Solaire Thermique

L’avantage du solaire c’est que la ressource est immense. La puissance émise par le soleil c’est 63 500 kW/m2, ça équivaut à une soixantaine de megaW par m2. Sur cette puissance il arrive 1370 W/m2 dans l’atmosphère. Un partie du rayonnement va être réfléchi, une autre absorbé et diffusé dans l’atmosphère. A la surface de la terre il nous reste 1000 W/m2.

Bien sur ces valeurs vont varier en fonction de la période de l’année, de la météo,…

Donc si on place un capteur sur une toiture, selon la saison l’angle que le soleil va faire avec le capteur va varier. En hiver le soleil est très bas et bien plus haut en été.

Qu’est-ce qu’on peut récupérer sur base des moyennes en Belgique (mesuré par l’IRM).

L’energie solaire en kWh. L’énergie c’est la puissance multipliée par le temps.

Le bilan solaire global moyen annuel est une donnée très importante. Il est l’image de ce qui tombe du ciel en terme d’énergie sur un sol donné durant une année. Pour la Belgique, nous pouvons arrondir cette donnée à : 1000 kWh par m2 et par an (ça équivaut donc à 100L de Mazout par m2 par an).

Chez nous c’est majoritairement du rayonnement diffus, donc les processus qui fonctionnent en rayonnement direct (par exemple four solaire) ce n’est pas efficace chez nous.

Pour l’eau chaude sanitaire par exemple, un capteur soleil peut subvenir à 100% des besoins de mai à septembre. En janvier seul 1/3 des besoins peuvent être couvert par le solaire thermique, il faut donc un système d’appoint.

Pourquoi ne pas mettre plus de panneaux alors pour couvrir ses besoins ? Car au plus on met des panneaux, au plus le rendement diminue car comme une partie des besoins est déjà couverte avec quelques panneaux, l’investissement que l’on devra fournir pour couvrir plus ne va pas permettre d’augmenter de manière significative le gain. On va en résumé ajouter des panneaux qui ne serviront pas à grand chose mais qui couteront.

La puissance thermique

La puissance thermique en Watts c’est le débit de liquide en litre divisé par les heure multiplié par l’augmentation de la température atteinte et un coefficient C.

P = qm . c . ΔT

  • Si on exprime le débit qm en m3/h, le résultat sera donnée en kilowatts.

Le coefficient c est un coefficient qui est nécessaire pour convertir l’ancienne unité des calories en Watts. Il est de 1.16 pour l’eau pure. Pour un mélange à base d’antigel, qui a une chaleur massique, ou plus simplement, une capacité calorifique plus faible que l’eau, le coefficient c est de 1,06 à 1,08 suivant la proportion d’antigel dans l’eau.

Exercice 16.

Par exemple : un chauffe-eau mural au gaz de 20 kW qui reçoit une eau de ville à 10°C et qui la porte à 50°C (deltaT,ΔT de 50° – 10° =40°) aura un débit de :

20 = qm . 1,16 .40

qm = 0,43 m3/h

Donc en litre par minute : 7,16 litre d’eau chaude par minute. Donc si le chauffe eau chauffe en instantané on est limité par débit à 7,16L d’eau chaude par minute, donc si quelqu’un prend une douche, quelqu’un d’autre prend de l’eau au robinet ça va être vite limite.

L’énergie thermique

La formule de l’énergie thermique est :

Q = m . c . ΔT

  • m étant la masse d’eau

Si la masse d’eau m est exprimée en m3 le résultat sera en kWh. (1 m3 = 1 kilo litres)

Exercice 17.

Par exemple : votre famille consomme 100 litre d’eau chaude par jour à 50°C. L’énergie nécessaire pour produire votre eau chaude quotidienne Q est de

Q = 100 . 1,16 . 40

Q = 4640 w

Comment ça fonctionne ?

Un chauffe-eau solaire fonctionne grâce à des capteurs solaires thermiques installés sur le toit. À l’intérieur de ces capteurs circule un mélange d’eau et de glycol (appelé eau glycolée, qui sert d’antigel).

1. Chauffage du fluide
Le soleil chauffe les capteurs, ce qui réchauffe l’eau glycolée. Le glycol est ajouté pour éviter le gel en hiver et protéger le circuit.

2. Circulation
Une pompe envoie cette eau glycolée chaude vers un ballon de stockage situé dans la maison.

3. Échange de chaleur
Dans le ballon, l’eau glycolée passe dans un serpentin (échangeur thermique). Elle transmet sa chaleur à l’eau sanitaire contenue dans le ballon, sans jamais se mélanger avec elle.

