Rapport chiffré sur le fonctionnement et le rendement d un chauffe-eau solaire Introduction Afin de pallier le problème de réchauffement climatique, la Région Wallonne encourage les particuliers à installer chez eux des systèmes de production d énergie renouvelable, dite propre. Cependant, ces systèmes, sont-ils réellement efficaces? À titre d exemple, ce document présente une analyse d un système de production d eau chaude sanitaire dont les composants sont les suivants : - Capteurs solaires thermiques tubes sous vide, appelés caloduc ou heat pipes, de la marque Thermomax Surface totale : 3 m 2 Orientation : Sud Inclinaison : 65 par rapport à l horizontale Date de mise en service : juillet 2001 - Boiler Ikarus Capacité : 300 l 2 échangeurs : 1 solaire et 1 pour l appoint chaudière + possibilité de placer une résistance électrique. Diamètre extérieur (isolant inclus): 68cm Hauteur extérieure (isolant inclus): 1,75m - Appoint électrique : résistance fixe 4kW placée à mi-hauteur du ballon. - Module de régulation Thermomax SMT 400 Il s agit d un système se trouvant chez un passeur-témoin. Sa maison compte deux occupants. Elle a été construite en 1980 et son niveau d isolation est K45. L étude suivante se base sur des données mensuelles recueillies entre janvier 2005 et mai 2008.
I-Description de l installation Schéma 1 : Installation solaire classique a-l installation classique Le fluide caloporteur, composé de 30% de polypropylène glycol, est mis en circulation grâce à un circulateur C lorsque la régulation R en émet la demande. Ce fluide se réchauffe dans le capteur solaire grâce au soleil et va dans le boiler d eau chaude sanitaire. Une fois dans le boiler, il descend dans un serpentin S 1 et y échange une partie de sa chaleur à l eau du boiler qui se réchauffe alors. L eau sanitaire, une fois chauffée, monte naturellement, par convection, en haut du boiler. Ce processus continue jusqu'à l arrêt du système (température maximum du boiler atteinte). L eau sanitaire part en haut du boiler vers les points de puisage. Si la température n est pas assez élevée (T 3 ), un système d appoint apporte la chaleur manquante à l eau chaude. Le système d appoint est généralement alimenté par une chaudière. Le serpentin S 2 dans lequel circule l eau morte de la chaudière est toujours placé en haut du boiler. En effet, il ne faut pas avec l appoint fossile chauffer l ensemble du boiler mais laisser la possibilité à l énergie solaire de chauffer l espace sous le serpentin S 2.
b-l installation du témoin Son installation est un peu différente du schéma de base. A la place du serpentin S 2 supérieur alimenté par la chaudière, celui-ci a été reconnecté au circuit solaire par une vanne trois voies. La régulation R décide donc selon des paramètres fixes (voir d), d envoyer le fluide caloporteur en haut ou en bas du boiler. Une résistance électrique est aussi placée à mi hauteur du ballon pour faire l appoint. Le circulateur C est à vitesse constante et le débit est de 4 L/min. Schéma 2 : Installation solaire du témoin
Schéma 3 : Installation complète avec les compteurs c-la régulation solaire différentielle classique Elle permet de gérer la mise en marche ainsi que l arrêt du système. Plusieurs sondes de températures sont placées à des endroits stratégiques du système solaire : T 1 relève la température du fluide caloporteur dans les capteurs, T 2 à la sortie du serpentin solaire S 1. Selon la différence de température T (delta T) = T 1 -T 2 le système se met en marche ou s arrête. Il s arrête également quand la température maximum T3 du boiler est atteinte, généralement de 90 à 95 C. d-la régulation du témoin Elle possède : - une régulation solaire différentielle: si T > 7 C, le système démarre, si T < 3 ºC, ou si T 3 est de 95 C, le système s arrête. - un compteur d énergie : il relève les kwh solaires apportés par l installation durant son fonctionnement. Le compteur utilise la formule Q= m.c. T. Q représente l énergie fournie pour faire passer une certaine masse m d un liquide d une température initiale à une température finale, d où la présence du T; c est la capacité thermique de ce liquide.
