Formation Continue FORMATION INTRA FORMATION PRESENTATION DES TECHNOLOGIES SOLAIRES FCIA093 FORMATION DECEMBRE 2007-JANVIER 2008 INES EDUCATION Bâtiment LYNX 50 avenue Lac Léman Savoie Technolac BP 258 73375 LE BOURGET DU LAC CEDEX Tél. : +33 (0)4 79 26 44 33 Tél. : +33 (0)4 79 25 36 90 grosjean@ines-solaire.fr Site : www.ines-solaire.com
INTEGRER LE SOLAIRE THERMIQUE DANS LE BÂTIMENT Thomas LETZ Docteur-Ingénieur en Energétique Responsable du Département Thermique INES EDUCATION Xavier CHOLIN Ingénieur en Solaire Thermique INES EDUCATION INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire
Sommaire 1. Le gisement solaire, les données climatiques... 3 2. Les différents types de capteurs solaires thermiques... 6 3. Les techniques solaires... 10 3.1. Le chauffe-eau solaire individuel... 10 3.2. L'eau chaude solaire collective... 12 3.3. Le système solaire combiné... 16 3.4. Les piscines solaires... 19 3.5. Les installations collectives combinées... 20 3.6. Le froid solaire... 23 4. L'évaluation des besoins pour l'eau chaude collective... 26 5. Le dimensionnement des composants... 29 6. L'intégration des capteurs... 30 7. Le dimensionnement de l'installation... 39 7.1. Les indicateurs de performance... 39 7.2. Outils de calcul... 41 8. L'évaluation économique des projets... 41 9. Les aides et subventions... 45 10. Le télésuivi, la Garantie de Résultats Solaires... 48 11. Les conseils opérationnels... 56 12. Le contexte juridique... 57 13. Techniques actuelles et évolutions possibles... 58 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire
1. Le gisement solaire, les données climatiques Un petite étoile dans l univers Diamètre : 1 400 000 km (environ 1 300 000 fois plus gros que la terre) Distance Terre-Soleil : 150 000 000 km (ou 8 minutes-lumière) Au centre : La Fusion Nucléaire 4 1 1 H ---> 4 2 He + 2e+ + 2 n e + 2,5.10 12 J/mole He Consommation : 576 millions de tonnes d'hydrogène à la seconde Le Soleil rayonne comme un corps noir à 5 800 K A l'extérieur de l'atmosphère terrestre, une surface de 1m² perpendiculaire au rayonnement reçoit 1 353 W. C'est la constante solaire Énergie reçue sur terre chaque année : 8 000 à 10 000 fois la consommation énergétique de l homme Espérance de vie : environ 5 milliards d années. Le soleil Le soleil est un énorme réacteur thermonucléaire, où l'hydrogène fusionne en hélium. L'énergie qu'il envoie dans toutes les directions est à la fois énorme (environ 10 000 fois les besoins terrestres), mais malheureusement assez diluée, puisque la puissance maximale reçue à l'extérieur de l'atmosphère sur une surface d'un mètre carré perpendiculaire à la direction du rayonnement est au maximum d'environ 1350 W (cette valeur est légèrement supérieure en hiver car la distance Terre- Soleil est minimale à ce moment-là) Pour récupérer une quantité d'énergie importante, il faut donc nécessairement augmenter la surface qui intercepte le flux solaire. Concentrer le rayonnement solaire n'augmente pas la puissance ou l'énergie récupérés, mais seulement le niveau de température pouvant être atteint. La déclinaison L'axe de rotation de la terre est incliné par rapport au plan de l'écliptique (plan dans lequel la terre se déplace autour du soleil) La déclinaison est un angle qui permet de prendre en compte cette situation pour calculer la trajectoire apparente du soleil dans le ciel. Elle varie entre 23 27 ' au solstice d'été à 23 27 ' au solstice d'hiver, de manière sinusoïdale. solstice d été 23 δ = 23 27 90 63 33 43 6 équinoxe d automne δ = 0 Déclinaison δ : angle entre direction terre-soleil et plan équatorial Le cycle des saisons équinoxe de printemps δ = 0 43 6 63 33 90 δ = 23 27 solstice d hiver Rotation de la Terre sur elle-même : Variation diurne Rotation de la Terre autour du soleil + axe incliné : Variation annuelle Le rayonnement solaire rayonnement extra-atmosphérique : 1 350 W/m² Limite atmosphère ~2500 km Réfléchi Diffus Surface terrestre Absorbé Le rayonnement solaire Direct maximum au sol : 1 000 W/m² Absorbé 0,01 ULTRA VIOLET VISIBLE 1 10 INFRA ROUGE proche moyen lointain 2,5 W/ m 2.m m Pertes par dispersion 2,0 Intensité à la limite de l'atmosphère 1,5 Absorption par H2O 1,0 Absorption par O3 0,5 spectre CO2 visible 0 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 longueur d'onde ( µm) Spectre solaire 100 ( mm ) L'énergie solaire qui arrive sur terre est disponible sous forme de rayonnement électromagnétique émis depuis le soleil. La puissance transmise par ce rayonnement varie avec la longueur d onde du rayonnement. La plus grosse quantité d énergie est apportée par les longueurs d onde visibles (lumière blanche qui est la superposition de toutes les couleurs). Certaines longueurs d onde sont absorbées partiellement ou totalement par les particules de l atmosphère (les molécules d ozone absorbent une partie des ultra violet). Il en résulte que la puissance disponible sur un mètre carré normal au rayonnement est de l'ordre de 1000 W par temps ensoleillé alors qu elle est de l ordre de 1350 W hors atmosphère. INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 3/58
Pour pouvoir dimensionner une installation solaire, il est nécessaire de connaître la quantité d énergie disponible. Pour cela on utilise les données fournies par la météo nationale. Ces données sont : - la fraction d insolation, égale au rapport de la durée réelle d ensoleillement sur la durée théorique du jour. Cette grandeur est disponible dans quasiment toutes les stations météo françaises en valeur mensuelle. Elle se mesure grâce à un héliographe. - l irradiation globale (kwh/m²/j) : correspondant à l énergie solaire globale reçue sur une surface horizontale. Elle se mesure avec un solarimètre ou pyranomètre. - l irradiation diffuse (kwh/m²/j) : correspond au rayonnement reçu de la voûte céleste, hormis le rayonnement direct. L irradiation globale verticale (kwh/m²/j) peut être utilisée pour le calcul des apports passifs sur des parois verticales. Appareils de mesure Les pyranomètres délivrent une tension directement proportionnelle à l'irradiation. Cette tension provient d'une thermopile dont la partie supérieure s'échauffe par exposition à l'irradiation solaire alors que la partie inférieure protégée de cette irradiation sert de référence. Ce sont des appareils coûteux : il y a donc peu de stations