Sanitaire et de Chauffage, applicables dans le cadre des Installations Solaires Collectives Individualisées. Ces règles sont pour la plupart extraites du «Guide Technique de conception et de mise en œuvre des réseaux d eau destinée à la consommation humaine à l intérieur des bâtiments» [2]. Elles font également plus largement appel à des documents complémentaires dont les références sont annexées à ce guide. L aspect économique ne sera pas traité dans ce document, mais nous encourageons le lecteur à se rapprocher de l ADEME pour faire établir et subventionner un pré-diagnostic réalisé par un bureau d'études. Le pré-diagnostic permet au maître d'ouvrage d'avoir une approche technique, économique et environnementale de la solution solaire proposée, de faire son choix et de passer à l'investissement. Des informations sur le montage d une opération sont données en fin d ouvrage dans la Fiche correspondante Fiche Technique N 7 : Montage d une Opération Note : «En Région PACA, dans le cadre du Plan Soleil 2006 de production d Eau Chaude Sanitaire Collectif/Tertiaire/Industriel, tout projet solaire de production d'eau Chaude Sanitaire supérieur à 15m² dans le collectif doit être précédé, pour être soutenu financièrement par l ADEME et la Région, d'un pré diagnostic réalisé par un bureau d études indépendant.» ENERPLAN - http://www.enerplan.asso.fr/ Guide des Installations Solaires Collectives Individualisées 4/84
Légendes des symboles utilisés Purgeur d air Interrupteur crépusculaire Vanne d arrêt Capteurs solaires Soupape de sécurité Manomètre Circulateur (pompe) Réservoir de collecte Vase d expansion Vanne d équilibrage Vanne 3 voies Groupe de sécurité Régulation Compteur d eau Clapet anti-retour Mitigeur thermostatique Sonde température Echangeur interne (ballons de stockage) Résistance électrique Guide des Installations Solaires Collectives Individualisées 5/84
INTRODUCTION En tout premier lieu, et pour ne pas se méprendre sur la typologie des installations solaires traitée dans ce guide, il convient de dissocier le concept d installations solaires collectives «individualisées» (Figure 1.a), du concept d installations solaires collectives avec appoint individuel (Figure 1.b). Figure 1.a Figure 1.b Les premières sont suffisamment spécifiques pour faire l'objet d'un document à part, comme se veut l être le présent guide. Traiter des installations solaires collectives avec appoint individuel n est pas opportun, dans la mesure où à notre sens, ces dernières font partie des installations solaires collectives [1]. Le titre (Installations Solaires Collectives Individualisées) a l'avantage de mettre en lumière cette spécificité et, par ailleurs, commence à être connu. L Installation Solaire Collective Individualisée pour la production d Eau Chaude Sanitaire privilégie la décentralisation du stockage solaire dans chacun des logements, pour une meilleure régulation de l appoint en fonction des besoins de chaque logement. Cette installation est composée d un champ de capteurs raccordé hydrauliquement à des ballons individuels verticaux, situés dans chaque logement et équipés d un échangeur noyé en partie inférieure. La production d'appoint pourra être : - intégrée au ballon, par résistance électrique ou par échangeur raccordé à une chaudière, obligatoirement situés au-dessus de l échangeur solaire, - ou indépendante par ballon complémentaire, chauffe-bain ou chaudière mixte adaptés, raccordé en série et en aval du ballon solaire. Guide des Installations Solaires Collectives Individualisées 6/84
L intérêt est double : - seule l énergie solaire supporte les pertes de la boucle collective, - individualisation totale des charges d eau et d énergie d appoint (gestion individuelle de l appoint électrique en heures creuses par exemple). L inconvénient résulte d un encombrement important du stockage imputable aux surfaces privatives du logement. En terme de loi Carrez, ces surfaces ne sont pas déductibles de la surface habitable. Comparaison des systèmes : forces et faiblesses Solaire collectif individualisé [Figure 1.a] Solaire collectif [Figure 1.b] Forces - Individualisation totale des charges d énergie liée à la production d ECS ; - Gestion individuelle de l appoint, une panne n affectant qu un usager ; - Gain de CO 2 - Solution bien adaptée dans le cas d une installation d ECS déjà collective ; - Gain de CO 