Le chauffage solaire de l`eau sanitaire

Recherche et Développement
Le chauffage solaire de l’eau sanitaire
SAMI-MECHERI Sabrina
Attachée de recherche
Division Energie Solaire thermique et géothermie
E-mail : [email protected]
L
’utilisation de l’énergie solaire pour la production d’eau
chaude sanitaire (chauffes eau solaires) est, sans aucun
doute, une des applications les plus maîtrisées de cette énergie.
En effet, au-delà de la donne écologique, les chauffe-eau solaires ont également un impact sur le plan économique. Prenons
le cas des logements collectifs par exemple : Si le loyer est une
charge fixe que l’on peut inclure dans son budget, il n’en est
pas de même pour les charges (chauffage, eau, électricité) qui
accusent des variations en fonction de la saison et du prix de
l’énergie. L’eau chaude représente une part non négligeable
de la facture énergétique. Cette dernière pourrait donc être
revue à la baisse grâce à l’introduction de technologie faisant
appel au solaire thermique. En effet, une fois les investissements amortis, le chauffage de l’eau sanitaire par capteurs
solaires ne représente plus qu’un coût marginal.
Actuellement la volonté des pouvoirs publics est traduite par
des programmes nationaux qui ciblent les deux secteurs tertiaires et résidentiels. Dans le cadre du programme national
de maîtrise de l’énergie (PNME) pour la période 2011-2014,
le programme Alsol lancé par l’APRUE devrait prendre le
relais d’une opération similaire, lancée dans le cadre du précédent PNME 2007-2011 et portant sur l’installation de 400
chauffe-eau solaires individuels . Ce programme est financé
par le Fonds National pour la Maîtrise de l’Energie (FNME)
et prévoit un soutien financier direct à hauteur de 45% pour
les ménages désirant installer un chauffe-eau solaire individuel.
Il est donc nécessaire lors de l’étude d’un projet d’installation
de chauffage d’eau sanitaire, de rechercher le meilleur ajustement pour avoir une conception optimale, de manière à :
- Optimiser le captage et le stockage de l’énergie solaire,
- Dissocier l’énergie solaire et l’énergie d’appoint,
- Consommer en priorité l’énergie solaire,
- Conserver à l’énergie d’appoint un caractère de stricte complémentarité.
Un dimensionnement précis des performances peut être effectué afin d’obtenir un rendement maximum d’une installation, et ceci à partir de différents paramètres: consommation
quotidienne, surface, orientation et inclinaison des capteurs,
emplacement géographique, masques éventuels,…
Evaluation des besoins en eau chaude
Une estimation correcte des besoins, permet une bonne évaluation des performances prévisionnelles des installations.
• Un sous ensemble de transfert,
On peut estimer pour la consommation journalière selon
qu’elle soit faible ou forte que les chiffres varient de 30 à 80 litres selon les utilisateurs. Généralement, on considère qu’une
personne consomme moyennement 50 litres d’eau chaude (à
45°) par jour ou 1,75 litre / m² de surface habitable. Il faut
ensuite prévoir un volume de stockage correspondant à 1.5
ou 2 fois la consommation quotidienne en eau.
• Un sous ensemble de stockage,
Calcul du débit total de fluide caloporteur
• Un sous ensemble d’appoint,
Pour pouvoir calculer le débit total circulant dans une installation, la configuration de branchement des capteurs pour
une installation collective doit être définie à savoir :
Une installation de production d’eau chaude sanitaire par
l’énergie solaire (chauffe eau solaire) comporte en général 5
sous ensembles :
• Un sous ensemble de captage,
• Un sous ensemble de distribution.
La réduction des consommations d’énergie, par rapport à une
installation classique, dépend du dimensionnement et de la
conception du système ainsi que du choix des composants.