météorologiques qui en utilisent en France. Le pyranomètre à rayonnement diffus est identique au précédent, mais comporte une "bande d'ombre" qui évite la composante directe du rayonnement incident. Le pyrhéliomètre mesure la composante directe du rayonnement solaire. Il a besoin d'un "suiveur solaire" et d'un collimateur pour maintenir en permanence le disque solaire focalisé et masquer le reste de la voûte céleste. Le capteur est une pile thermoélectrique. Elle mesure le rayonnement solaire direct. Par contre, la durée d'ensoleillement est mesurée dans une centaine de stations météorologiques en France par des héliographes. Mais cette grandeur donne uniquement le nombre d'heures où la puissance du rayonnement solaire dépasse 120 W/m². Pour en déduire l'irradiation, il faut utiliser des corrélations. L'irradiation C'est l'intégrale de la puissance arrivant sur un plan caractérisé par son orientation et son inclinaison. La carte d'irradiation de la France donne la valeur moyenne annuelle de l'irradiation journalière sur un plan orienté au Sud et incliné d'un angle égal à la latitude du lieu. On retrouve une valeur INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 4/58
supérieure d'environ 70 % dans les zones les plus favorisées par rapport aux zones les moins favorisées. Repérage du soleil Pour repérer la position du soleil dans le ciel, on utilise deux angles : la hauteur h : angle entre la direction du soleil et sa projection sur le plan horizontal L'azimut a : angle entre cette projection et la direction du Sud : a est compté positivement vers l'ouest et négativement vers l'est A noël, il n y a du soleil que de midi (solaire) à 15h00, alors qu en juin, la montagne ne le cache pas de la journée. h a hauteur sud 60 50 40 30 20 10 Les masques 11h 10h Un clinomètre peut être construit avec un rapporteur et un fil à plomb. -90-60 - 0 30 60 +90 est 30 sud ouest lever et de coucher du soleil en fonction de la saison.. 12h 21 juin 21 mars - 21 septembre 21 décembre 16h 17h azimut Logiciel de tracé de masque : http://sourceforge.net/project/platformdownload.php?group_id=186836 h Ces montagnes qui nous font de l ombre... Lorsque l on veut utiliser l énergie solaire à un endroit, il faut non seulement connaître l ensoleillement du site, mais aussi déterminer quelle quantité d énergie vont amputer les obstacles entre le soleil et ce site. Il faut donc relever les masques à l endroit où l on désire implanter l installation solaire. Pour cela, il faut se munir d une boussole et d un clinomètre (ou clisimètre) et relever la hauteur angulaire et l azimut de tous les obstacles potentiels. Ces données, une fois reportées sur un graphe représentant la projection de la course fictive du soleil à l endroit du site, permettront de déterminer les heures de Variabilité de l'irradiation L'irradiance solaire est la puissance du rayonnement solaire par unité de surface. Elle s'exprime en W/m². L'irradiation solaire est l'énergie du rayonnement solaire sur un intervalle de temps déterminé. Elle s'exprime en J/m² et en kwh/m². Entre une journée sans nuages et une journée avec ciel couvert, la quantité d'énergie incidente sur un plan donné peut varier d'un facteur 4 à 5. Dans le deuxième cas, cette énergie arrive uniquement sous forme diffuse, et la puissance atteinte ne permet en général pas à un capteur thermique d'atteindre un INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 5/58
niveau de température suffisant pour délivrer une puissance utile. La puissance maximale atteinte en hiver est équivalente à celle qu'on peut obtenir en été. Dans l'exemple, présenté, un peu plus de 800 W/m² au midi solaire. Aux équinoxes, cette puissance est plus élevée sur un plan incliné d'un angle égal à la latitude du lieu, car l'angle d'incidence au midi solaire est nul et le rayonnement solaire arrive perpendiculairement sur le plan. Ce qui change entre l'été et l'hiver n'est donc pars la puissance maximale, mais la durée du jour. Calcul de l'irradiation sur un plan quelconque Données météo Fraction solaire σ Global horizontal G Inclinaison β Orientation γ Données géographiques Latitude Φ Global G horizontal extra-atmosphérique G ext Diffus horizontal D mois Déclinaison δ Global incliné = direct + diffus + réfléchi G(β,γ) = (G-D).R b + (1+cosβ).D + (1-cosβ).ρ.G 2 2 Calcul de l'irradiation hémisphérique L'irradiation incidente sur un plan incliné d'un angle β et orienté avec un azimut γ se compose de 3 parties : - le direct, calculé à partir du direct sur le plan horizontal à l'aide d'un facteur de transposition géométrique R b - le diffus, qui est la proportion de diffus total "vue" par le plan en fonction de son inclinaison - le réfléchi, qui est la proportion de global horizontal total "vue" par le plan en fonction de son inclinaison et du coefficient de réflexion du sol (albedo). Masque Données du projet Rb 2. Les différents types de capteurs solaires thermiques Il existe toute une gamme de capteurs solaires qui permettent de répondre aux différents besoins. Il faut choisir le type de capteurs qui correspond le mieux au niveau de température auquel on désire «travailler». Bien entendu, plus le niveau de température est élevé, plus les technologies mises en œuvre sont évoluées et plus les coûts de production sont élevés. On n utilisera pas un capteur sous vide, permettant d atteindre de très hautes températures pour réchauffer une piscine. Le capteur moquette Très bon rendement pour les températures proches de la température de l air Les capteurs sans vitrage Chauffage des piscines Moquette solaire pour le chauffage des piscines. Un capteur simple adapté au basses températures, résistant et peu onéreux. crédit photo : ASDER Séchage en grange La toiture de la grange peut constituer un excellent capteur pour réchauffer l air nécessaire au séchage du foin. INES EDUCATION Institut National de l Energie INES Institut National Solaire de l Energie Solaire 6/58 8