2 ; - Stockage d ECS solaire, libérant l espace des logements (placards) ; - Gestion centralisée de l ECS, avec une seule gestion de l appoint à prévoir. Faiblesses - Espace requis dans les logements pour les chauffe-eau individuels ; - Investissements un peu plus coûteux qu une solution tout collectif (maîtrise des coûts en cours) ; - Portage de la GRS à clarifier pour chaque opération (comptage individuel ou non, relève, ) ; - Suivi et maintenance plus délicate - Recouvrement des charges d eau et d électricité répercutées sur le gestionnaire ; - Nécessité de prévoir un maintien en température de la boucle et d isoler le circuit de distribution ; - Pertes thermiques liées à la distribution collective de l ECS ; - Besoin d un local pour le stockage solaire Ce guide s applique à la réalisation de systèmes solaires thermiques à usage collectif individualisé. Il propose : - une méthodologie d aide à la rédaction de documents de consultation pour des projets immobiliers. - des recommandations qui permettent la réalisation d installations solaires thermiques de qualité, intégrés au mieux dans leur environnement architectural. Ce guide s adresse à tous les acteurs impliqués dans la réalisation de systèmes solaires thermiques appliqués au logement collectif et intégrés au bâti : Guide des Installations Solaires Collectives Individualisées 7/84
- les maîtres d ouvrages (particuliers, entreprises, collectivités locales) ; - les maîtres d œuvre (architecte, bureaux d études) ; - les professionnels du bâtiment et des énergies renouvelables (Industriels, installateurs). La trame de base du guide repose sur la description des éléments propres aux Installations Solaires Collectives Individualisées sur lesquels les concepteurs du projet doivent réfléchir et justifier de leur choix (technologiques, financiers, architecturaux, ). Ces éléments sont introduits et détaillés par le guide pour la définition de la la phase d Avant Projet Sommaire (APS) : rédaction de spécifications fonctionnelles et techniques. Le guide est accompagné de fiches techniques permettant d apporter des points d éclairage particuliers sur : - les schémas types et variantes d installations solaires collectives individualisées - la légionelle - Arreté Ministériel et Risques - les fluides caloporteurs - l équilibrage hydraulique de l installation - les exigences en matière de raccords hydrauliques - l entretien et la maintenance des installations - et le montage d'une opération Enfin il est proposé en Annexe de ce guide, les éléments permettant la définition de la phase d Avant Projet Définitif (APD) : préconisations basées sur l état de l art et l expérience des professionnels du solaire thermique ainsi que des exigences spécifiques de l ADEME, afin d établir le Dossier de Consultation des Entreprises. Toujours en annexe, le guide propose enfin un modèle de Cahier des Clauses Techniques Particulières (CCTP) ainsi que des fiches techniques décrivant des problématiques très spécifiques à l installation. Ce guide doit permettre de faciliter le traitement de demandes de financements adressés aux délégations régionales de l ADEME (Agence De l Environnement et de la Maîtrise de l Energie), ou à d autres financeurs. L ADEME s appuiera sur ce document dans les phases d instruction et de suivi des projets qu elle aura à examiner. D éventuels bailleurs de fonds pourront avoir la même démarche et utiliser ce guide. Les auteurs de ce guide rappellent que les exigences et préconisations proposées sont données à titre indicatif et ne peuvent en aucun cas engager leur responsabilité ou celle de l ADEME dans la mesure où ces recommandations ne peuvent à elles seules garantir le bon fonctionnement de l installation, mais y contribuent fortement. La liste des textes réglementaires n étant pas exhaustive, les Bureaux d Etudes auront à leur charge la vérification des textes en vigueur. Guide des Installations Solaires Collectives Individualisées 8/84
AVANT PROJET SOMMAIRE Notions de base sur les installations solaires collectives individualisées 1. GENERALITES 11 1.1 EFFICACITE ENERGETIQUE DU SYSTEME SOLAIRE 13 1.2 INTEGRATION AU BATI 14 2. SCHEMAS HYDRAULIQUES 15 2.1 FONCTIONNEMENT DU CIRCUIT PRIMAIRE (OU CIRCUIT DU CHAMP DE CAPTEURS SOLAIRES) 16 2.2 FONCTIONNEMENT DU CIRCUIT SANITAIRE 18 3. METHODE DE CALCUL 19 3.1 BESOINS D EAU CHAUDE 19 3.2 CAPTEURS SOLAIRES 20 3.3 BALLONS DE STOCKAGE 22 3.4 PERFORMANCES DE L INSTALLATION 24 4. ACCESSIBILITE 24 Guide des Installations Solaires Collectives Individualisées 9/84