- une gestion de l appoint : de 4h00 à 6h50 du matin, la sonde T 3 placée en haut du ballon doit être au minimum à 40 C sinon l appoint, ici la résistance électrique, se met en route pour l amener à température. - une régulation possible sur plusieurs ballons : le témoin pourrait rajouter d autres ballons mais ici cette régulation gère l utilisation de l électrovanne ce qui permet une stratification à la charge. L énergie est apportée directement où demandée selon les températures du ballon en haut ou en bas. Si la température en haut du ballon (T 3 ) est inférieure à 44 C, le fluide caloporteur utilise le serpentin supérieur S 2 par la voie A de l électrovanne sinon il emprunte le serpentin inferieur S 1 par la voie B. Au total, l installation possède 2 inputs : input solaire et input de la résistance électrique (note input elec sur les tableaux) ; et 1 output : la salle de bain car l output cuisine du boiler n est plus utilisé depuis 2005. II-Consommations d eau Les consommations d eau sont étudiées plus en détails pour la période allant de juin 2002 à mars 2004. Sachant que les systèmes solaires thermiques apportent le plus d énergie l été, dû à l ensoleillement prolongé, il est intéressant de voir les consommations d eau du témoin afin de pouvoir juger du dimensionnement de l installation. L été va du 20-21 juin au 22-23 septembre, l hiver du 21-22 décembre au 20-21 mars. N ayant que des relevés mensuels, nous considérerons que l été va du mois de juin à septembre et l hiver de décembre à mars. Tableau 1 : Comparaison des consommations été vs hiver. Date input eau froide output salle de bain output cuisine été 2002 (m 3 /mois) 1.67 0.60 1.08 été 2003 (m 3 /mois) 2.15 0.83 1.25 moyenne d'été (m 3 /mois) 1.91 0.71 1.17 hiver 2002 (m 3 /mois) 2.19 0.99 1.25 hiver 2003 (m 3 /mois) 2.15 1.03 1.21 moyenne hiver (m 3 /mois) 2.17 1.01 1.23 Nous remarquons qu en moyenne les deux habitants consomment à peine plus d eau l hiver que l été. Grosso modo, la consommation reste la même dépendamment de la saison été ou hiver.
Tableau 2 : Consommations annuelles du témoin Consommation input eau froide output salle de bain output cuisine 2002 (m 3 ) 22.31 8.53 13.98 2003 (m 3 ) 24.88 10.33 15.22 2004 (m 3 ) 24.28 11.35 13.90 moyenne (m 3 ) 23.82 10.07 14.37 journalier (m 3 ) 0.07 0.03 0.04 journalier (L) 65.44 27.67 39.47 Nous remarquons aussi que les deux habitants sont de petits consommateurs d eau. 65 L sont utilisés par jour pour deux personnes alors qu un seul consommateur moyen utilise en moyenne 50 L/jour et par personne! Nous tenons à souligner que l installation du chauffe-eau solaire ne chauffe que l eau sanitaire pour la salle de bain et non la cuisine. Cette installation ne se charge donc que de chauffer en moyenne 28 L/jour chez le témoin. L eau chaude sanitaire pour la cuisine est fournie par l installation de 24 m 2 de capteurs plans qui servent essentiellement au chauffage de la maison. III-Fraction ou couverture solaire Il est important de définir la couverture solaire car aucune définition officielle n est établie. Ainsi, on pourra trouver d autres définitions et formules selon les sources employées. Dans cette étude, la fraction solaire ou couverture solaire est définie comme la part apportée par le soleil dans l ensemble de l énergie nécessaire pour fournir l eau chaude sanitaire à la famille. Elle s exprime en pourcentage des besoins annuels et s exprime énergie solaire sortie capteurs comme suit :. énergie solaire sortie capteurs + énergie appoint Dans la définition de la fraction solaire, le terme énergie solaire sortie capteurs correspond à l énergie obtenue à la sortie des capteurs. Nous analyserons plus loin le rendement global de cette installation en tenant compte de l énergie solaire reçue sur les capteurs annuellement. Comme cette étude se base sur une relativement longue période, afin de soulager les calculs et les tableaux, le calcul d une année type, basée sur les années 2005 à 2008 a été créée. On obtient une moyenne de kwh solaire apportés ainsi qu électriques et les kwh utilisés.