ambiant. Ne permet pas de produire d eau chaude sanitaire. Facilité de mise en œuvre, coût d environ 100 /m². Dimensionnement : entre 1/3 et 2/3 de la surface du bassin. Les capteurs sans vitrage (2) Il existe des capteurs non vitrés sélectifs utilisant un absorbeur métallique. Ces capteurs permettent d'atteindre des températures un peu plus élevées que les capteurs moquette, ou inversement de fonctionnement également en dehors de la période estivale. Chauffage des piscines Le capteur plan non vitré en acier à revêtement sélectif permet d avoir de très bonnes performances quand les besoins sont en phase avec la ressource. Ils sont peu sensibles à l angle d incidence du rayonnement. Préchauffage de l ECS Préchauffage de l ECS sur des grosses installations. crédit photo : ASDER En caisson ou à assembler in situ, les capteurs peuvent se mettre sur châssis ou s intégrer dans l architecture des bâtiments. crédit photo : Giordano Les capteurs sous vide Les capteurs plans Eau chaude solaire Le capteur plan vitré Systèmes combinés chauffage et eau chaude INES Institut National de l Energie Solaire Le capteur plan vitré est bien adapté aux besoins des habitations. Ses températures de fonctionnement correspondent aux températures de production de chauffage et d eau chaude sanitaire. INES Institut National de l Energie Solaire Energie Solaire SA Le capteur plan est le capteur le plus répandu et le mieux adapté aux besoins de chauffage et d eau chaude sanitaire dans les bâtiments. Les capteurs vitrés restent les plus performants bien que les non vitrés soient assez utilisés dans de nombreux pays européens (essentiellement pour du préchauffage d eau chaude sur des installations collectives). Ce type de capteur se présente sous forme de caissons de différentes dimensions ou sous forme d éléments séparés à intégrer directement dans l architecture des bâtiments. Les surfaces mises en œuvre vont de quelques mètres carrés pour les chauffe-eau solaires individuels à plusieurs centaines de mètres carrés pour les installations collectives. Les capteurs sous vide permettent Les capteurs à tubes sous vide d atteindre des hautes températures (150 C) avec des rendements corrects. Le vide créé à l intérieur des tubes permet de Capteurs sous vide Concentration (CPC) réduire de manière importante les déperditions lors de la montée en température. Cette technique a été développée il y a une trentaine d'années afin d'améliorer les performances d'un capteur plan. L'air à l'intérieur est évacué pour faire le vide et le tube est fermé hermétiquement. Le principe est simple, mais la fabrication est difficile à cause des liaisons verre/métal nécessaires. Ainsi ils sont utilisés pour la climatisation Montage 2 tubes Montage avec caloduc par absorption où des températures de INES Institut National de l Energie Solaire plus de 80 C sont nécessaires, ou pour la production d eau chaude haute température. Leur coût reste important. INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 7/58 10 Montage avec réflecteur 9 11
Leur utilisation pour le chauffage de l eau chaude sanitaire est tout à fait possible, cependant les performances d un chauffe-eau solaire équipé de capteurs sous vide ne sont pas tellement meilleures qu avec des capteurs plans vitrés, dans le cas où l on produit de l eau à 50 C. Le choix du capteur sous vide est donc intéressant pour des plages de températures où les capteurs plans vitrés ont des rendements qui chutent. Le coût de ces capteurs est souvent supérieur à 700 /m². Les capteurs sous vide à concentration combinent l effet de concentration des miroirs paraboliques (CPC = Concentrateur Parabolique Composite) avec des capteurs sous vide permettant d obtenir des hautes températures avec des surfaces de captage réduites. Le capteur plan vitré Le capteur plan vitré reste le capteur le plus répandu. Il se compose : - d un élément absorbeur, recouvert la plupart du temps d un revêtement sélectif, en contact avec des tubes métallique (souvent en cuivre) véhiculant le fluide caloporteur qui transporte l énergie jusqu à l extérieur du capteur - d un vitrage pour favoriser l effet de serre et réduire les pertes par convection. - -d un isolant afin de limiter les pertes vers l extérieur. Pour ce qui est de la structure, ces éléments peuvent être enfermés dans un caisson ou bien intégrés en toiture. Un Film réfléchissant Chaleur véhiculée par le fluide réchauffé Le capteur plan vitré INES Institut National de l Energie Solaire joint d étanchéité en matériau élastique a pour principale fonction de maintenir l'étanchéité du capteur en empêchant l'eau de pénétrer quand il pleut. Vitrage Caisson Comment ça marche? Absorbeur Isolant Rayonnement visible Rayonnement IR 16 Text Convection 15 % 8 % Principe de fonctionnement Eu = chaleur emportée par le fluide réchauffé 60 % Rayonnement réfléchi par le vitrage 1 % 5 % Pertes thermiques INES Institut National de l Energie Solaire 8 % 3 % E = irradiation solaire 100 % Tm Rayonnement absorbé Rayonnement visible Rayonnement IR 17 Une partie de l'irradiation solaire qui arrive sur le vitrage traverse celui-ci pour atteindre l absorbeur. Ce dernier s échauffe et transmet la chaleur au fluide caloporteur qui circule dans les tubes. Comme tout corps qui s échauffe, l absorbeur émet un rayonnement (en grande partie dans les infra-rouges) qui est d une part absorbé par le vitrage, d autre part réfléchi par le film placé sur l isolant. L isolant a pour fonction de limiter les déperditions thermiques avec l extérieur. En effet, le maximum d énergie doit être transmis au fluide, il faut donc limiter les pertes avec l environnement proche. INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 8/58
Des performances mesurées La puissance utile Eu que l on peut récupérer d un capteur solaire dépend de nombreux paramètres, à savoir des paramètres extérieurs : E : la puissance solaire incidente sur le plan du capteur (W/m²) Tm : la température moyenne du capteur (approximée à la moyenne entre les températures d entrée et de sortie de capteur) (en C). Text : la température extérieure (en C) et des paramètres définissant le capteur : β : le facteur optique du capteur, qui est le rapport entre l ensoleillement absorbé par l absorbeur et l ensoleillement τ α E = K m Cp η =. η = α τ K Bilan thermique d'un capteur. ( Tm Text) + m Cp ( Tsortie Tentrée) ( Tsortie Tentrée) τ α E K ( Tm Text) ( Tm Text) INES Institut National de l Energie Solaire incident sur le vitrage. Ce facteur optique est le produit du facteur de transmission du vitrage par le coefficient d'absorption de l'absorbeur. K : le coefficient de déperditions thermiques (W/ C) Courbe de rendement (norme NF P50-501) E E E =. E m Cp (Tsortie - Tentrée) K (Tm-Text) 22 