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Schéma d’une installation de production d’eau chaude sanitaire
par l’énergie solaire
Un branchement parallèle est recommandé pour les sites à
forte insolation ce qui offre de meilleures performances (circulation naturelle), du fait des pertes de charges réduites.
Un branchement en série devant être accompagné d’un circulateur (circulation forcée), pour vaincre les pertes de charges
assez importantes afin d’obtenir des températures plus élevées
pendant les périodes moins ensoleillées.
Les résultats sont représentés sur le tableau suivant :
Caractéristiques de l’installation
Capacité (litres)
400
Nombre de capteurs
4
Débit (l/ h.m )
70
Volume du circuit primaire (litres)
7,5
2
Caractéristiques de l’échangeur
Calcul du nombre de capteurs
Le nombre de capteurs est calculé en fonction du volume de
stockage : Sachant que plus ce volume est important, meilleur
est le rendement global, et constatant que les rendements chutent rapidement au-dessous de 75 l/m² et ne croissent pratiquement pas au-delà de 100 l/ m², on choisit la valeur du ratio
Ra qui est définit comme étant le rapport entre la capacité de
l’eau à chauffer par la surface totale de capteur, dans l’intervalle [75 l/m²-100 l/m²].
Longueur (m)
34,12
Diamètre (mm)
12/14
Vitesse (m/s)
1,2
Caractéristiques de la cuve de stockage
Pour l’Algérie qui est un pays assez chaud, on prend une valeur intermédiaire dans nos calculs qui est Ra =85 l/m².
Choix de l’emplacement des capteurs
Capacité (litres)
400
Hc ( m)
1,2
Hec ( m)
0,74
L1 ( m)
0,17
Dec ( m)
0,40
Dc ( m)
0,65
Effet de l’orientation du capteur : L’orientation plein sud dans
l’hémisphère nord est la meilleure orientation possible pour
un capteur solaire thermique pour une utilisation régulière
dans la journée. C’est avec cette orientation qu’il captera un
maximum de rayonnement solaire et donnera un meilleur
rendement. A noter que le capteur plan orienté entre le sudest et le sud-ouest de 30° à 60°, le chauffe-eau solaire fournit
encore un bon rendement.
Effet de l’inclinaison en fonction de la période de consommation de l’eau chaude : L’installation solaire fournit un bon
rendement et le capteur recevra un maximum de rayonnement incident à sa surface pour une inclinaison à la latitude
du lieu. Un capteur solaire incliné à la latitude du lieu-15 ° aura
un rendement meilleur pendant la période d’été. Et contrairement incliné à la latitude du lieu +15 °, le rendement solaire
est favorisé en hiver.
Effet des masques : L’ombrage peut être causé par l’entourage
de l’emplacement, tels que des arbres et des arbustes ou des
immeubles du voisinage.
Il convient dans la pratique de placer les capteurs à une distance (L) égale à 2.5 fois la hauteur(H) de l’obstacle pour pallier l’effet de l’ombrage. La courbe des masques, si disponible
pour le site étudié est dans ce cas recommandée.
Exemple d’application
Une installation dimensionnée selon les critères cités ci-dessus
a été réalisée au CDER (Bouzaréah). Elle est composée de capteurs de production nationale montés sur une surface inclinée
à la latitude du site, et une cuve de stockage dimensionnée
pour une capacité de 400 litres, dans laquelle un échangeur
est immergé à l’intérieur.
Schéma de la cuve de stockage
Références
- S. Sami, D. Lafri, A. Hamid : « Etude du comportement thermique d’une installation de chauffage d’eau collective ». Rev. Energ.
Rn. Numero special – Energies Renouvelables et Valorisation, p.
255-260, Tlemcen 1999.
- ADME 2002 « Eau chaude solaire, manuel pour la conception, le
dimensionnement et la réalisation des installations collectives».
- S.Sami-Mecheri «optimisation des surfaces de captation des installations de chauffage d’eau sanitaire » thèse de magister 2004.
N° 20 2011
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