Cette phase correspond, pour un projet immobilier, à l expression des besoins fonctionnels et techniques d ordre général. Elle implique principalement le Maître d Ouvrage et l Architecte, appuyés quelquefois de Bureaux d Etudes spécialisés. Les matériels et équipement à mettre en œuvre ne sont pas à ce stade du projet, spécifiés précisément. Concernant l intégration du projet d Eau Chaude Sanitaire solaire collective individualisé au projet global, les critères qui influenceront les choix technologiques et architecturaux sont : - la production de chaleur possible dépendant du gisement solaire, des paramètres géométriques (orientation, inclinaison), des masques (proches, lointains), les rendement des matériels composant le système ; - le type d intégration architecturale (autant à l enveloppe du bâtiment que dans l espace intérieur des logements, en favorisant l accès au ballon de stockage et aux organes de réglage pour la maintenance) ; - Les critères de choix techniques et financiers qui vont orienter les offres des entreprises réalisatrices, notamment en terme de matériel proposé (amortissement des coûts d installation et d exploitation). Par ailleurs d autres objectifs peuvent être envisagés, à savoir : - environnementaux : participation à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, - pédagogiques : une réalisation réussie devient à son tour un agent promoteur pour la diffusion des énergies renouvelables, La vocation d une installation solaire collective individualisée, intégrée au bâtiment, est avant tout énergétique. Un tel système constitue un facteur d amélioration de l impact énergétique global du bâtiment. Sa production d eau chaude, dédiée dans le cadre de ce guide à l Eau Chaude Sanitaire, est destinée à couvrir en tout ou partie des besoins particuliers de consommation. L intégration des capteurs solaires thermiques en lieu et place de matériaux de construction généralement passifs (toiture), assurant à la fois la fonction de clos et de couvert, d isolation, mais aussi de production d eau chaude, présente l avantage d une meilleure esthétique sur le plan de l impact visuel, à laquelle s ajoute l économie de matériaux de construction. L intégration des capteurs devra se faire dans le respect des Documents Techniques Unifiés (DTU), et autres réglementations en vigueur. Guide des Installations Solaires Collectives Individualisées 10/84
1. GENERALITES Comme les installations solaires thermiques en général, les installations solaires collectives individualisées produisent de l Eau Chaude Sanitaire et utilisent à cet effet, en partie l énergie solaire. A ce titre, les installations solaires collectives individualisées comprennent : - un champ de capteurs solaires qui convertit le rayonnement solaire incident en chaleur, - autant de réservoirs de stockage que de logements, chaque volume étant adapté aux besoins individuels, - des conduites (circuit primaire) reliant le champ de capteurs solaires aux échangeurs internes de chaque ballon de stockage, - un fluide caloporteur circulant dans le circuit primaire et acheminant dans le réservoir de stockage, l énergie produite par les capteurs, - une pompe pour la mise en circulation du fluide caloporteur, - des accessoires hydrauliques (purgeurs, vannes d isolement, vannes d équilibrage, clapets anti-retour, vases d expansion, manomètres, compteur d eau, sondes de température ) - un dispositif de régulation automatique avec action sur la pompe, - une source énergétique d appoint. Figure 2 Guide des Installations Solaires Collectives Individualisées 11/84
La source en énergie d appoint complémentaire à l énergie solaire, est installée dans chaque logement de l habitat collectif (gaz/électricité). Cet appoint porte l eau sanitaire préchauffée par l énergie solaire, à la température désirée aux différents points de puisage du logement. Ces installations font partie de la famille des chauffe-eau solaires : - indirects (l Eau Chaude Sanitaire ne passe pas à travers le champ de capteur solaire), - à circulation forcée (le fluide caloporteur est mis en mouvement par une pompe), - avec ou sans vidange (l installation respectivement se vide ou reste en eau lorsque la pompe est arrêtée).