Eu = β E - K ( Tm - Text ) η = Eu ( Tm - Text ) = β -K E E 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Rendement Tm : température moyenne du capteur Text : température extérieure E : Irradiation (W/m²) pertes optiques pertes thermiques transmission vitrage facteur optique β = τ. α absorption absorbeur pente = K : coefficient de pertes ( Tm - Text ) / E 0 0.05 0.1 0.15 0.2 L énergie utile est donc égale à la partie de l énergie incidente traversant le vitrage moins les déperditions thermiques (proportionnelles à l écart de température entre le capteur et l ambiance). INES Institut National de l Energie Solaire 23 Nouvelle norme européenne Cette nouvelle norme introduit un deuxième coefficient de pertes thermiques, afin de mieux prendre en compte les pertes non linéaires (rayonnement) : a 0 : le facteur optique du capteur, a 1 et a 2 : coefficients de déperditions thermiques (W/m².K et W/m².K²) INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 9/58
Quel capteur choisir? Les courbes de rendement des capteurs montrent que pour un ensoleillement constant, les performances des capteurs baissent lorsque l on demande au capteur de «travailler» à une température éloignée de la température extérieure. Ceci est dû tout simplement aux déperditions thermiques qui augmentent avec la température (de manière linéaire pour les phénomènes de convection et conduction et à la puissance 4 pour les pertes par rayonnement). Il faut donc, pour tirer meilleur parti des capteurs, utiliser une technologie qui correspond le mieux aux niveaux de températures auxquels on veut travailler. Un capteur sous vide aura un rendement 30% supérieur à un capteur plan vitré pour produire de l eau à 90 C. Par contre il sera moins performant qu un capteur moquette pour réchauffer l eau d une piscine de deux degrés par rapport à la température ambiante. 3. Les techniques solaires 3.1. Le chauffe-eau solaire individuel Les systèmes monobloc Les systèmes monobloc sont des ensembles capteur/ballon simples et complets qui fonctionnent de manière autonome. Leur branchement est extrêmement simple. L échauffement du fluide, lorsque l ensoleillement est suffisant entraîne la mise en mouvement de ce dernier (différence de masse volumique due à la variation de température). La chaleur est donc transférée jusqu au stock qui est située au dessus du capteur. Ces systèmes simples sont difficilement intégrables dans l architecture des bâtiments et souvent de dimensions modestes. La position du ballon ne permet pas d intégrer une source d énergie d appoint dans le système. Elle devra se trouver en aval. Chauffe eau solaire individuel (CESI) Eau froide Monobloc Fonctionnement en thermosiphon Eau réchauffée Systèmes simples, pas trop chers, aux performances correctes, mais difficilement intégrables de manière esthétique. En général, volumes des ballons peu importants (150l) et l énergie d appoint non intégrée au ballon du fait de sa position allongée. INES Institut National de l Energie Solaire Dans les climats froids, les canalisations aller et retour risquent de geler. Ce type de matériel est plutôt adapté aux pays tropicaux, où l énergie d appoint n est pas nécessaire. Dans ce cas, il n est pas nécessaire de disposer d un circuit primaire antigel. La position relative du soleil à ces latitudes permet de poser les capteurs relativement à plat sur des toitures en terrasse. 4 INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 10/58
Chauffe-eau à éléments séparés (convection naturelle ou thermosiphon) Lorsque la configuration le permet, c est à dire lorsque le ballon de stockage se situe à une altitude supérieure à celle des capteurs, le chauffe-eau à convection naturelle ou thermo-siphon peut être installé. Le principe de fonctionnement réside sur la différence de masse volumique générée par la montée en température dans le capteur, qui va mettre en mouvement le fluide caloporteur. Cette technique ne demande ni pièce mécanique (circulateur), ni régulation. Sa grande simplicité en fait donc un système fiable dans la durée, vu que le nombre de pièces est réduit. Son coût d investissement est moindre ainsi que son coût de fonctionnement, qui est nul. Le dimensionnement de ce type d installations doit être effectué de manières à réduire au maximum les pertes de charges dans le circuit. La mise en circulation du fluide s effectue en général pour des différences de températures (capteur/ballon) de l ordre de 15 C, ce qui fait que les performances de ces procédés sont relativement réduites en hiver (fortes déperditions, mauvais rendement). Le thermosiphon est en principe utilisé pour des installations de taille modeste (chauffe-eau solaire individuel de quelques m²). L énergie d appoint peut être intégrée dans le ballon solaire tout comme en aval de celui-ci. Ces systèmes possèdent une régulation qui enclenche le circulateur dès que l énergie solaire est disponible, ce qui permet des performances supérieures aux systèmes en thermosiphon. La taille de ces chauffe-eau solaires va de quelques mètres carrés pour les installations individuelles à plusieurs centaines de m² pour la production d eau chaude solaire collective. Hormis les capteurs (qui bénéficient des garanties constructeur), les organes du chauffe-eau solaire sont des pièces de plomberie et chauffage ordinaires, qui ne Chauffe-eau à éléments séparés Convection naturelle ou thermosiphon Implantation en toiture Des systèmes simples et assez performants. La contrainte principale étant de pouvoir mettre le ballon de stockage à une altitude supérieure aux capteurs. Les capteurs doivent être adaptés au fonctionnement en thermosiphon. Eau froide INES Institut National de l Energie Solaire Eau réchauffée Le chauffe-eau solaire à éléments séparés et convection forcée Le chauffe-eau solaire à éléments séparés et convection forcée est le plus courant des systèmes. Il présente l avantage de s adapter à la plupart des situations, aussi bien dans le neuf que dans l existant. Les capteurs peuvent s intégrer dans l architecture du bâtiment, le ballon peut se placer n importe où dans l habitation. INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 11/58 5
