Rapport chiffré sur le fonctionnement et le rendement d`un chauffe

Rapport chiffré sur le fonctionnement et le rendement d’un chauffe-eau
solaire
Introduction
Afin de pallier le problème de réchauffement climatique, la Région Wallonne
encourage les particuliers à installer chez eux des systèmes de production d’énergie
renouvelable, dite propre. Cependant, ces systèmes, sont-ils réellement efficaces? À titre
d’exemple, ce document présente une analyse d’un système de production d’eau chaude
sanitaire dont les composants sont les suivants :
-
Capteurs solaires thermiques tubes sous vide, appelés caloduc ou heat pipes, de la
marque Thermomax
Surface totale : 3 m2
Orientation : Sud
Inclinaison : 65° par rapport à l’horizontale
Date de mise en service : juillet 2001
-
Boiler Ikarus
Capacité : 300 l
2 échangeurs : 1 solaire et 1 pour l’appoint chaudière + possibilité de placer une
résistance électrique.
Diamètre extérieur (isolant inclus): 68cm
Hauteur extérieure (isolant inclus): ≈1,75m
-
Appoint électrique : résistance fixe 4kW placée à mi-hauteur du ballon.
- Module de régulation Thermomax SMT 400
Il s’agit d’un système se trouvant chez un passeur-témoin. Sa maison compte deux
occupants. Elle a été construite en 1980 et son niveau d’isolation est K45.
L’étude suivante se base sur des données mensuelles recueillies entre janvier 2005 et mai
2008.
Anaïs Couasnon
I-Description de l’installation
Schéma 1 : Installation solaire classique
a-L’installation classique
Le fluide caloporteur, composé de 30% de polypropylène glycol, est mis en circulation
grâce à un circulateur C lorsque la régulation R en émet la demande. Ce fluide se
réchauffe dans le capteur solaire grâce au soleil et va dans le boiler d’eau chaude
sanitaire. Une fois dans le boiler, il descend dans un serpentin S 1 et y échange une partie
de sa chaleur à l’eau du boiler qui se réchauffe alors. L’eau sanitaire, une fois chauffée,
monte naturellement, par convection, en haut du boiler. Ce processus continue jusqu'à
l’arrêt du système (température maximum du boiler atteinte).
L’eau sanitaire part en haut du boiler vers les points de puisage. Si la température n’est
pas assez élevée (T3), un système d’appoint apporte la chaleur manquante à l’eau chaude.
Le système d’appoint est généralement alimenté par une chaudière. Le serpentin S2 dans
lequel circule l’eau morte de la chaudière est toujours placé en haut du boiler. En effet, il
ne faut pas avec l’appoint fossile chauffer l’ensemble du boiler mais laisser la possibilité
à l’énergie solaire de chauffer l’espace sous le serpentin S2.
Anaïs Couasnon
b-L’installation du témoin
Son installation est un peu différente du schéma de base. A la place du serpentin S2
supérieur alimenté par la chaudière, celui-ci a été reconnecté au circuit solaire par une
vanne trois voies. La régulation R décide donc selon des paramètres fixes (voir d),
d’envoyer le fluide caloporteur en haut ou en bas du boiler. Une résistance électrique est
aussi placée à mi hauteur du ballon pour faire l’appoint. Le circulateur C est à vitesse
constante et le débit est de 4 L/min.
Schéma 2 : Installation solaire du témoin
Anaïs Couasnon
Schéma 3 : Installation complète avec les compteurs
c-La régulation solaire différentielle classique
Elle permet de gérer la mise en marche ainsi que l’arrêt du système. Plusieurs sondes de
températures sont placées à des endroits stratégiques du système solaire : T1 relève la
température du fluide caloporteur dans les capteurs, T2 à la sortie du serpentin solaire S1.
Selon la différence de température ∆T (delta T) = T1-T2 le système se met en marche ou
s’arrête. Il s’arrête également quand la température maximum T3 du boiler est atteinte,
généralement de 90 à 95 °C.
d-La régulation du témoin
Elle possède :
- une régulation solaire différentielle: si ∆T > 7 °C, le système démarre, si ∆T < 3
ºC, ou si T3 est de 95 ° C, le système s’arrête.
