Introduction:
Le chauffe-eau solaire (CES) n'est apparu en Suisse
que vers 1980 alors qu'il équipe depuis 40 ans la plupart des villes
australiennes et israéliennes. La facilité d'accès
aux réseaux d'énergies non-renouvelables et le faible coût
de ces dernières n'ont pas encouragé les Helvètes
à s'équiper. Seule une motivation écologique et un
vision à long terme ont permis une lente introduction de ces systèmes
sur le marché dans notre pays. Les programmes d'encouragement et
d'information fédéraux et cantonaux y contribuent.
Il est délicat d'avancer un temps moyen d'amortissement
pour ces installations car les paramètres techniques sont propres
à chaque installation; néanmoins, on peut affirmer que l'investissement
est largement amorti sur la durée de vie de l'installation. Les
performances les plus intéressantes sont atteintes avec des installations
qui récupèrent le maximum d'énergie solaire en fonctionnant
à des températures proches des températures d'utilisation,
entre 30 et 50ºC. Le résultats ainsi obtenus couvrent entre
40 et 64% des besoins en énergie pour la production d'eau chaude
et un stockage important (env. 60 à 80 litres par m²) assurent
la quasi-totalité des besoins en été et un préchauffage
efficace le reste de l'année. L'orientation
et l'inclinaison des capteurs jouent également un rôle important
dans le résultat. Une fourchette de 45º de part et d'autre
du sud et une inclinaison de 25 à 50º est utilisable.
L'adaptation aux supports existants, toitures, talus... est également
plus importante que la course aux kWh; le facteurs esthétique étant
enfin souvent un obstacle à la décision.
Les deux systèmes:
Le système thermosiphon:
L'accumulateur
solaire est placé plus haut que les capteurs (par ex. horizontalement
sous la charpente) et le circuit primaire circule par gravité sans
regulation ni circulateur; et le système à circulation
forcée: L'accumulateur solaire est placé dans la chaufferie,
une régulation avec thermostat différentiel commande le démarrage
et l'arrêt d'un circulateur en fonction des températures des
capteurs et de l'accumulateur solaire. Dans les deux cas, le circuit primaire
est rempli de liquide antigel. Le système thermosiphon est plus
simple, silencieux et insensible aux risques de coupure de courant (et
de panne de pompe...), il est aussi bien sûr plus économique
MAIS n'est pas adaptable dans tous les cas (principalement lors d'une
installation sur maison existante).
Le système à circulation
forcée permet l'utilisation à distance des capteurs solaires
et de tous les modèles de capteurs; en outre la consommation électrique
du circulateur est à prendre en considération dans le bilan
de l'installation.
Dans les deux cas, 2 raccordements au circuite sanitaire
de la maison sont possibles:
- Le raccordement "parallèle": la production d'eau chaude solaire
sont intégrés dans le même accumulateur. L'appoint
peut être électrique ou sur le circuit de chauffage
- Le raccordement "série": L'accumulateur solaire founit une
eau préchauffée au boiler électrique ou au ballon
raccordé à la chaudière.
La solution "parallèle" est moins onéreuse
par son accumulateur unique mais également moins performante en
période de préchauffage. Un raccordement mixte peut être
envisagé avec une vanne by-pass: en été, un appoint
électrique couvre les manques solaires. En hiver, le circuit passe
en série sur le ballon de la chaudière.
Chaque cas mérite d'être attentivement
étudié et un schéma précis permet de simplifier
l'exécution. Tout fournisseur ou installateur compétent doit
pouvoir, en outre des garanties légales, présenter à
l'utilisateur une étude des résultats attendus. Le pris\x
de ces installations, fourniture et main-d'oeuvre, varie entre 8'000 et
14'000 francs pour une maison familiale. A noter que certains cantons subventionnent
de telles installations, dont la demande peut être faite par l'installateur
auprès le l'Office cantonal de l'énergie).
1/ Critères techniques
1-1 Le volume du ballon est à considérer en fonction:
- de la consommation moyenne journalière (env. 70l/pers)
- de l'accumulation potentielle qui permet de conserver l'énergie
au delà de la période d'ensoleillement. Un rapport de 2 fois
la consommation journalière permet d'obtenir un rendement intéressant.
Après 24h, les déperditions diminuent sensiblement le gain
solaire. Le volume d'un ballon d'appoint raccordé en série
n'est pas à prendre en considération dans le dimensionnement
d'un système de préchauffage solaire mais en augmente les
performances et ne contrarie pas l'autorégulation obtenue grâce
à la stratification (niveaux de température croissants sur
la hauteur du ballon). Néanmoins pour des raisons économiques
ou de place disponnible, un seul ballon équipé de 2 échangeurs
reste intéressant
1-2 La surface des capteurs est définie en fonction:
1-2-1 des besoins en énergie qui dépendent
de la quantité d'eau chaude sanitaire consommée quotidiennement,
de la température de l'eau du réseau et des déperditions
du système. Une moyenne de 70l / personne et par jour est admise
pour la population genevoise. La température du réseau à
Genève se situe entre 6 et 12ºC selon la situation géographique
(ville ou campagne) et bien sûr la saison. Une moyenne de 10ºC
peut être prise pour le dimensionnement.