nécessitent ni plus ni moins de maintenance qu un système de production d eau chaude ordinaire. La plupart des fabricants proposent des kits chauffe-eau solaire individuels (CESI) comprenant les capteurs, le ballon de stockage, le module hydraulique et la régulation. Ces organes sont plus ou moins bien intégrés ensemble. Les composants du chauffe-eau solaire «classique» La plupart des composants (circulateurs, vannes, soupape de sécurité, purgeurs, vase d'expansion, sondes, ) sont analogues à ceux utilisés classiquement en génie climatique. Il faut par contre faire attention à sélectionner des composants qui peuvent résister aux hautes températures pouvant être atteinte, particulièrement en été, et adopter quelques particularités de montage. Les échangeurs de chaleur Echangeur à tube lisse Echangeur externe pour les plus grosses installations. Fonction : Il permet de transférer la chaleur du circuit solaire rempli d'antigel au circuit secondaire d'ecs. Exigences : Il sera de préférence en acier inoxydable ou en cuivre, pour le protéger le plus possible des problèmes de corrosion et d entartrage. Le fait qu il soit démontable permet un nettoyage ou un remplacement facile. Il aura une surface suffisante et une configuration permettant l'échange maximal de chaleur entre le fluide antigel et l'ecs. Choix : Echangeur à ailettes 3.2. L'eau chaude solaire collective Eau chaude solaire collective Le chauffe-eau solaire collectif fonctionne sur le même principe que le chauffe-eau solaire individuel. Seules les dimensions des éléments diffèrent ainsi que les schémas hydrauliques et les systèmes de régulations dans certains cas. Les installations solaires vont de 10 m² pour une maison et un gîte rural jusqu à plusieurs centaines de mètres carrés pour INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 12/58
des immeubles collectifs ou des hôpitaux. Dans ce dernier cas, les installations bénéficient d une garantie de résultats solaires (GRS). Ce schéma est le type de schéma le plus couramment rencontré pour les installations de production d eau chaude sanitaire collective. A noter : Echangeur à plaques extérieur Appoint séparé en série après le préchauffage solaire Dans le cas où il est indispensable de mettre des vannes d arrêt sur ce circuit primaire, il convient de doter les capteurs solaires d une soupape de sécurité (prévoir un réservoir pour les crachats normaux ou anormaux éventuels). INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 13/58
Si le volume de stockage ne peut pas être couvert par un seul ballon, il faut fractionner ce volume en plusieurs ballons qui seront montés en "série". Lors de la charge des ballons par la boucle solaire, l'eau sanitaire du bas du ballon le plus froid est envoyée à l'échangeur de chaleur, et le retour se fait à hauteur intermédiaire du ballon le plus chaud. Entre les ballons, la circulation se fait du ballon le plus chaud vers le ballon le plus froid. En cas de soutirage, l'eau froide pénètre en bas du ballon le plus froid, et l'eau soutirée l'est en haut du ballon le plus chaud. Entre les ballons, la circulation se fait du ballon le plus froid vers le ballon le plus chaud. Si les ballons solaires et l'appoint sont éloignés, il faut mettre en place un bouclage qui permet d'alimenter toujours l'appoint avec de l'eau préchauffée par le solaire, même après une longue période de non-soutirage. La production solaire s en trouve légèrement pénalisée, mais la consommation d énergie d appoint est moindre. Dans le cas d une production d eau chaude d appoint collective, il y a lieu de prévoir un dispositif de maintien en température de la distribution, pour empêcher le développement de légionnelles. Différentes solutions existent, la plus courante étant cependant le bouclage. INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 14/58
Dans le cas d une production d eau chaude d appoint individuel, il y a lieu de prévoir un bouclage sanitaire qui permettra d irriguer en permanence en eau préchauffée, les ballons d eau chaude individuel. Lorsque la production d appoint est individuelle, il y a lieu d être vigilant sur le type de système d appoint mis en œuvre. Pour les appoints à accumulation (ballons électriques ou chaudières murales avec ballon de stockage), il n y a pas de problème particulier. Par contre, lorsqu il s agit de production instantanée, il convient de vérifier que le générateur est thermostaté et accepte des températures «d eau froide» pouvant atteindre 50 ou 60 C. Stockage solaire centralisé, appoints individuels en général, appoint par cumulus électrique (plus rarement par chauffe-eau instantané à puissance variable) Production solaire collective : un bouclage sur la partie solaire peut être intéressant : même température d'entrée dans tous les appartements INES Institut National de l Energie Solaire 8 Stockages solaires individuels, appoints individuels en général, appoint par cumulus électrique (plus rarement par chauffe-eau instantané à puissance variable) R volume total volume appoint volume préchauffage Particularités : - la régulation différentielle fonctionne avec des sondes sur la sortie et le retour du capteur solaire - des vannes d'équilibrage doivent être placées sur chaque dérivation alimentant un appartement Production solaire individualisée = CESI individuels alimentés par une boucle primaire solaire commune INES Institut National de l Energie Solaire 9 Lorsqu un bouclage sanitaire est mis en place, le retour de ce dernier est Les schémas : bouclage sanitaire impérativement ramené au ballon d appoint et non au ballon solaire. Un retour sur le ballon solaire conduirait à un réchauffement 70 C 17 % 55 C 100 % de ce dernier par l appoint qui serait 83 % préjudiciable aux performances. 100 % Il est aussi possible de disposer une vanne 3 70 C M 52 C voies de zone sur le retour du bouclage qui irriguera ce dernier soit vers le ballon d appoint, soit vers le ballon solaire si ce dernier est suffisamment chaud. Cette solution, qui ajoute de la complexité et des risques de dysfonctionnements, ne se justifie qu'en cas de dimensionnement conduisant à Températures ( C) Débits (m3/h) INES EDUCATION Institut Le National bouclage de l Energie est ramené Solaire vers le ballon d'appoint 15/58 BP 258 73375 LE BOURGET DU LAC INES CEDEX Institut National de l Energie Solaire 10