Histogramme 1: Répartition mensuel des inputs de kwh solaires et électriques 1 200.00 180.00 160.00 140.00 120.00 kwh 100.00 kwh électriques kwh solaires 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 Janvier Fevrier Mars Avril Mai Juin Juillet Aout Septembre Octobre Novembre Decembre Grace à ces valeurs, nous pouvons calculer la couverture solaire (voir formule plus haut) : 1 Vu l apport solaire exceptionnel du mois d avril 2007, on constate que la moyenne des 4 années en est positivement affectée.
Histogramme 2: Couverture solaire moyenne de 2005 à 2008 Couverture solaire 100.00% 90.00% 80.00% 70.00% 60.00% 50.00% 40.00% 30.00% 20.00% 10.00% 0.00% Janvier Fevrier Mars Avril Mai Juin Juillet Aout Septembre Octobre Novembre Decembre La couverture solaire moyenne annuelle est de 88%. Nous remarquons que pendant les mois de mai jusque septembre, la couverture solaire est toujours de 100%. Les besoins énergétiques pour la salle de bain du témoin sont donc entièrement couverts par l énergie solaire durant ces mois. Cette notion de couverture totale les mois d été est particulièrement importante quand l appoint se fait avec une chaudière fossile à forte inertie thermique. Si une chaudière classique doit être relancée uniquement pour un léger complément sanitaire, son rendement est catastrophique. Sa consommation énergétique augmente aussi fortement ce qui est à éviter. Comme nous le verrons ci-après, tout le surplus d énergie solaire est perdu.
Graphique 1: Variations mensuelles des kwh solaires et des besoins énergétiques 250.00 200.00 150.00 kwh kwh puisee total kwh solaire 100.00 50.00 0.00 Janvier Fevrier Mars Avril Mai Juin Juillet Aout Septembre Octobre Novembre Decembre Les besoins en énergie semblent assez constants tout au long de l année car la consommation en eau chaude sanitaire pour la salle de bain varie peu selon la saison. Les kwh solaires eux sont beaucoup plus important d avril à octobre créant une courbe en forme de cloche. Sur cette moyenne, tous les besoins d eau chaude sanitaire sont couverts par le solaire, même plus que demandés. Malheureusement, une installation de production d eau chaude sanitaire qu elle soit solaire ou fossile, est composée d éléments qui participent tous à dissiper inutilement une partie de l énergie fabriquée. Donc même si, sur le graphique, nous voyons que tous ces besoins pourraient être comblés par le solaire, ce n est pas le cas dû aux pertes de l installation et le recours à l appoint certains mois est nécessaire. Ces pertes sont étroitement liées au rendement (voir IV).
Graphique X : Différences d apports solaires selon l inclinaison des capteurs Nous observons que les capteurs placés à 65 d inclinaison chez le témoin favorisent les apports l hiver et les limitent en été, ce qui explique la forme des apports solaires (voir graphique 1). IV-Rendement et pertes de l installation On ne récolte jamais en énergie nette utilisable l ensemble de l énergie produite par une machine. Une partie de l énergie de l installation est perdue, essentiellement par le stockage. L installation étant définie comme étant tous les éléments du schéma 3, les pertes s effectuent : - lors de la transformation de la lumière en chaleur par les tubes sous vides - les tuyaux menant jusqu au boiler - dans le boiler - dans les tuyaux menant jusqu au point de puisage Cette énergie perdue affecte le rendement global de l installation.