1.1 EFFICACITE ENERGETIQUE DU SYSTEME SOLAIRE L aptitude à l emploi d une installation de production d Eau Chaude Sanitaire, qu elle soit solaire ou non, est caractérisée par la disponibilité de l eau aux points de puisage, en quantité suffisante, à une température donnée, au moment voulu. Dans les installations de production d Eau Chaude Sanitaire par l énergie solaire, un complément d énergie fourni par un équipement d appoint est rendu nécessaire pour : - le maintien d un niveau de température permettant d assurer les besoins en Eau Chaude Sanitaire, puisque les équipements solaires sont généralement dimensionnés pour n en couvrir qu une partie, - le maintien d un niveau de température propre à éviter la prolifération de bactéries, notamment de légionelles. Fiche Technique N 2 : Légionnelle Arrêté Ministériel et Risques A l opposé des installations solaires collectives à appoint centralisé [1], l efficacité d une installation solaire collective individualisée peut difficilement être quantifiée par le paramètre de «couverture solaire», qui est la part relative des besoins d énergie pour l eau chaude, couverte par l énergie solaire. Cette difficulté est liée au calcul de l énergie solaire valorisée au niveau de chaque réservoir individuel de stockage, qui dépend fortement de l équilibrage hydraulique du circuit primaire, et des besoins individuels d ECS. Fiche Technique N 4 : Equilibrage hydraulique La contribution solaire dans le fonctionnement du chauffe-eau solaire collectif individualisé, dépendra aussi plus communément : - de la ressource solaire disponible sur le lieu géographique d implantation du projet (latitude, altitude, données climatiques), - de l orientation des capteurs solaires thermiques par rapport au Sud et de leur inclinaison par rapport à l horizontale, - des ombres portées sur les capteurs solaires thermiques, aux différentes heures de la journée, et ce sur une année, - des performances des différents éléments composant le système (fluide caloporteur, isolation des tuyauteries, échangeurs, déperdition des ballons de stockage, régulation, ) - de la température d eau froide du réseau : plus l eau est froide, plus il faut d énergie pour la porter à une température donnée (consigne du stockage par exemple), et plus il faudra d eau chaude, en volume, pour qu au mitigeage on assure une température constante. Guide des Installations Solaires Collectives Individualisées 13/84
Dans ce contexte on notera que l ensoleillement n est pas constant au cours de l année : l énergie solaire disponible en moyenne par jour est supérieure en été qu en hiver. Concrètement, l irradiation journalière sur une surface horizontale est 5 (région Sud) à 9 (région Nord) fois plus élevée en été qu en hiver, ce qui impacte sur la quantité d eau chaude susceptible d être produite journellement. Signalons encore qu en matière d ensoleillement, la quantité d irradiation disponible varie au cours de la journée : nulle la nuit, elle augmente par ciel dégagé pour atteindre une valeur maximale vers midi solaire. Suite à ces remarques, l inclinaison et l orientation du champ de capteurs solaires devrait être modifiées en fonction du jour de l année et de l heure de la journée, mais en pratique, cette adaptation constante s avèrerait trop coûteuse. On opte plus facilement pour une orientation donnée (associée à l implantation du bâtiment, à savoir ±15 par apport au Sud), et une inclinaison suffisamment efficace pour l ensemble de l année, soit 45. 1.2 INTEGRATION AU BATI En matière d intégration au bâti, trois grandes familles d implantation du champ de capteurs solaires thermiques sont à envisager : - les réalisations sur une structure portante indépendante de l enveloppe du bâtiment (en sur-imposition), n'assurant à ce titre pas de fonction de clos ni de couvert ; - les réalisations incorporées à la toiture ou à la façade des ouvrages, réalisant la fonction de couverture ou de parement, mais qui associées à un accessoire adéquat (bac d'étanchéité,...) constituent un ensemble assurant tout ou partie de la fonction de couverture ; - les réalisations intégrées (élément de façade ou de couverture posé suivant des procédés traditionnels), prenant en compte les fonctions de clos et couverts propre à l enveloppe du bâtiment. La première famille n induit généralement que des contraintes structurelles au bâtiment : fixation des châssis, traversées des circuits hydrauliques et câbles des sondes de