des périodes de durée suffisamment longue où la température atteinte dans les ballons solaires dépasse la température de retour du bouclage. Pour les installations collectives dans lesquelles le stockage d'eau sanitaire à température non maîtrisée est interdit (établissement de santé), un ballon tampon rempli d'eau morte et un échangeur instantané supplémentaires sont, nécessaires. Dans ce premier schéma, l'eau chaude sanitaire est préchauffée à partir du tampon, à l'aide d'un échangeur instantané, nécessairement de puissance importante. Le débit de la pompe P3 est variable, en fonction du débit soutiré. Système avec ballon tampon (1) Préchauffage de l'ecs en instantané P3 + Protection anti-légionelles assurée + Intégration facile - Régulation délicate - Asservissement de la pompe P3 au soutirage - Échangeur grand et cher INES Institut National de l Energie Solaire 15 3.3. Le système solaire combiné Si on considère les besoins énergétiques du secteur bâtiment et tertiaire, on constate que la plus grande part est relative au chauffage. Ceci est encore plus vrai dans les climats continentaux ou nordiques. Pour ces derniers, l'irradiation totale annuelle n'est guère différente ce celle des climats continentaux. Par contre, le profil annuel de la ressource solaire est différent, avec moins de soleil en hiver est plus en été. Du fait du climat plus rigoureux, la saison de chauffage y est plus longue, et c'est pendant les misaisons que le chauffage solaire se révèle intéressant. Les contraintes du chauffage solaire Le soleil n est pas une source d énergie régulière, les capteurs ne produisent de la chaleur que lorsque l ensoleillement est suffisant. Les besoins de chauffage sont les plus importants en l absence de soleil. La nuit, les capteurs ne produisent rien, d où la nécessité d une inertie suffisante du bâtiment et d un stockage de l énergie. En hiver, il n y a pas assez de soleil pour couvrir tous les besoins de chauffage ; la solution du stockage intersaisonnier rencontre des barrières techniques et économiques difficilement surmontables ; une source d énergie d appoint s impose. Pendant la belle saison, la quantité d énergie solaire disponible est nettement INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 16/58
supérieure aux besoins, le système devra donc prendre en compte la production d eau chaude sanitaire afin de valoriser cette énergie gratuite. La problématique du chauffage solaire ne se résume donc pas à dimensionner une surface de capteurs solaires. C est un ensemble complexe qui doit s adapter au mieux aux caprices de la météo pour en tirer le meilleur parti, alliant fiabilité, reproductibilité, adaptabilité et réalisme économique. Les systèmes solaires combinés Le soleil n est pas une source d énergie régulière, les capteurs ne produisent de la chaleur que lorsque l ensoleillement est suffisant. Les besoins de chauffage sont les plus importants en l absence de soleil. La nuit, les capteurs ne produisent rien, d où la nécessité d une inertie suffisante du bâtiment et d un stockage de l énergie. En hiver, il n y a pas assez de soleil pour couvrir tous les besoins de chauffage ; la solution du stockage intersaisonnier rencontre des barrières techniques et économiques difficilement surmontables ; une source d énergie d appoint s impose. Pendant la belle saison, la quantité d énergie solaire disponible est nettement supérieure aux besoins, le système devra donc prendre en compte la production d eau chaude sanitaire afin de valoriser cette énergie gratuite. La problématique du chauffage solaire ne se résume donc pas à dimensionner une surface de capteurs solaires. C est un ensemble complexe qui doit s adapter au mieux aux caprices de la météo pour en tirer le meilleur parti, alliant fiabilité, reproductibilité, adaptabilité et réalisme économique. Lorsqu'on veut utiliser la chaleur du soleil pour fournir une partie du chauffage d'une maison, on utilise un système solaire combiné (SSC) : c'est une installation qui en général utilise deux sources d'énergie (dans de rares cas trois sources) pour fournir de la chaleur à deux usages, éventuellement trois si une piscine est raccordée sur l'installation. Contrairement aux CESI, les SSC présentent une grande variété de schémas hydrauliques. En effet, ils peuvent se différencier par le type de stockage et la stratification de ce dernier, la nature de l'émetteur de chaleur, le mode de raccordement de l'appoint, le mode de production d'eau chaude sanitaire. Les premiers systèmes de chauffage solaire apparus étaient conçus sur le principe de l hydro-accumulation. Le soleil n étant pas présent toute la journée ni toute l année, l idée de stocker cette énergie quand elle était disponible est apparue comme la plus simple pour contrer ce problème. Les volumes de stockage conseillés dans les années 80 pour ce genre de systèmes pouvait atteindre 3 à 4 m 3, de manière à avoir une autonomie de plusieurs jours. Les émetteurs utilisés étaient les radiateurs, fonctionnant à des températures de plus de 60 C. Le stock devait donc être au moins à cette température,... difficile à atteindre et ce qui suppose des surfaces de capteurs importantes (de lors de 40 m² pour une maison individuelle). Depuis, le niveau d'isolation des maisons à a progressé, permettant de réduire très nettement les besoins de chauffage, et de ce fait également les surfaces de capteurs et les volumes de stockage nécessaires. De plus, les planchers chauffants basse température sont de plus en plus utilisés, ce qui permet d'améliorer les performances des systèmes en permettant au capteur solaire de fonctionner avec un meilleur rendement. INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 17/58