- un compteur d’énergie : il relève les kWh solaires apportés par l’installation
durant son fonctionnement. Le compteur utilise la formule Q= m.c.∆T. Q
représente l’énergie fournie pour faire passer une certaine masse m d’un liquide
d’une température initiale à une température finale, d’où la présence du ∆T; c est
la capacité thermique de ce liquide.
Anaïs Couasnon
-
une gestion de l’appoint : de 4h00 à 6h50 du matin, la sonde T3 placée en haut du
ballon doit être au minimum à 40 °C sinon l’appoint, ici la résistance électrique,
se met en route pour l’amener à température.
- une régulation possible sur plusieurs ballons : le témoin pourrait rajouter d’autres
ballons mais ici cette régulation gère l’utilisation de l’électrovanne ce qui permet
une stratification à la charge. L’énergie est apportée directement où demandée
selon les températures du ballon en haut ou en bas. Si la température en haut du
ballon (T3) est inférieure à 44 °C, le fluide caloporteur utilise le serpentin
supérieur S2 par la voie A de l’électrovanne sinon il emprunte le serpentin
inferieur S1 par la voie B.
Au total, l’installation possède 2 inputs : input solaire et input de la résistance électrique
(note ‘input elec’ sur les tableaux) ; et 1 output : la salle de bain car l’output cuisine du
boiler n’est plus utilisé depuis 2005.
II-Consommations d’eau
Les consommations d’eau sont étudiées plus en détails pour la période allant de juin 2002
à mars 2004. Sachant que les systèmes solaires thermiques apportent le plus d’énergie
l’été, dû à l’ensoleillement prolongé, il est intéressant de voir les consommations d’eau
du témoin afin de pouvoir juger du dimensionnement de l’installation. L’été va du 20-21
juin au 22-23 septembre, l’hiver du 21-22 décembre au 20-21 mars. N’ayant que des
relevés mensuels, nous considérerons que l’été va du mois de juin à septembre et l’hiver
de décembre à mars.
Tableau 1 : Comparaison des consommations été vs hiver.
Date
été 2002 (m3/mois)
été 2003 (m3/mois)
moyenne d'été (m3/mois)
hiver 2002 (m3/mois)
hiver 2003 (m3/mois)
moyenne hiver (m3/mois)
input eau froide
output salle de bain
output cuisine
1.67
2.15
1.91
2.19
2.15
2.17
0.60
0.83
0.71
0.99
1.03
1.01
1.08
1.25
1.17
1.25
1.21
1.23
Nous remarquons qu’en moyenne les deux habitants consomment à peine plus d’eau
l’hiver que l’été. Grosso modo, la consommation reste la même dépendamment de la
saison été ou hiver.
Anaïs Couasnon
Tableau 2 : Consommations annuelles du témoin
Consommation
input eau froide
output salle de bain
output cuisine
2002 (m3)
2003 (m3)
2004 (m3)
moyenne (m3)
journalier (m3)
journalier (L)
22.31
24.88
24.28
23.82
0.07
65.44
8.53
10.33
11.35
10.07
0.03
27.67
13.98
15.22
13.90
14.37
0.04
39.47
Nous remarquons aussi que les deux habitants sont de petits consommateurs d’eau. 65 L
sont utilisés par jour pour deux personnes alors qu’un seul consommateur moyen utilise
en moyenne 50 L/jour et par personne !
Nous tenons à souligner que l’installation du chauffe-eau solaire ne chauffe que l’eau
sanitaire pour la salle de bain et non la cuisine. Cette installation ne se charge donc que
de chauffer en moyenne 28 L/jour chez le témoin. L’eau chaude sanitaire pour la cuisine
est fournie par l’installation de 24 m2 de capteurs plans qui servent essentiellement au
chauffage de la maison.
III-Fraction ou couverture solaire
Il est important de définir la couverture solaire car aucune définition officielle n’est
établie. Ainsi, on pourra trouver d’autres définitions et formules selon les sources
employées.
