Le dimensionnement d'un chauffe-eau solaire

Le dimensionnement d'un chauffe-eau solaire

Un dimensionnement précis des performances peut être effectué en utilisant un logiciel de calcul. A partir de données d'entrée : consommation quotidienne, surface, orientation et inclinaison des capteurs, emplacement géographique, masques éventuels,…, ces logiciels calculent la part des besoins couverts par le solaire, et la productivité de l'installation. Certains programmes utilisent des modèles mathématiques avec un pas de temps horaires et donnent donc des résultats plus précis. Cependant, ce genre d'outil, s'il est très utile pour la recherche et le développement, est un peu lourd à manier pour le dimensionnement d'un simple CESI. En France, la méthode la plus répandue pour le calcul des installations d'eau chaude sanitaire est la méthode SOLO, développée par le CSTB, et qui permet de réaliser des calculs rapides à partir de données mensuelles. Ce programme suffit amplement pour les calculs de CESI. Données pour le calcul Le volume de stockage considéré est le volume " solaire " et non pas le volume total du ballon dans le cas d'un ballon bi-energie. Le dimensionnement préconisé pour les capteurs permet de tirer le meilleur parti du capteur dans le cas d'une orientation optimale. Cette surface de capteurs peut être augmentée si l'on désire avoir un taux de couverture des besoins plus important, au détriment de la productivité. Une surface plus grande peut aussi être envisageable pour palier une mauvaise orientation ou un masque important. D'une manière générale, les kits proposés par les fabricants sont correctement dimensionnés, en ce qui concerne le rapport entre volume de stockage et surface de capteurs solaires. La difficulté principale pour arriver à un bon dimensionnement réside dans l'estimation correcte des consommations d'eau chaude. Le ratio habituellement pris en compte est de 50 l/j.pers à 50 °C, mais des variations dans un rapport 1 à 4 sont fréquemment observées dans la pratique. Les campagnes de mesure réalisées récemment ont montré que les propriétaires de CESI avaient plutôt un comportement économe, puisque le chiffre moyen observé est voisin de 35 l/j.pers Le volume de stockage devra être suffisamment important pour couvrir la consommation quotidienne. Cependant si ce volume est trop important, les capteurs auront du mal à le monter en température. En première estimation, on prendra un volume de 40 à 60 l/pers . La surface de capteurs dépend bien évidemment de nombreux paramètres, notamment l'orientation des capteurs et les masques éventuels qui font de l'ombre. On pourra partir sur une base de 1 m² pour 40 à 50 l de stockage. Influence des paramètres sur les performances d'une installation Les graphiques présentés par la suite permettent de voir l'influence de la variation de différents paramètres par rapport à un cas type : - Climat de Strasbourg, Ambérieu et Nice - 4 m² de capteurs solaires orientés plein Sud, inclinés à 45 ° - Volume de stockage : 250 l - Consommation d'eau : 200 l/j à 50 °C Le nombre d'heures d'ensoleillement est mesuré dans une grande partie des stations météo françaises. Il fait apparaître une variation de 1500 à 3000 h entre les stations les plus ensoleillées et les moins bien pourvues. Ces données sont présentes dans plus de 130 stations réparties sur tout le territoire. Elles permettent d'effectuer des simulations pour n'importe quel projet. L'irradiation incidente sur les capteurs varie dans de moindre proportion, car elle prend en compte le rayonnement diffus. La température d'eau froide n'est pas la même selon la période de l'année et l'emplacement du site. Elle peut varier de plus de 10°C au cours de l'année sur un même site, et jusqu'à 7°C entre les moyennes annuelles entre deux sites. Les besoins journaliers d'une installation se calculent en fonction des quantités d'eau chaude utilisée chaque jour et la température d'eau froide. C'est l'énergie qu'il faut pour chauffer l'eau soutirée de la température d'eau froide à la température de consigne. Si l'on considère les consommations stables tout au long de l'année, les besoins vont être maximaux quand la température d'eau froide sera minimale, ils ne sont donc pas constants toute l'année. La production solaire varie sans grande surprise au cours de l'année avec un maximum de production en été et un minimum en hiver. La production est intimement liée à l'ensoleillement mais aussi aux besoins, c'est-à-dire à l'utilisation de la ressource solaire. En effet, si les besoins sont trop faibles, l'énergie solaire sera peu utilisée et la production des capteurs s'en ressentira. C'est pourquoi l'écart entre les productions des capteurs entre le nord et le sud est plus faible que l'écart d'ensoleillement. La quantité d'énergie économisée est légèrement inférieure à Strasbourg qu'à Nice, pour un nombre d'heures d'ensoleillement nettement inférieur. La fraction solaire représente la part des besoins d'eau chaude sanitaire couverts par l'énergie solaire. C'est un paramètre qui varie de 40 à 80% suivant les besoins et l'ensoleillement du site. D'une manière générale le taux de couverture est plus élevé dans les régions du sud de la France, ce qui ne veut pas dire que les installations fonctionnent mieux. Les productions solaires y sont à peine plus élevées, car les besoins y sont moindres. Variations géographiques des performances d'une installation Les départements sont ombrés en fonction de la consommation d'énergie nécessaire pour la production d'eau chaude sanitaire. Les histogrammes représentent l'économie apportée par l'installation solaire, ainsi que la consommation d'appoint. Ils montrent que l'économie solaire varie très peu d'un département à l'autre (les barres rouges ont à peu près partout la même taille), alors que la consommation d'appoint (barres vertes) varie beaucoup du sud au nord de la France (d'un facteur 1 à 4 pour le chauffage solaire et d'un facteur 1 à 2 pour le chauffe-eau solaire). Ainsi, l'économie varie de moins de 12 % par rapport à la moyenne. La productivité en énergie économisée varie ainsi de 480 à 550 kWh/an.m². Par contre, le taux de couverture varie grosso modo entre 50 et 70 %. Bien évidemment, en montagne où le climat est plus rude, mais plus ensoleillé, l'économie peut être jusqu'à 30 % plus importante. Pourquoi si peu d'écart sur les économies ? Parce que si le Nord de la France est moins ensoleillé, les besoins d'énergie y sont aussi bien plus importants (température d'eau froide plus basse !). La "rentabilité" d'une opération est fonction de la quantité d'énergie économisée et non pas du taux de couverture. Et donc, toutes choses égales par ailleurs, il est aussi "rentable" de faire du solaire au Nord qu'au Sud.