4. Retour aux capteurs
Une fois refroidie, l’eau glycolée retourne vers les capteurs pour être à nouveau chauffée.

En cas de manque de soleil, un système d’appoint (résistance électrique ou chaudière) complète le chauffage.

En résumé : le soleil chauffe l’eau glycolée, qui transmet sa chaleur à l’eau sanitaire via un échangeur, puis le cycle recommence.

Composants de l’installation solaire thermique

Les capteurs, il y a 3 grandes familles de capteurs solaires thermiques :

  • les capteurs plans vitrés (90% du marché européen)
    • plans simples
    • plans à double vitrage
    • plans avec gaz rare
  • les capteurs tubulaires sous vide (10% du marché européen)
    • les CPC (bouteille thermo)
    • les sous vides à circulation directe
    • les caloducs ou heat pipe
    • hybrides CPC avec caoutchouc
  • les capteurs plan non vitrés (marché de niche)
    • en acier inoxydable
    • à base de polymères

Les Capteurs plans vitrés

Les capteurs solaires plans vitrés sont composés de :

  • absorbeur opaque qui s’échauffe suite au captage du rayonnement solaire. Il doit avoir une emissivité réduite. Dans les panneaux haut de gamme on met du TINOX qui absorbe 95% de ce qu’il reçoit.
  • réseau de tubes soudés à l’absorbeur permettant au guilde caloporteur de circuler
  • isolant thermique résistant aux heures températures sur les faces arrière et latérales du caisson. Il faut un isolant résistant au soleil et haute température donc pas du PU par exemple. On met souvent de la laine minérale.
  • couverture transparente en verre armé. Le verre doit être anti-reflet pour éviter qu’il y ai trop de réflexion.

Les pertes occasionnées par les constituants du capteur :

  • E0 (rayonnement solaire à la surface du vitrage) = 100
  • Q3 (chaleur utile fournie par le fluide caloporteur = 60)
  • Rendement moyen annuel de production du capteur = 60%

Au niveau hydraulique c’est un réseau de tubes en cuivres soudés aux ailettes absorbantes. Il en existe également différents types, des systèmes droits, des systèmes en serpentins,… Pour la contenance en liquide on a environ 1L par mètre carré.

Attention quand on parle de surface de capteurs il faut distinguer la surface brute (surface du panneaux), la surface optique (surface vitrée) et surface d’absorption (surface d’absorption du capteur). Dans le cadre des primes c’est la surface optique qui doit être encodée.

Le coefficient de déperdition (U) du capteur est d’environ 3,5W/m2K. Cela veut dire que le capteur va perdre 3,5W chaque fois qu”il y a un degré de différence entre l’absorbeur et la t° extérieure. Le delta de température (ΔT) est donc un paramètre important.

Capteurs tubulaires sous vide

Pour résoudre le problème de mauvaise isolation (U de 3,5) des panneaux plan on a développé des panneaux tubulaires sous vide.

Avantages :

  • rendement 30% supérieurs aux capteurs plan (donc même production pour 30% de surface de moins)
  • si la toiture n’est pas tout a fait plein sud, l’absorbeur peut être orienté vers le sud

Inconvénients :

  • plus cher
  • fragile. Il ne fonctionne que sous vide, si la paroi est cassée il ne sert plus à rien. Les problèmes de fragilités viennent surtout des choc thermique (grosse variation de température suite au passage de nuage pendant une canicule par exemple)

On en voit pas souvent car certes les capteurs plan sont plus cher mais les tubes sous vide sont beaucoup plus fragile donc c’est mieux de juste mettre un ou deux panneaux plans.

Réservoir de stockage

Le réservoir se doit d’être très bien isolé pour garder le plus possible la chaleur.

Il y a 2 types de réservoirs de stockage d’énergie solaire couramment utilisés :

  • réservoirs d’eau sanitaire (souvent 300L pour avoir une certaine réserve pour une famille)
    • mono-énergie
    • bi-énergie (2 types de systèmes pour chauffer l’eau : solaire et appoints)
    • multi-énergie
  • réservoirs d’eau morte ou réservoirs tampons
    • c’est un grand volume d’eau morte en circuit fermé, servant uniquement à emmagasiner l’énergie calorifique
    • capacité généralement supérieure à 500l
    • souvent utilisé dans le systèmes solaires combinés.

Pour les performances des réservoirs de stockage on parle de V40.

Le V40 (ou Volume à 40 °C) est un indicateur utilisé pour comparer les performances des boilers (chauffe-eau). Le V40 correspond au volume total d’eau à 40 °C que le boiler peut fournir en une seule fois.

Pourquoi 40 °C ?
Parce que c’est une température d’usage typique pour une douche ou un bain.