mesures, etc. Son impact thermique se limite essentiellement à la réduction des apports solaires thermiques passifs du à l ombre portée sur le bâtiment. La deuxième famille présente l avantage d une meilleure esthétique à laquelle s ajoute l économie de matériaux de construction. Il nécessite cependant une analyse plus fine du comportement thermique des bâtiments, afin de prendre en compte les effets thermiques liés à l incorporation des capteurs au bâti. La dernière famille, l intégration complète, présente l avantage d une esthétique parfaite, une solution complète pensée pour sa facilité de mise en œuvre et sa durabilité. Dans tous les cas, l intégration des capteurs solaires au cadre bâti devra se faire dans le respect des Documents Techniques Unifiés (DTU), des préconisations de l Avis Technique et des notices techniques du fabricant. Guide des Installations Solaires Collectives Individualisées 14/84
2. SCHEMAS HYDRAULIQUES En pratique, il existe un certain nombre de concepts de chauffe-eau solaires bien différents. Il nous est impossible de décrire l ensemble des concepts, nous nous limiterons à décrire un schéma type d installations solaires collectives individualisées, qui a déjà été adopté sur plusieurs opérations de logement, pour mettre en évidence les avantages et inconvénients de ces réalisations, suivant les critères d une analyse hydraulique, énergétique, environnementale et sanitaire. Il s agit d une installation solaire collective à circulation forcée, sans système de vidange, associée à une source d énergie électrique d appoint direct, intégrée dans chacun des réservoirs individuels de stockage. (8) Dis pos (8) (8) (30) (1) (4) (21) (5) (2) (7) (3) (6) (13) (11) (9) (10) (12) (13) (11) (9) (10) (12) Figure 3 : Schéma type d installation solaire collective individualisée Remarque : Dans la majorité des cas, la vanne 3 voies sur le circuit primaire de ce schéma ne se justifie pas. Elle est nécessaire lorsque les capteurs sont trop éloignés des colonnes de distribution, pour éviter les pertes de distribution. Guide des Installations Solaires Collectives Individualisées 15/84
Une fiche technique est dédiée à l illustration des variantes possibles de ce schéma, que l on retrouve sur le marché et dans les codes de simulation numériques (SIMSOL, TRANSOL). Fiche Technique N 1 : Schémas types et variantes 2.1 FONCTIONNEMENT DU CIRCUIT PRIMAIRE (OU CIRCUIT DU CHAMP DE CAPTEURS SOLAIRES) On se reportera Figure 3 pour le repérage des éléments composant l installation solaire collective individualisée. Le capteur solaire (1) est relié par l intermédiaire du circuit primaire à un ensemble d échangeurs (10) se trouvant dans les parties inférieures des réservoirs individuels de stockage (9). Lorsque les rayons du soleil atteignent le capteur solaire (1) et l interrupteur crépusculaire (30), la pompe (2) s enclenche mettant en mouvement le fluide caloporteur du circuit primaire. Le fluide caloporteur, après avoir été réchauffé par la plaque absorbante (absorbeur), quitte le capteur solaire et circule à travers la vanne trois voies «tout ou rien» (3), activée par un dispositif de réglage automatique sur la base des températures mesurées en sortie (20) et en retour de capteur (21), à contrario de la température mesurée en partie basse du ballon comme cela se pratique dans les installations solaires collectives à appoint centralisé. La raison en est simple : le réservoir de stockage étant «divisé» en autant de logements, cela rend la mesure de température en partie basse de chaque ballon impossible. Le fluide caloporteur libérera sa chaleur au profit des réservoirs individuels de stockage (9), si la température mesurée par la sonde (20) en sortie de champ de capteurs solaires, est supérieure de 5 à 10 C à la température mesurée par la sonde (21) : ouverture de la vanne trois voies (3). Ce faisant, le fluide caloporteur du circuit primaire se refroidit au travers des différents échangeurs (10) et est réacheminé vers le champ de capteurs solaires. Si la différence de température entre les sondes (20) et (21) retombe à 2 C, le régulateur referme la vanne trois voies (3) ; il en va de même lorsque la température de retour (21) dépasse 85 C. Le clapet anti-retour (5) disposé dans le circuit primaire empêche que l écoulement ne s inverse par un effet thermosiphon 1 lorsque le circulateur (2) ne fonctionne pas. Un tel écoulement inverse aurait pour effet de ramener la chaleur du réservoir de stockage vers le champ de capteurs solaires, ayant pour conséquence une déperdition de chaleur vers le milieu ambiant. Ce clapet anti-retour (5) doit normalement être disposé en aval du vase d expansion (4). L effet de thermosiphon est un phénomène parasite dans les installations solaires collectives à circulation forcée, dont on cherche à s affranchir pour éviter tout déséquilibre hydraulique des circuits. 