ENERGIES RENOUVELABLES SOL(id)AIRES

COMPARAISONS DE SYSTEMES SOLAIRES COMBINES
Extrait de la documentation CISBAT '99 (22-23 septembre 1999)

J. Bony, O. Renoult, Ph. Dind
Ecole d'ingénieurs du canton de Vaud (eivd), HES-SO, CH-1400 Yverdon-Ies-Bains

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Les systèmes solaires combinés sont des installations qui permettent de fournir l'énergie nécessaire au chauffage et à l'eau chaude sanitaire (ces) d'un bâtiment. Il existe différentes tailles de tels systèmes allant de quelques mètres carrés pour une maison individuelle à plus de 1000 m² pour un immeuble collectif. La tâche n^o26 de l'Agence internationale de l'Energie (AIE) a pour but final de développer et de promouvoir les petits systèmes solaires combinés tels que ceux utilisables dans des maisons individuelles ou jumelées. Ainsi, la taille approximative de ce type d'installation est de quelques mètres carrés de capteurs solaires avec un stockage thermique de quelques centaines de litres.

Au vu du caractère évolué des systèmes solaires combinés avec leur régulation plus ou moins complexe, il apparaît essentiel d'améliorer la compréhension du fonctionnement de ce type d'installation. Parallèlement à l'étude expérimentale, il est nécessaire de développer un modèle physique des systèmes solaires combinés, permettant d'analyser l'influence des différents grandeurs ou pararnêtres. Effectivement, un nombre important de ces paramètres interviennent dans la régulation et il serait impossible en peu de temps d'analyser toutes les changements de consigne sur une installation existante. De cette manière, les simulations permettront d'optimiser la régulation ainsi que la construction et de proposer d'éventuelles modifications.

Dans le cadre de la tâche n^o26 de AIE, une collaboration entre divers instituts, universités et industriels étrangers a pour objectif de définir des standards de comparaisons et de classifications ainsi que de simuler et d'optimiser différents systèmes solaires combinés de petite taille. Cette tâche n^o26 a commencé en décembre 1998 et se finira en décembre 2001.

VARIETE DE SYSTEMES SOLAIRES COMBINES

Lors de l'étude d'un système, il est intéressant de pouvoir le comparer à d'autres systèmes fournissant des prestations similaires. En effet, il n'existe pas une seule et unique conception pour une installation de type solaire combiné. Lrs deux systèmes de la figure 1 sont analysés parmi d'autres dans le cadre de la tâche n^o26 de l'AIE. Leurs différences de conception montrent de toute évidence les difficultés rencontrées lors de l'élaboration de tests et de définitions permettant de les comparer. En effet, le premier système (Arpège, actuellement étudié dans notre école) est constitué d'une seule cuve avec un brûleur intégré alors que le deuxième système (fabriqué en Autriche) est composé d'une chaudière classique séparée et de deux cuves, l'une pour le chauffage, l'autre pour l'eau chaude sanitaire (ces) avec un appoint électrique.

CRITÈRES DE COMPARAISONS

De nombreux critères et grandeurs permettent de mesurer et dc qualifier une installation solaire:

• critères énergétiques - fraction solaire f_sol, fraction d'énergie épargnée f_sav(energy saving fraction), SRL (Solar Load Ratio), consommation électrique (pornpe, régulation),...
• critères économiques - investissement, arnoflissement,...
• critères écologiques - énergie grise, écobilan,...
• critères pratiques-  intégration, confort d'utilisation, encombrement, fiabilité,...

1. Fraction solaire f_sol

Cette grandeur n'est pas considérée comme un critère indiscutable de comparaison. En effet, un système combiné solaire peut avoir une fraction solaire de 10% alors que le gain réel d'énergie primaire (gaz, mazout...) n'est que de 2 ou 3 % voire négatif par rapport à une chaudière classique (voir figure 3b).

2. Fraction d'énergie épargnée f_sav

La performance d'une installation solaire est mieux représentée par la fraction d'énergie épargnée que par la fraction solaire. De plus, cette dernière manière de calculer permet de faire des comparaisons par rapport à n'importe quelle autre installation, qu'elle soit solaire ou non. Le principe est de prendre comme référence une chaudière classique pour toutes les installations étudiées. Ainsi, il est possible de calculer quelle est la quantité d'énergie épargnée par rapport à cette chaudière de référence. Les définitions et les diagrammes qui suivent montrent les différences de définition entre la fraction d'énergie épargnée f_sav et la fraction solaire f_sol

Définitions des grandeurs:

Q_aux,sol = énergie fossile (ou électrique) fournie à l'installation solaire
Q_aux,réf = énergie fossile fournie à l'installation conventionnelle de référence dépourvue d'apport solaire
Q_ép = énergie épargnée : Q_ép = (Q_aux,réf - Q_aux,sol)
Q_ecs = énergie utile pour l'eau chaude sanitaire (ecs)
Q_ch = énergie utile pour le chauffage de l'habitation
Q_{pertes, réf} = pertes thermiques d'une chaudière conventionnelle de référence (pertes brûleur + accumulateur)
Q_pertes = pertes thermiques accumulateur + auxiliaire d'un système solaire combiné
Q_sol = énergie thermique fournie à l'accumulateur par le circuit solaire

Equations utilisées:

=                                (1)
= = 1 -   (2)

Exemple: Imaginons des maisons dont la demande en énergie chaleur est identique mais dont les installations thermiques diffèrent par leurs performances:
Demande en chauffage: Q_ch  = 12'000 kWh par an (maison de 150 m², et une demande de 80 kWh/m².an
Demande en ecs:         Q_ecs= 3'650 kWh par an (10 kWh/jour, soit la demande d'une famille de 4 à 5 personnes)

Au vu des figures 3a et 3b il apparaît clairement, pour l'exemple traité, que la fraction solaire f_sol  ne peut pas être utilisée pour comparer des systèmes solaires combinés hétérogènes (voir les rendements et les pertes dans le tableau 1). Effectivement, l'installation solaire n^o5 possède une fraction solaire de 14% alors qu'elle consomme plus d'énergie d'appoint qu'une chaudière classique.

Dans notre exemple, la fraction d'énergie épargnée f_sav est un critère de comparaison plus approprié. Il pourrait par exemple être représenté sur un graphe en fonction du « Solar Load Ratio » (figure 4a):

De même, l'énergie épargnée rapportée à la surface de capteurs peut être représentée selon une approche économique (figure 4b), en fonction du paramètre:

Les deux graphes examinés ci-dessus montrent qu'avec une même fraction d'énergie épargnée ou une même valeur d'énergie épargnée rapportée à la surface de capteurs, deux installations peuvent être classées différemment selon que l'on privilégie l'approche énergétique ou l'approche économique.

Comparer plusieurs installations entre elles est un travail délicat. La tache 26 de l'AIE a pour but un échange d'idées et d'expériences sur les syatèmes solaires combinés et rendra possible une harmonisation des tests de définitions en vue d'une comparaison nuancée d'installations parfois très différentes.

REMERCIEMENTS

Nous remercions:

• L'Office Fédéral de l'Energie qui finance notre projet de mesures et simulations du système solaire combiné Arpège.
• L'entreprise Agena Energie, partenaire du projet.
• Les participants à la tâche n^o26 de l'AIE avec qui nous collaborons.

1. Documentation Agena Energie
2. Documentation sur les installations solaires participant a la tâche n^o26 de l'AIE - 1999
3. Dynamic Testing of Solar Domestic Hot Systems - AIE 1992

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