Schéma 4 : Différentes énergies et pertes de l installation outputs Le rendement est défini comme étant : et s exprime en pourcentage. Ici, l input inputs du départ est l apport solaire, c est-à-dire la quantité d énergie apportée par le soleil sur le terrain du témoin. Nous avons relevés les données mensuelles pour Uccle 2 et multipliées par la surface réelle utile. Les valeurs du rayonnement solaire sont toujours données pour une surface horizontale. Les capteurs étant inclinés, on applique souvent un facteur de correction. Dans ce cas, le témoin a, en bas de ses tubes sous vides, une surface carrelée blanche réfléchissante ce qui augmente le rendement de ses capteurs (voir tableau 4). Le facteur de correction n a donc pas été appliqué. L output est l énergie tirée au point de puisage. Rappelons qu il y a 2 inputs et 1 output. 2 Données trouvées à l adresse: http://www.apere.org/manager/docnum/doc/doc322_0821-soleil.pdf
Tableau 3: Mesures des inputs, de l output et du rendement et des pertes de l installation globale kwh solaire sur 3m 2 à 65 INPUT OUTPUT kwh Elect kwh TOTAL Energie puisée salle de bain kwh Rendement de l'installation Pertes de l'installation Date Janvier 60.51 34.00 94.51 33.56 35.51% 64.49% Fevrier 116.61 20.75 137.36 31.59 23.00% 77.00% Mars 211.95 12.00 223.95 35.12 15.68% 84.32% Avril 317.79 2.90 320.69 46.81 14.60% 85.40% Mai 433.53 0.10 433.63 35.36 8.15% 91.85% Juin 448.02 0.00 448.02 25.16 5.62% 94.38% Juillet 424.41 0.00 424.41 31.27 7.37% 92.63% Aout 373.62 0.00 373.62 27.22 7.29% 92.71% Septembre 272.91 0.00 272.91 26.17 9.59% 90.41% Octobre 166.83 1.40 168.23 31.78 18.89% 81.11% Novembre 75.84 21.93 97.77 30.92 31.62% 68.38% Decembre 47.91 37.33 85.24 37.40 43.88% 56.12% Au total: 2949.93 130.42 3080.35 392.38 12.74% 87.26% On remarque que le rendement global de l installation solaire tourne autour de 13% pour une couverture solaire de 88%. Cela est nettement plus faible que les chiffres de 30-40% annoncés habituellement pour un chauffe-eau solaire. L explication est simple. Si l on augmente fortement la couverture solaire annuelle, on augmente également les jours où les apports solaires sont supérieurs à la capacité d absorption du boiler. L installation solaire se met donc à l arrêt parce qu elle ne peut plus fournir d énergie utile. Pour avoir une grande couverture solaire, cela nécessite plus de surface donc chaque m 2 de surface travaillera moins, notamment en été. Nous remarquons que lorsque la couverture solaire est la plus élevée (en été), les pertes sont les plus élevées et le rendement global le plus bas. Cette chute de rendement l été est aussi dû à la chute de rendement des capteurs lorsqu ils travaillent à de hautes températures par rapport à la température ambiante.
tableau histogramme du rendement en fonction des mois Figure X : Rapport entre la couverture solaire et le rendement global d une installation Le témoin a donc une bonne couverture solaire mais, proportionnellement, un mauvais rendement global de son installation. Tableau 4 : Calcul du rendement mensuel et annuel des tubes sous vides kwh solaire sur 3m 2 à 65 kwh Solaire Rendement des tubes sous vides Date Janvier 60.51 59.70 98.66% Fevrier 116.61 84.00 72.03% Mars 211.95 130.25 61.45% Avril 317.79 195.88 61.64% Mai 433.53 158.00 36.44% Juin 448.02 129.33 28.87% Juillet 424.41 172.50 40.64% Aout 373.62 141.43 37.85% Septembre 272.91 171.67 62.90% Octobre 166.83 161.00 96.51% Novembre 75.84 51.03 67.29% Decembre 47.91 46.50 97.06% Au total: 2949.93 1501.29 50.89% On constate que les tubes sous vides ont un meilleur rendement les mois d hiver que les mois d été. Le rendement annuel de 50 % reste très bon notamment grâce à la surface réfléchissante.