1 Sous l effet de la chaleur, un fluide se dilate provoquant une diminution de sa masse volumique. De ce fait la masse volumique du fluide contenu dans la branche hydraulique en sortie de capteurs solaires (A) présente une masse volumique inférieure, en moyenne, à celle du fluide contenu dans la branche hydraulique en entrée des capteurs solaires (B). La pression au point A à tendance à descendre en dessous de la pression au point B. La moindre différence de pression entre ces deux points s accompagne immédiatement d un écoulement entre ces deux points et, partant, dans l ensemble du circuit. C est ce que l on appelle l effet thermosiphon, c'est-à-dire l écoulement d un fluide dans un circuit causé par les différences de masse volumique du fluide en différents endroits du circuit. Guide des Installations Solaires Collectives Individualisées 16/84
L équilibre hydraulique des réseaux de distribution, via les vannes d équilibrage (6), joue un rôle essentiel dans l exploitation optimale de l installation. En son absence, les échangeurs de chaleur internes (10), sont irrigués par un débit d eau insuffisant ou excessif, ce qui affecte dans les deux cas, l équilibre thermique du système concerné, et son aptitude à être convenablement régulé et programmé. Fiche Technique N 4 : Equilibrage hydraulique Le vase d expansion (4), placé à l aspiration du circulateur (2), doit absorber l expansion thermique du fluide caloporteur échauffé, ainsi que l augmentation de volume survenant lorsque ce fluide, présent dans le champ de capteurs solaires, entre en ébullition (phénomène de stagnation, lorsque la pompe (2) s arrête et que l ensoleillement est maximal). Lorsque la température de stagnation est atteinte, de la vapeur surchauffée peut se former, ce qui induit des contraintes sur le matériel à utiliser. Pour cette raison, les purgeurs (8) sont disposés aux point les plus hauts du circuit primaire, et ne doivent pas être automatiques. Au besoin, on peut remplacer les purgeurs manuels par des systèmes automatiques «verrouillables» (en installant en amont du purgeur, une vanne d isolement ou robinet d arrêt). Cette option offre l avantage de pouvoir laisser l installation fonctionner un certain temps, au début ou après chaque remplissage, avec les purgeurs automatiques en service. Les purgeurs doivent résister à de hautes températures (>130 C). La soupape de sécurité (7) protège le circuit primaire contre les surpressions anormales, par exemple en cas de défaillance du vase d expansion (4). Le fluide caloporteur pour ce type de boucle étant majoritairement un antigel, il ne peut être évacué dans les canalisations d égout. Tant la soupape de sécurité que le robinet de remplissage et de vidange sont raccordés à un réservoir de collecte du fluide caloporteur, qui devra être évacué conformément aux dispositions environnementales en vigueur. Fiche Technique N 3 : Fluides Caloporteurs Remarque : Le concept d installation solaire collective à circulation forcée avec système de vidange, dite aussi auto-vidangeable, présente un certain nombre de différences : - Le fluide caloporteur est théoriquement de l eau. Il n est dans ce cas pas nécessaire de prévoir un réservoir pour collecter les résidus des différentes soupapes et robinets de purge (évacuation vers les canalisations d égoût). - Le circuit primaire n est pas en permanence rempli de fluide caloporteur : lorsque le circulateur ne fonctionne pas, le champ de capteurs solaires et les sections de conduites primaires exposées au gel sont systématiquement vidés dans un réservoir dit de vidange. Le niveau d eau dans ce réservoir détermine le «niveau de vidange», c'est-àdire le niveau d eau de remplissage du circuit primaire qui doit être contrôlé pour le bon fonctionnement de l installation. Il convient de disposer le niveau de vidange en dessous du point le plus bas du champ de capteurs solaires, en tenant compte des pentes et des longueurs de conduites d amenée et d évacuation. - Le réservoir de vidange permet de séparer du fluide caloporteur les gaz