L'énergie nécessaire pour élever
l'eau froide jusqu'à 60ºC, température de stockage maximum,
sera donc de 60-10ºC x 1.16 x 0.07m³ = 4.06 kWh. Afin d'éviter
une surchauffe en été on dimensionnera les capteurs de telle
manière à ne pas dépasser les 100% de couverture solaire
les mois les plus ensoleillés.
1-2-2 des performances de capteurs et de leurs caractéristiques
qui diffèrent passablement en fonction des performance de l'absorbeur,
de leur isolation et de leur température de stagnation (température
à laquelle les déperditions sont égales à l'absorption).
absorbeurs:
Ils sont généralement construits en métal, inox,
acier, aluminium, selon des procédés de tubes sous une plaque
ou de 2 plaques emboutées et soudées. Leur revêtement
absorbant est déterminant pour obtenir un bon coefficient et pour
conserver ses performances dans le temps. Un revêtement sélectif
(qui absorbe plus qu'il n'émet dans les gammes d'ondes utiles: infrarouge)
comme l'oxyde de chrome déposé par galvanoplastie remplit
ces conditions.
vitrage:
Il crée un effet de serre dans l'espace entre lui et l'absorbeur
(seulement une partie de l'énergie remise par l'absorbeur peut ressortir
du capteur). Certains vitrages sont traités antireflet afin de diminuer
la réflexion.
Isolation:
Elle est obtenue sur l'arrière par des isolants courants (laine
minérale ou mousse plyuréthane) pour les capteurs plans et
par la vitre sur le devant. Une sur-isolation n'augmente plus les performances
dès que d'autres facteurs pourraient être améliorés
(inclinaison, orientation). Les capteurs tubulaires sont eux, isolés
par un vide d'air comme les vitrages isolants, ils permettent une légèreté
et une étanchéité de leur construction mais limitent
la taille des absorbeurs (0.1 à 0.2 m² par capteur).
Cadres et caissons:
Assurent l'étanchéité des capteurs et permettent
leur fixation sur les supports ou la toiture. Vertains capteurs sont équipés
de profils qui sont utilisables pour l'intégration dans la toiture.
Performances:
Très variables selon ces éléments et l'on déterminera
son choix en fonction de la température souhaitée, de leur
qualité et de leur prix. Un capteur surisolé ne sera pas
forcément utile pour préchauffer l'eau sanitaire où
l'on désire obtenir des températures de 30 à 50ºC
et ses risques de surchauffe augmentereont si le dimensionnement est large.
|
suite:
Le coefficient optique (Ao) d'un capteur tient compte de l'absorbeur
et du vitrage et permet de comparer les modèles disponibles (Ao
entre 0.65 et 0.87 habituellement). Récemment, des capteurs non-vitrés
ont obtenus de bons résultats sur des installetions collectives
où le rapport entre le prix de la surface de captage et de la partie
hydraulique de l'installation est déterminant.
2/ Critères économiques
Les prix des énergies
fossiles et électriques étant très bas et les comparaisons
ne tenant généralement pas compte des coûts sociaux
et de l'impact sur l'environnement, on se limitera à apprécier
le rendement propre à l'investissement et à l'entretien de
l'installation.
La longévité d'une installation
est tributaire de la qualité des matériaux, de son dimensionnement
et de son entretien. La surchauffe est un facteur courant de dégradation
des capteurs et de la tuyauterie mais peut être évitée
lors du dimensionnement. Les frais d'entretien, consommation électrique
de l'éventuel circulateur, régénération
de l'antigel, détartrage du ballon ne sont pas négligeable
(environ 2 à 5% du prix de l'installation par année). Plus
le système est simple moins les pannes sont possibles donc les périodes
d'arrêt et les frais diminuent.
3/ Choix des matériaux
La partie hydraulique étant
déterminée par le volume du ballon et la surface de capteurs,
pour la tuyauterie le choix retse celui du type de ballon et de capteurs.
3-1 Le ballon d'ECS:
Tous les ballons d'eau chaude ne conviennent pas
pour un usage solaire.Leurs caractéristiques les plus importantes
sont la taille des échangeurs en inox ou cuivre étamé
qui doivent correspondre à la puissance et à la température
de fonctionnement des capteurs ou de l'ppoint et la qualité de l'isolation,
75mm au minimum. La position des échangeurs est déterminante
pour atteindre les résultats prévus, l'échangeur doit
être le plus bas possible dans le ballon et l'échangeur d'appoint
dans la seule partie supérieure du ballon. Dès 50m²
environ de capteurs, un échangeur extérieur peut être
prévu mais qui nécessite un circulateur supplémentaire
sur le circuit sanitaire. Un appoint (généralement électrique
mais pas forcément) peut être installé dans la partie
supérieure du ballon en complément d'un autre appoint, chaudière
par exemple, pour permettre d'éteindre la chaudière hors
de la période de chauffage.