Dans un boiter :

  • L’eau est généralement stockée à 60–65 °C.
  • Quand on ouvre le robinet, cette eau chaude se mélange avec de l’eau froide.
  • Ce mélange permet d’obtenir plus de volume utilisable.

Donc un boiler de 200 L chauffé à 60 °C peut fournir plus de 200 L d’eau à 40 °C.
C’est ce volume “utile” qu’on appelle le V40.

A la longue les résistances électriques s’entartrent. Pour éviter de devoir changer la résistance on met une résistance stéatite elle est protégée et donc pas en contact directement avec l’eau.

Il y a aussi les problèmes de corrosions du à la composition de l’eau. On protège les cuves avec une couche d’émaille qui permet de protéger la cuve en acier. Mais la protection en émaille n’est pas suffisante, on place une annote en magnésium dans la cuve. Cela va produire un courant électrique qui va dissoudre le magnésium qui ira sur la cuve pour la protéger. C’est ce qu’on appelle une anode sacrificielle. On peut aussi mettre une anode en titane inusable qui va précipiter le calcium et le magnésium sur les parois de la cuve. Le mieux reste une anode hybride, une anode en titane recouverte de magnésium.

Donc les réservoirs d’eau sanitaire peuvent être en :

  • acier inoxydable
    • résistant à la corrosion
    • anode de protection pas nécessaire
  • acier émaillé
    • sensible à la corrosion
    • anode de protection pour freiner la corrosion des parois

Pour les réservoirs tampon (eau morte) ils sont en acier ou résine synthétique.

Un autre problème des réservoirs d’eau est la légionellose qui est une bactérie qui se trouve à l’état naturel dans l’eau. Ces bactéries se développent très bien à partir de 30°C. Pour les tuer il faut que l’eau dépasse 60°C, c’est pour cela que dans les réservoirs d’une grande capacité il y a une montée en température toutes les semaines.

Aujourd’hui on a aussi les chauffe eau thermodynamiques. Un chauffe-eau thermodynamique est un ballon d’eau chaude équipé d’une pompe à chaleur intégrée qui récupère les calories présentes dans l’air (ambiant, extérieur ou extrait par la ventilation) pour chauffer l’eau sanitaire. La pompe à chaleur utilise un fluide frigorigène qui capte la chaleur de l’air, est comprimé pour élever sa température, puis transmet cette chaleur à l’eau du ballon via un échangeur. Ce système consomme principalement de l’électricité pour faire fonctionner le compresseur, mais il restitue généralement deux à trois fois plus d’énergie sous forme de chaleur qu’il n’en consomme, ce qui le rend beaucoup plus efficace qu’un chauffe-eau électrique classique. Un appoint électrique peut prendre le relais si nécessaire.

Conduite du circuit primaire

On a besoin de conduite isolée avec un matériaux :

  • compatibles avec le guilde caloporteur (glycolé contenant des additifs inhibiteurs de corrosion)
  • compatibles entre eux pour éviter la corrosion électrochimique (par exemple le cuivre n’est pas compatible avec l’acier galvanise)
  • imperméables et étanches à l’air
  • résistant aux extrêmes de températures (-25°C à 150°C pour certains éléments)
  • résistant à la pression maximale dans le systèmes en cas de dilatation thermique importante ou de vaporisation du fluide à haute température
  • l’utilisation de raccords souples synthétiques est déconseillé

Courbe de rendements

Les courbes de rendements sont en fonction des delta de températures.

Le rendement annuel d’un capteur plan est de 50 à 60% et délivre donc entre 500 et 600 kWh par m2 et par an. Si on déduit encore les pertes liées aux stockage dans le boiter et au transport de l’eau chaude on estime le rendement global annuel d’un CES entre 30 et 40% soit 300 à 400 kWh par m2 par an. Soit un gain théorique de 30 à 40 litres de mazout ou m3 de gaz par m2 de capteurs placés. Mais le vrai gain d’énergie fossile est à multiplier par le rendement de la chaudière que l’on remplace. La véritable économie peut donc aller jusqu’à 80 litres de mazout épargné par m2 de capteurs placé.

Système d’appoint

Il faut apporter un appoint de chauffe. Il est indispensable pour garantir la disponibilité quotidienne d’ECS à la température de confort. Toujours dimensionné afin de :

  • couvrir 100% des besoins en ECS en toute circonstance
  • garantir le confort d’utilisation
  • minimiser la consommation d’énergie

Il y a différents systèmes d’appoints :

  • ballon bi-énergie – résistance électrique
  • ballon bi-énergie – chaudière
  • ballon solaire – chauffe eau instantané

Exemple de calcul

Exemple : le calcul de la consommation annuelle d’énergie pour produire son eau chaude.