Conclusion Le témoin acquiert une bonne indépendance énergétique grâce à une couverture solaire particulièrement élevée de 88%. Cependant cela fait chuter le rendement de son installation à 13%. En effet, durant les mois d été, trop d énergie solaire est produite par rapport à l énergie consommée. Toute l énergie non utilisée est perdue ce qui entraine d importantes pertes du système. A l avenir, il est fort probable que des couvertures solaires aussi élevées que celle étudiée deviennent de plus en plus fréquentes car rentables par rapport au prix de l énergie fossile, même malgré les importantes pertes d un tel système. Il est aussi important de rappeler que pour limiter ces pertes, il faut des tuyaux de petits diamètres et de petites longueurs donc un boiler proche des points de puisage. Il serait aussi intéressant de considérer la consommation des appareils de mesures, régulation et circulateur solaire dite consommation des auxiliaires que nous avons pour le moment omis dans notre analyse. Ces appareils consomment eux-aussi de l énergie ce qui fait chuter le rendement global de l installation. En moyenne, ils consomment 3.9 kwh/mois soit plus ou moins 50 kwh/an. En prenant en compte ces consommations dans le calcul du rendement, celui-ci passe de 12.74% à 12.56% soit toujours environ 13 %. Cette consommation n affecte donc pas très sérieusement le rendement global. Il faut aussi prendre en compte les erreurs et imprécisions des données. Cette erreur est en moyenne de 5% (voir annexe). Avec les prix de l énergie fossile augmentant de plus en plus rapidement ainsi que l observation flagrante du réchauffement de la planète, des alternatives respectueuses de l environnement sont donc à considérer fortement. De plus, les primes et bénéfices fiscaux mis en place par les gouvernements aident le citoyen dans ce genre d initiative. Rappelons tout de même qu avant de poser de telles installations, il faut commencer par réduire sa consommation énergétique par une bonne isolation globale de l habitation et un comportement économe en énergie. Annexe : Imprécision et erreur de mesures Toute cette étude se base sur les données recueillies par le témoin. Certaines données ont du être extrapoler pour pouvoir analyser concrètement l ensemble de la période. Ainsi, pour le mois de janvier 2005, l énergie puisée à la salle de bain manquait. L étalonnage des appareils de mesures est aussi un élément important dans le pourcentage d erreur. Ici cela concerne les sondes de température, le débitmètre gravimétrique et les compteurs volumétriques. Pour le compteur d eau, nous avons donc une différence entre la valeur lue par le témoin et la somme des volumes d eau puisés, soit pour les consommations d eau: output salle de bain + output cuisine input
Pour l année 2002, cette erreur est de 3.36%, 2003 de 7.30% et 2004 de 4.19% soit une moyenne de 4.95%. Finalement, l arrondi des chiffres eux-mêmes, crée des erreurs. Pour ce même exemple, si le tableau est fait annuellement au lieu de mensuellement, nous arrivons à une moyenne de 2.55% au lieu de 4.95%. Tableau 5 : Calcul du pourcentage d erreur sur les consommations annuelles du témoin Consommation (m 3 ) input output s de bain output cuisine Total des outputs Pourcentage d erreur 2002 22.305 8.534 13.978 22.512 0.93% 2003 24.875 10.332 15.216 25.548 2.71% 2004 24.284 11.354 13.903 25.257 4.01% Etant donné l emplacement des compteurs (voir schéma 3), il faut rajouter d autres pertes que l on ne prend pas en compte, ici entre le compteur de l output et l output salle de bain. Ce tuyau étant de courte longueur, l énergie perdue est moins importante. Il serait plus significatif de parler de pertes des capteurs et du boiler et de ses environs (au lieu de pertes de l installation), ses environs étant définis comme allant jusqu au compteur énergie output.