Créé dans les années 80 par l école supérieure d ingénieurs de Marseille (ESIM), le concept du PSD apporte une nouvelle façon d aborder le chauffage solaire. Partant du principe qu une source d énergie d appoint est nécessaire, l idée consiste à utiliser l énergie solaire quand elle est là, et avec le meilleur rendement possible, plutôt que d essayer de la stocker à tout prix. Le fluide circule donc directement des capteurs dans le plancher chauffant sans échangeur. Pas de stock hydraulique, mais une dalle en béton relativement épaisse, qui assure les rôles de stockage, diffusion et déphasage de la chaleur. La suppression des intermédiaires entre les capteurs et le plancher chauffant basse température permet à ceux-ci de «travailler» à un niveau de température plus faible et donc de gagner en rendement. Les capteurs peuvent fournir de l énergie pour le chauffage même par une froide journée d hiver. L épaisseur de dalle conseillée en 1980-85 était d une trentaine de centimètres afin d avoir suffisamment d inertie pour éviter les surchauffes. Depuis, et pour les mêmes raisons d'amélioration de l'isolation des maisons, les épaisseurs des dalles ont été réduites pour arriver à un optimum de 12 à 15 cm. Les différences entre les deux technologies (2) PSD Hydro Accum Avantages - Encombrement réduit - Capacité de stockage élevée - Performances élevées - Régulation assez simple - Facile à comprendre - La plupart des fabricants Inconvénients - Régulation sophistiquée - Complexe dans la compréhension - Un seul fabricant - Pertes de stockage - Encombrement en chaufferie - Médiocres performances pour certains systèmes INES Institut National de l Energie Solaire 18 Des différences de conception CESI avec capteur surdimensionné pour assistance au chauffage 15 % en chauffage et 50% en ECS Système de chauffage solaire à part entière 35 % en chauffage et 60% en ECS Pour 150 m² habitable Hollande : 5 à 7 m² de capteur Allemagne : 8 à 12 m² de capteur Autriche : 12 à 25 m² de capteur France : 8 à 20 m² de capteur INES Institut National de l Energie Solaire INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 18/58 19
3.4. Les piscines solaires L'utilisation de l'énergie solaire pour le chauffage de l'eau des bassins, notamment dans les piscines découvertes, est particulièrement adaptée puisque la demande est en phase avec la ressource solaire. La réalisation de telles installations est particulièrement simple sur le plan technique : - pour une utilisation uniquement estivale, les capteurs non vitrés sont particulièrement adaptés, compte tenu de leur très bon rendement à basse température et de leur prix réduit - le raccordement de tels capteurs peut se faire directement par dérivation d'une partie du débit traité après la filtration, sans interposition d'un échangeur. Par contre, deux obstacles limitent la diffusion pour les piscines publiques : - le calcul de telles installations est assez délicat, notamment au niveau de l'estimation des besoins qui peuvent varier beaucoup en fonction de conditions climatiques locales souvent mal connues (en particulier le vent) - malgré des coûts d'investissement bas, la rentabilité est pénalisée par les tarifs très bas de l'électricité en heures creuses et en été. En effet, pour des usages collectifs, les tarifs Vert ou Jaune permettent d'acheter des kwh à très bas prix, et la prime d'abonnement bénéficie également de coefficients d'abattement en période estivale et nocturne. Piscine de Montmélian Cette piscine est justement un exemple où des capteurs vitrés ont été utilisés et non des capteurs simplifiés : l'installation solaire assure trois fonctions : - chauffage des bassins en été - préchauffage d'eau chaude sanitaire - chauffage de locaux (salles de réunion) en hiver. Ces trois usages complémentaires et répartis sur toute l'année imposent donc le choix de capteurs ayant un rendement non nul en hiver. INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 19/58
3.5. Les installations collectives combinées On ne trouve que quelques dizaines d'installations de ce type en France pour différentes raisons : - plus grande complexité que les installations solaires de production d'eau chaude sanitaire - cette cible n'est pas prise en compte dans le plan Soleil. L'absence de subventions nationales, même si quelques régions aident au cas par cas, rend la rentabilité des projets aléatoires, d'autant plus qu'en collectif, les prix des énergies substituées sont généralement plus bas qu'en individuel. - la cible principale est dans le secteur tertiaire : hôtels, gîtes, établissements de santé,, avec pour les premiers la question de la continuité de parallèle - la consigne de température intérieure est plus élevée en mode solaire qu'en mode appoint, de manière à favoriser le stockage d'énergie gratuite dans la dalle Ici, l'appoint est apporté par une sousstation alimentée par une chaudière existante dans la Mairie contigüe. l'exploitation en cas de changement de gérant ou de propriétaire. Maison de Retraite pour Personnes Agées Dépendantes Les trois installations présentées ci-après ont été réalisées dans le cadre d'un projet européen qui a permis de financer plusieurs installations de Planchers Solaires Directs dans des bâtiments collectifs Les trois schémas présentent des variantes, mais on y retrouve les principes de base suivants : - la régulation donne priorité au circuit demandeur ayant la température la plus basse - deux vannes modulantes en série sur le circuit chauffage, couplées à une régulation permettant un fonctionnement en série ou en Centre Léo Lagrange Particularités - L'installation est située en montagne, donc avec un air extérieur qui peut être très froid en hiver. Un restaurant INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 20/58
ayant un taux de ventilation important est équipé d'une centrale de traitement d'air qui préchauffe cet air froid grâce à une batterie à ailettes alimentée par le circuit solaire. Ainsi, le capteur peut fonctionner à des niveaux de température très bas, donc avec un bon rendement. - Deux champs de capteurs solaires sont placés sur des toitures orientées différemment (Sud-est et Sud-ouest). Le circuit primaire est donc double, avec pour chacun une régulation différentielle spécifique, permettant un fonctionnement indépendant. - Grâce à un jeu de vannes, une pompe primaire supplémentaire peur secourir l'une ou l'autre des pompes primaires principales en cas de défaillance Crèche La Poterie Particularités : - Dans une crèche, les besoins d'été sont inexistants. Une utilisation complémentaire a donc été recherchée : 40 logements situés à proximité utilisent l'énergie solaire disponible pour le préchauffage de l'eau chaude sanitaire - L'appoint est apporté par un échangeur sur chauffage urbain - Distribution d'eau chaude assez complexe, avec deux réseaux bouclés différents. Les installations présentées ont été instrumentées. Les résultats présentés montrent une très bonne productivité pour la première : les consommations d'eau chaude sont nettement inférieures aux prévisions, mais ceci n'est pas pénalisant car le chauffage est utilisé toute