Une famille consomme 100 litres d’eau chaude par jour à 50°C.

L’énergie nécessaire pour produire l’eau chaude quotidienne Q est de :

Q = 100 l x 1,16 x 40 =46,4 kWh

La consommation d’énergie annuelle est de 100L/jours x 365 = 36 500 litres.

Si nous convertissons les litres en m3 le résultat sera donné en m3 soit 36,5 m3.

Q annuel = 36,5×1,16×40=1 693,6 kWh d’énergie. Ce qui correspond à 170 litres de mazout ou m3 de gaz, si on élude à ce stade la question du rendement de la chaudière. On peut très bien consommer le double des 170 litres de mazout si une chaudière à un rendement de 50%.

Exemple de dimensionnement :

A – une famille consomme 230 litres d’eau chaude à 50°C mesurée par un compteur d’eau. L’énergie nécessaire à ce jour pour produire cette énergie avec une chaudière au mazout est de Q = m x c c deltaT = 0,230 m3 x 365 jours x 1,16 x 40°C =4000 kWh.

Suite 400 litres de mazout ou 800 litres si on prend un rendement annuel de l’installation du chauffage classique de 50%.

B – On choisit, par exemple, la FS minimale imposée par la RW depuis 2011, soit 60%.

C – Il faut donc offrir avec le CESI 60% des 4000 kWh demandés, soit 2400 kWh.

D – En fonction de la courbe on prend 35% de rendement du CESI

E – Un m2 de capteur bien orienté et incliné reçoit en Belgique =- 1000 kWh d’énergie par an. Avec un rendement global de 35%, chaque m2 de capteur produit 350 kWh d’eau chaude. On demande 2400 kWh au CESI, il faut donc 2400 : 350 = 6,8m2 de capteurs. Comme les capteurs sont plein sud il n’y aura pas de facteur de correction à appliquer. Comme les capteurs de notre fabricant font 2,5 m2 de surface optique, on va donc placer 3 capteurs donc 7,5 m2.

Orientation et inclinaison

Orientation :

  • optimal : plein sud
  • en pratique : entre l’est et l’ouest

L’inclinaison favorise les apports :

  • en été si l’inclinaison de 30°
  • en hiver si inclinaison de 60°C
  • en moyenne 45°
  • en pratique : la pente de la toiture inclinée

Compensation : on augmente la surface en conséquence.

Dimensionnement

Principaux facteurs influençant le dimensionnement :

  • l’intensité du rayonnement solaire incident sur le plan des capteurs
  • les besoins en ECS de l’utilisateur
  • le profil de consommation et de puisage de l’eau chaude par l’utilisateur
  • le taux de couverture solaire des besoins en ECS souhaite par l’utilisateur
  • l’orientation et l’inclinaison du champ de capteurs
  • l’ombrage sur le plan des capteurs
  • le rendement optique du capteur

Comment calculer le dimensionnement ?

La méthode par abaque comprend 5 étapes pour déterminer la surface optique (2 à 10m2) de capteurs plans vitrés:

  1. Point d’entrée : nombre d’utilisateurs du CES
  2. Consommation moyenne journalière d’ECS à 60°C par personne (30 à 50 l)
  3. Economie de combustible d’appoint souhaitée par l’utilisateur (30 à 50%)
  4. Orientation du champ de capteurs (Est à Ouest en passant par le Sud)
  5. Inclinaison des capteurs (0 à 90°)

Et deux étapes pour déterminer le volume de stockage solaire (100 à 600l) correspondant :

6. Point d’entrée : surface de capteurs solaires

7. Economie de combustible d’appoint souhaitée par l’utilisateur (idem étape 3)

Calcul du dimensionnement : exercice 18.

Exemple : le ménage compte 5 personnes et la consommation globale de la famille est de 214 litres d’eau chaude par jour à 45°C.

Le versant de la toiture non ombrage est orientée plein Est et incliné à 35°C.

Les utilisateurs souhaitent économiser au moins 50% de combustible par an.

Selon la règle du mélange : 214x(45-10)=? x (60-10)

? = 214×35/50 =150l/j à 60°C

Les occupants du ménage consomment en moyenne 30l d’ECS à 60°C chacun :

–> droite 30l/j à 60°C

Ils souhaitent économiser au moins 50% de combustible par an :

–> droite 50%

Le versant de toiture non ombragé est orienté plein Est :

–> droite E/O

Les capteurs seront inclinés entre 20° et 60° :

–> droite 20° à 60°

Ce qui se traduit par environ 7 m2 de capteurs plans vitrés.

Pour une économie de combustible de 50%

–> droite 50%

Il faut prévoir environ 450 litres de stockage solaires.

Exercice 19.