Dans cette étude, la fraction solaire ou couverture solaire est définie comme la part
apportée par le soleil dans l’ensemble de l’énergie nécessaire pour fournir l’eau chaude
sanitaire à la famille. Elle s’exprime en pourcentage des besoins annuels et s’exprime
énergie solaire sortie capteurs
comme suit :
.
énergie solaire sortie capteurs + énergie appoint
Dans la définition de la fraction solaire, le terme ‘énergie solaire sortie capteurs’
correspond à l’énergie obtenue à la sortie des capteurs. Nous analyserons plus loin le
rendement global de cette installation en tenant compte de l’énergie solaire reçue sur les
capteurs annuellement.
Comme cette étude se base sur une relativement longue période, afin de soulager les
calculs et les tableaux, le calcul d’une année type, basée sur les années 2005 à 2008 a été
créée. On obtient une moyenne de kWh solaire apportés ainsi qu’électriques et les kWh
utilisés.
Anaïs Couasnon
Histogramme 1: Répartition mensuel des inputs de kWh solaires et électriques1
200.00
180.00
160.00
140.00
kWh
120.00
kWh électriques
kWh solaires
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
e
br
e
D
ec
em
br
N
ov
em
ct
ob
re
O
br
e
Ao
ut
Se
pt
em
Ju
ille
t
Ju
in
M
ai
Av
ril
M
ar
s
r
Fe
vr
ie
Ja
nv
ie
r
0.00
Grace à ces valeurs, nous pouvons calculer la couverture solaire (voir formule plus haut) :
1
Vu l’apport solaire exceptionnel du mois d’avril 2007, on constate que la moyenne des
4 années en est positivement affectée.
Anaïs Couasnon
Histogramme 2: Couverture solaire moyenne de 2005 à 2008
Couverture solaire
100.00%
90.00%
80.00%
70.00%
60.00%
50.00%
40.00%
30.00%
20.00%
10.00%
e
e
em
br
D
ec
em
br
No
v
br
e
O
ct
o
e
Se
pt
em
br
Ao
ut
t
Ju
ille
n
Ju
i
M
ai
il
Av
r
s
M
ar
r
Fe
vr
ie
Ja
n
vi
e
r
0.00%
La couverture solaire moyenne annuelle est de 88%. Nous remarquons que pendant les
mois de mai jusque septembre, la couverture solaire est toujours de 100%. Les besoins
énergétiques pour la salle de bain du témoin sont donc entièrement couverts par l’énergie
solaire durant ces mois. Cette notion de couverture totale les mois d’été est
particulièrement importante quand l’appoint se fait avec une chaudière fossile à forte
inertie thermique. Si une chaudière classique doit être relancée uniquement pour un léger
complément sanitaire, son rendement est catastrophique. Sa consommation énergétique
augmente aussi fortement ce qui est à éviter.
Comme nous le verrons ci-après, tout le surplus d’énergie solaire est perdu.
Anaïs Couasnon
Graphique 1: Variations mensuelles des kWh solaires et des besoins énergétiques
250.00
200.00
150.00
kWh
kWh puisee total
kWh solaire
100.00
50.00
e
e
D
ec
em
br
N
ov
em
br
O
ct
ob
re
Ao
ut
Se
pt
em
br
e
t
Ju
ille
Ju
in
M
ai
il
Av
r
M
ar
s
Fe
vr
ie
r
Ja
nv
ie
r
0.00
Les besoins en énergie semblent assez constants tout au long de l’année car la
consommation en eau chaude sanitaire pour la salle de bain varie peu selon la saison. Les
kWh solaires eux sont beaucoup plus important d’avril à octobre créant une courbe en
forme de cloche. Sur cette moyenne, tous les besoins d’eau chaude sanitaire sont
couverts par le solaire, même plus que demandés. Malheureusement, une installation de
production d’eau chaude sanitaire qu’elle soit solaire ou fossile, est composée d’éléments
qui participent tous à dissiper inutilement une partie de l’énergie fabriquée. Donc même
si, sur le graphique, nous voyons que tous ces besoins pourraient être comblés par le
solaire, ce n’est pas le cas dû aux pertes de l’installation et le recours à l’appoint certains
mois est nécessaire. Ces pertes sont étroitement liées au rendement (voir IV).