expulsés du champ de capteur, pour ne pas affecter la transmission de chaleur au niveau des différents échangeurs des stockages individualisés de l installation. Les déperditions thermiques du réservoir de vidanges sont à limiter. - Le réservoir sert de vase d expansion (il évite l installation d un vase d expansion distinct), et remédie ainsi à l inconvénient du phénomène d ébullition, puisque le champ de capteurs solaires se vide à l arrêt des pompes. Le réservoir de vidange affranchit aussi l installation du clapet anti-retour, dans la mesure où il interdit l établissement d un courant inverse qui résulterait d un effet thermosiphon. Guide des Installations Solaires Collectives Individualisées 17/84
- Le circuit primaire se remplissant automatiquement à la mise en marche des pompes, il faut veiller à donner aux conduites une pente minimale continue, pour assurer un dégazage correct de la section purgée. Ce remplissage nécessite que la pompe ait une hauteur manométrique suffisante pour amener l eau au point le plus haut de l installation. Cette hauteur est très supérieure à celle requise pour surmonter les pertes de charge de circulation du fluide caloporteur dans le circuit primaire en mode de fonctionnement. La pompe est donc équipée d un régulateur de vitesse pour réduire la hauteur manométrique après le démarrage de la pompe, ou deux pompes en série peuvent être nécessaires pour surmonter des hauteurs manométriques plus importantes. Si ce concept d installation solaire collective auto-vidangeable présente beaucoup d avantages, il est à noter la difficulté d obtenir en pratique une installation qui soit complètement auto-vidangeable, comme le précise le point ci-dessus, par la réalisation des pentes du circuit primaire. C est pour cela que dans la réalité, les installations autovidangeables utilisent de l antigel en lieu et place de l eau, pour s affranchir de ces difficultés. 2.2 FONCTIONNEMENT DU CIRCUIT SANITAIRE L eau chaude sanitaire présente dans les réservoirs de stockage individuels (9), durant certaines périodes, n est pas suffisamment élevée pour répondre aux besoins, sans un apport d énergie complémentaire. L appoint d énergie sert également à lutter contre le risque légionnelle, en portant régulièrement la température du ballon de stockage à température pendant un temps donné. Fiche Technique N 2 : Légionelle - Arreté Ministériel et Risques Lorsque le chauffage d appoint est assuré par un appareil instantané (au gaz ou à l électricité), il faut se prémunir des températures dangereusement élevées, en raison du préchauffage qui se fait dans le ballon de stockage, en équipant l appoint d un réglage thermostatique. Lorsque le chauffage d appoint (11) est intégré au réservoir de stockage (chauffe-eau à accumulation), le circuit sanitaire peut également comprendre un vase d expansion de qualité sanitaire monté à proximité de la soupape de sécurité sanitaire, afin de diminuer les pertes d'eau. En effet, lors de son échauffement, l'eau contenue dans un chauffe-eau à accumulation se dilate. Ne pouvant être absorbé par le ballon, l'excédent d'eau est tout simplement renvoyé à l'égout en passant par le groupe de sécurité (12). Cette évacuation intervient une seule fois par jour avec un ballon d'eau chaude électrique fonctionnant en heures creuses. Elle atteint alors 3% du volume. Pour un appareil à énergie gaz intégré, la perte est supérieure, la chaudière se mettant en fonctionnement dès qu'il y a une demande d'eau chaude. Dans tous les cas, la présence d un mitigeur thermostatique (13) doit être obligatoirement ajouté en amont des points de puisage pour des raisons de sécurité (risques de brûlure des utilisateurs lorsque l ensoleillement est important). Enfin, un disconnecteur de zones de pression différente (non contrôlable) doit être installé sur l alimentation d eau froide sanitaire. Cela s explique par la présence dans le fluide caloporteur, d un antigel pouvant être toxique et pouvant le cas échéant, être mélangé à l eau sanitaire en cas de fuite par l échangeur, entre les circuits primaire et sanitaire. Le disconnecteur empêche la pollution de l ensemble de la conduite de distribution et permet également de se rendre compte de l apparition d une surpression indésirable dans le circuit d Eau Chaude Sanitaire. Guide des Installations Solaires Collectives Individualisées 18/84