Un ballon horixontal avec double enveloppe est aussi
possible si la place disponible est restreinte ou si le circuit fonctionne
en thermosyphon (sans circulateur principal). Le prix d'un abllon solaire
mixte (2 échangeurs) varie de 2000 à 7000 CHF selon sa fabrication
et sa contenance (de 200 à 1000 litres).
3-2 Les capteurs solaires:
En Suisse nous avons la chance de pouvoir comparer
tous les types de capteurs solaire (plus de 100 testés par le même
laboratoire de l'Institut technique de Rapperswil) dans les mêmes
conditions. Ces tests donnent des indications fiables des performances
atteintes (en Suisse) avec des températures de fonctionnement diverses.
Il est donc important, lorsqu'on consulte une entreprise de demander ces
résultats et de faire établir un bilan prévisionnel
de l'installation.
Comparer
La "chasse" au kWh n'est pas le seul critère
de choix: les matériaux utilisés pour l'absorbeur (cuivre,
acier, alu, inox...), le vitrage (épaisseur, antireflet, trempé...),
le cadre (acier galvanisé, alu, polyester...), les dimensions ainsi
que les accessoires de raccordement, de fixation et d'intégration.
Des références d'installations similaires ou si possible
une visite permettent d'apprécier la qualité du produit.
Le prix
Pour un champ de capteurs d'une villa, il se situe
entre 400 (capteurs non-vitrés) et... 2000 CHF (capteurs sous vide
avec réflecteur) par m², avec l'installation sur la toiture
mais sans le raccordement hydraulique.
3-3 Le circuit hydraulique et la régulation:
Le circuit primaire (entre les capteurs et l'échangeur)
doit être dimensionné en fonction du champ de capteurs et
doit être très bien isolé puisqu'il fonctionne à
des températures variables et parfois dans les conditions de températures
extérieures (toiture, grenier non isolé). Les matériaux
couramment utilisés sont le cuivre, l'acier, l'inox et le polyéthylène
réticulé ("PUR"), les matériaux synthétiques
sont à déconseiller si les capteurs choisis peuvent atteindre
plus de 90ºC. Il est impératif d'installer des purgeurs (manuels)
à la sortie du champ de capteurs et où le circuit forme un
point haut.
L'isolant doit être protégé
des intempéries à l'extérieur, son épaisseur
varie de 10 à 20mm selon la qualité. Ce circuit est rempli
d'un liquide antigel suffisamment dosé pour protéger l'installetion
jusqu'à au moins -25ºC. Un débitmètre à
la sortie du circulateur est pratique pour vérifier le débit
et le bon fonctionnement de l'installation. Une soupape de sécurité
et un vase d'expension sont indispensables pour la protéger de surpressions.
La régulation est constituée d'un thermostat différentiel
qui relève la température du champ de capteurs et la température
de la partie basse du ballon (au-dessus de l'échangeur) pour enclancher
et déclancher le circulateur. Des réglages de démarrages
et d'arrêt de celui-ci évitent les à-coups de la pompe
en début de journée ou lorsque le soleil se cache quelques
minutes.
4/ Exemple de dimensionnement
Hypothèses:
- Maison familiale de 5 personnes - habitation à l'année
- chauffage de l'eau couplé au chauffage central mazout - toiture
sud-est inclinaison 32º - consommation d'ECS estimée de 350
litres à 60ºC par jour - consommation d'énergie par
année pour l'ECS env. 7300 kWh (0.350 x 360 x 1.16 x 50) soit environ
20kWh par jour - volume du ballon solaire 750 litres.
Les besoins connus, on se référera
à la documentation des tests pour comparer les performances d'où
l'on établira le dimensionnement suivant:
- inclinaison 30º, orientation sud-est, température moyenne
capteur 40ºC - ensoleillement global annuel sur ce plan: 1263.6 kWh
(à Kloten) - rendement global par m² pour ce capteur: 609.7
kWh (49%) - rendement maximum au mois de Juillet soit 3.72 kWh/m²
et par jour - rendement maximum au mois de juillet à 50º: 2.44
kWh - rendement maximum au mois de juillet à 100º: 1.20 kWh/jour
- température de stagnation: environ 160ºC - besoins par jour
(20 kWh) avec 5.37m² à 40ºC, 8.19 m² à 50ºC,
16.65 m² à 100ºC.
- On considérera que l'installation puisse être inutilisée
pendant 2 jours de suite. On limitera la surface des capteurs à
6m² => 6 x 1.2 kWh x 3 jours = 21.6 kWh, soit la puissance nécessaire
pour élever le ballon à env. 60ºC et éviter ainsi
la surchauffe. Après cette période seule la sécurité
du ballon équilibrera la température. On peut tenir compte
en plus des déperditions sur le réseau primaire et celles
du ballon correspondant globalement à 5% du rendement annuel brut.
Résultats finaux:
- apport solaire annuel net à 40ºC: 3475
kWh (= 609.7 x 6 x .95)
- taux de couverture solaire: 47% (= (3475/7300) x
100)
- économie de mazout réalisée:
300 litres (= 3575 x .10 x .85)
- prix total de l'installation: 12000 CHF
- prix du kWh sur 20 ans y compris l'entretien: 0.28
CHF (= 12000 x 1.6/20 x 3475) |
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