l'année (1300 m d'altitude, températures de confort élevées) Pour la deuxième, la productivité est correcte, bien que pénalisée par un choix de régulation qui donne priorité à la satisfaction des besoins de la crèche, alors qu'une régulation donnant priorité au circuit le plus froid (ECS logement) aurait vraisemblablement conduit à de meilleures performances. Stockage saisonnier Solarthermie 2000, Allemagne : des pilotes grandeur réelle! Réservoir d'eau : Rottweil Hamburg-Bramfeld Friedrichshafen-Wiggenhausen Hannover-Kronsberg Diffusifs : sondes enterrées : Neckarsulm-Amorbach Eau / gravier : Solaris-Chemnitz Steinfurt-Borghorst Aquifère : Rostock-Brinkmanshöhe Berlin-Reichstag La première installation a un rendement global annuel (= énergie solaire utile pour le chauffage et l'eau chaude, divisée par l'énergie incidente sur les capteurs) de près de 40 %, alors que celui de la deuxième est un peu moins bon, pour les raisons expliquées ci-dessus. Autres systèmes de chauffage collectifs Dans certains pays germaniques ou scandinaves, on trouve des installations de démonstration de grande taille, comportant des stockages enterrés de plusieurs milliers de m3 et des champs de capteurs de Objectif: Coût du kwh réduit d un facteur 2 par rapport aux petits systèmes : 15 à 20 c /kwh? INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 21/58 Bâtiment INES Institut Lynx National de 50 l Energie avenue Solaire Lac Léman - Parc Technologique 15 de Savoie Technolac
plusieurs centaines à plusieurs milliers de m². 4 techniques principales de stockage sont explorées, dont certains ne sont pas isolés (diffusifs enterrés, aquifère), l'idée étant que plus la taille du stockage est grande, plus le ratio surface déperditive/volume diminue. Pour de très grands volume, le rendement de stockage (énergie extraite/énergie injectée) reste intéressant compte tenu du coût spécifique faible lié à l'économie sur l'isolation. Ces systèmes sont dignes d'intérêt, notamment là où existent des systèmes de chauffage collectif (chauffage urbain, réseau regroupant plusieurs bâtiments) Par rapport à une installation individuelle visant au stockage intersaisonnier, ces systèmes collectifs présentent l'intérêt de ne pas poser de problèmes de surchauffe. Réservoir d'eau : Rottweil Hamburg-Bramfeld Friedrichshafen-Wiggenhausen Hannover-Kronsberg Stockage saisonnier Solarthermie 2000, Allemagne : des pilotes grandeur réelle! Eau / gravier : Solaris-Chemnitz Steinfurt-Borghorst Diffusifs : sondes enterrées : Neckarsulm-Amorbach Aquifère : Rostock-Brinkmanshöhe Berlin-Reichstag Objectif: Coût du kwh réduit d un facteur 2 par rapport aux petits systèmes : 15 à 20 c /kwh? INES Institut National de l Energie Solaire 16 Diminuer le coût du kwh solaire Habitat groupé et stockage : des quartiers solaires Utilisation 124 maisons en bande HAMBOURG Surface chauffée (m²) 14 800 Surface de capteurs (m²) 3 000 Type de stockage Eau chaude Volume de stockage (m³) 4 500 Besoin de chaleur total (MWh/an) 1 610 Chaleur solaire fournie (MWh/an) 789 Taux de couverture solaire (%) 49 Coût de l'installation solaire (M ) 2,2 Coût de la chaleur solaire ( /kwh) (avec études, hors subventions et TVA) 0,257 INES Institut National de l Energie Solaire 17 NECKARSULM Diminuer le coût du kwh solaire environ 200 Utilisation logements, école magasin Surface chauffée (m²) 20 000 Surface de capteurs (m²) 5 007 Type de stockage Diffusif Volume de stockage (m³) 63 360 Besoin de chaleur total (MWh/an) 1 810 Chaleur solaire fournie (MWh/an) 832 Taux de couverture solaire (%) 39 Coût de l'installation solaire (M ) 1,5 Coût de la chaleur solaire ( /kwh) (avec études, hors subventions et TVA) 0,172 INES EDUCATION Institut National de l Energie INES Institut National Solaire de l Energie Solaire 22/58 18
3.6. Le froid solaire Deux familles de systèmes sont possibles : - alimentation d'un groupe à compression classique par des panneaux photovoltaïques. Cette technique n'est pas envisageable actuellement essentiellement pour des questions de coût des panneaux. Mais dans quelques décennies, lorsque le prix de ces derniers aura suffisamment diminué, et que des groupes frigorifiques utilisant des fluides frigorigènes sans impacts sur l'effet de serre ou la couche d'ozone, il faudra se reposer la question. - production de chaleur par des capteurs solaires thermiques (plans ou tubes sous vide) pour faire fonctionner une machine frigorifique tritherme (les capteurs étant la source chaude, le milieu à rafraîchir ou climatiser la source froide et l'air ambiant la source à niveau de température intermédiaire. Les systèmes les plus répandus de rafraîchissement utilisant le solaire thermique pour produire du froid, sont présentés dans le tableau. Ils peuvent être classés en deux grandes familles : - Les systèmes fermés : un groupe de production de froid à sorption (absorption et adsorption) produit de l eau glacée, utilisable aussi bien dans une centrale de traitement d air (refroidissement, déshumidification), que dans un réseau d eau glacée alimentant des installations décentralisées (ventilo-convecteurs par exemple). Les groupes de froid existants sur le marché et adaptés au solaire sont les machines à absorption (les plus répandues) et les machines à adsorption (quelques centaines de machines dans le monde, mais présentant un fort intérêt pour le rafraîchissement solaire). - Les systèmes ouverts : où l air est directement traité (refroidissement, déshumidification) en fonction des conditions de confort souhaitées. Le «réfrigérant» est toujours de l eau, puisqu il est en contact direct avec l air à refroidir. Les systèmes les plus répandus utilisent une roue à dessiccation rotative. Climatisation solaire : les procédés Ce graphique regroupe les composants des différents procédés (tous n'étant pas présents simultanément bien entendu) dans leur environnement complet. A noter : - la tour de refroidissement pour l'évacuation de la chaleur à température intermédiaire pour les procédés fermés - le capteur solaire thermique avec un réservoir de stockage tampon. En effet, autant la climatisation solaire est une utilisation optimale de l'énergie solaire sur une base de temps annuelle, contrairement au chauffage solaire, puisque les besoins sont en phase avec la ressource INES EDUCATION Institut National de l Energie Solaire 23/58