3. METHODE DE CALCUL A ce stade de la conception, le taux mensuel de couverture solaire F ecs se calcule de la manière suivante pour une surface de capteurs solaires thermiques donnée, les caractéristiques des capteurs et des chauffe-eau n étant à priori pas connues. 3.1 BESOINS D EAU CHAUDE B ecs sont les besoins mensuels pour l eau chaude en kwh comptés en aval de l'appoint (donc en amont de la distribution) : B ecs = Q w + Q d,w Q w et Q d,w sont respectivement les besoins d eau chaude et les pertes de distribution Q w = 1,163 x 12,2 x S h x ( T uw T cw ). N sem,nor [kwh/mois] avec S h : m² de surface habitable T uw : température de l eau chaude utilisée au puisage (référence RT2005 : 40 C) T cw : température de l eau froide entrant dans le système de préparation de l eau chaude N sem,nor : nombre de semaine du mois, vacances exclues Ci-dessous les températures de l eau froide T cw [ C], en fonction des zones climatiques Jan Fév Mars Avril Mai Juin Juillet Août Sept Oct Nov Déc H1 5,7 5,7 7,0 9,2 11,8 14,0 15,3 15,3 14,0 11,8 9,2 7,0 H2 7,2 7,2 8,5 10,7 13,3 15,5 16,8 16,8 15,5 13,3 10,7 8,5 H3 9,7 9,7 11,0 13,2 15,8 18,0 19,3 19,3 18,0 15,8 13,2 11,0 Tableau 1 : Moyenne mensuelle des températures de l eau froide T cw en degré Celsius Il est toujours préférable de sous-estimer la consommation d eau chaude que de la sur-estimer, qui peut conduire à un sur-dimensionnement de l installation et une perte de productivité du champ de capteurs solaires. Chauffe-eau solaire collectif à appoints individuels Lorsque les appoints individuels sont reliés au ballon solaire par un réseau bouclé dont le retour s'effectue dans le ballon solaire, les pertes du réseau bouclé sont de même nature que celles du ballon solaire et ne sont pas comptées. Sinon on prend : Q dwsa = 0,25 F ecs. Q w Q dwsa = 0,4 F ecs. Q w si la tuyauterie est isolée si la tuyauterie n'est pas isolée En première approximation, il est conventionnel que le taux de couverture solaire mensuel F ecs n excédera en aucun cas 85% le mois le plus favorable si les besoins d été ont bien été évalués (consommation d ECS plus faible constatée en été, liée au taux d occupation des logements (période de vacances) et à une température d eau froide plus élevée). Guide des Installations Solaires Collectives Individualisées 19/84
3.2 CAPTEURS SOLAIRES Les caractéristiques des capteurs solaires à prendre en considération sont : - la surface A (m²) (surface unitaire multipliée par le nombre de capteurs), - le rendement optique η 0, - les coefficients de pertes a 1 (W/m².K) et a 2 (W/m².K²) selon la norme NF EN 12975-2 (en vigueur depuis 2002). A est la surface d entrée ou la surface hors-tout, en cohérence avec les autres paramètres. Si on ne connaît pas les caractéristiques thermiques du capteur, on peut adopter les valeurs par défaut suivantes (RT2005) : η 0 = 0,6 a 1 = 10 W/m².K a 2 = 0 W/m².K² (capteur plan vitré) Une installation solaire qui ne couvre qu une partie des besoins d eau chaude (comme par exemple 50%), aura une très bonne efficacité de conversion du rayonnement solaire (rendement du champ de capteurs solaires pouvant dépasser les 50%) car il ne sera que très rarement en condition de surchauffe (température du réservoir de stockage au-delà de laquelle le champ de capteur ne fournit plus d énergie supplémentaire). En revanche, si l on souhaite couvrir le maximum de ces besoins avec l énergie solaire, l installation se composera d un plus grand champ de capteurs solaires qui ne donnera pas son plein rendement les jours les plus ensoleillés, et devra posséder un plus gros volume de stockage (en adéquation avec la surface de capteurs solaires), ayant des pertes plus importantes. La surface requise A (m²) du champ de capteurs solaires est donnée par [4] : A = F ecs x Becs / (η x I sc x D ens ) η= η 0 a 1.T m * - a 2.G.T m *² avec T m * = (T m T ext ) / G Par défaut, on peut prendre une valeur de Tm* comprise entre 0,045 et 0,055 pour un fonctionnement des capteurs plans vitrés à température moyenne Tm égale à 50 C (Tm = [ T entrée capteur +T sortie capteur ] / 2). Ci-dessous la température extérieure moyenne mensuelle T ext [ C], en fonction de la zone climatique. Jan Fév Mars Avril Mai Juin Juillet Août Sept Oct Nov Déc H1 3,5 4 7,1 10,5 13,1 16,3 20,6 18,9 16 10,6 4,8 3,7 H2 3,6 7,8 8,6 10,4 13,8 17,3 20,7 19 16,8 13 6,7 5,8 H3 8 9,6 10,9 12,7 16,2 19,8 23,5 22,4 20 15,9 11,1 8,7 Tableau 2 : Moyenne mensuelle des températures extérieures Text en degré Celsius Guide des Installations Solaires Collectives Individualisées 20/84