Anaïs Couasnon
Graphique X : Différences d’apports solaires selon l’inclinaison des capteurs
Nous observons que les capteurs placés à 65° d’inclinaison chez le témoin favorisent les
apports l’hiver et les limitent en été, ce qui explique la forme des apports solaires (voir
graphique 1).
IV-Rendement et pertes de l’installation
On ne récolte jamais en énergie nette utilisable l’ensemble de l’énergie produite par une
machine. Une partie de l’énergie de l’installation est perdue, essentiellement par le
stockage. L’installation étant définie comme étant tous les éléments du schéma 3, les
pertes s’effectuent :
- lors de la transformation de la lumière en chaleur par les tubes sous vides
- les tuyaux menant jusqu’au boiler
- dans le boiler
- dans les tuyaux menant jusqu’au point de puisage
Cette énergie perdue affecte le rendement global de l’installation.
Anaïs Couasnon
Schéma 4 : Différentes énergies et pertes de l’installation
outputs
et s’exprime en pourcentage. Ici, l’input
inputs
du départ est l’apport solaire, c’est-à-dire la quantité d’énergie apportée par le soleil sur
le terrain du témoin. Nous avons relevés les données mensuelles pour Uccle2
et multipliées par la surface réelle utile. Les valeurs du rayonnement solaire sont toujours
données pour une surface horizontale. Les capteurs étant inclinés, on applique souvent un
facteur de correction. Dans ce cas, le témoin a, en bas de ses tubes sous vides, une surface
carrelée blanche réfléchissante ce qui augmente le rendement de ses capteurs (voir
tableau 4). Le facteur de correction n’a donc pas été appliqué.
L’output est l’énergie tirée au point de puisage. Rappelons qu’il y a 2 inputs et 1 output.
Le rendement est défini comme étant :
2
Données trouvées à l’adresse: http://www.apere.org/manager/docnum/doc/doc322_0821-soleil.pdf
Anaïs Couasnon
Tableau 3: Mesures des inputs, de l’output et du rendement et des pertes de l’installation
globale
INPUT
Date
Janvier
Fevrier
Mars
Avril
Mai
Juin
Juillet
Aout
Septembre
Octobre
Novembre
Decembre
Au total:
OUTPUT
kWh solaire
sur 3m2 à 65°
kWh
Elect
kWh
TOTAL
Energie puisée
salle de bain kWh
Rendement de
l'installation
Pertes de
l'installation
60.51
116.61
211.95
317.79
433.53
448.02
424.41
373.62
272.91
166.83
75.84
47.91
2949.93
34.00
20.75
12.00
2.90
0.10
0.00
0.00
0.00
0.00
1.40
21.93
37.33
130.42
94.51
137.36
223.95
320.69
433.63
448.02
424.41
373.62
272.91
168.23
97.77
85.24
3080.35
33.56
31.59
35.12
46.81
35.36
25.16
31.27
27.22
26.17
31.78
30.92
37.40
392.38
35.51%
23.00%
15.68%
14.60%
8.15%
5.62%
7.37%
7.29%
9.59%
18.89%
31.62%
43.88%
12.74%
64.49%
77.00%
84.32%
85.40%
91.85%
94.38%
92.63%
92.71%
90.41%
81.11%
68.38%
56.12%
87.26%
On remarque que le rendement global de l’installation solaire tourne autour de
13% pour une couverture solaire de 88%.
Cela est nettement plus faible que les chiffres de 30-40% annoncés habituellement pour
un chauffe-eau solaire. L’explication est simple. Si l’on augmente fortement la
couverture solaire annuelle, on augmente également les jours où les apports solaires sont
supérieurs à la capacité d’absorption du boiler. L’installation solaire se met donc à l’arrêt
parce qu’elle ne peut plus fournir d’énergie utile. Pour avoir une grande couverture
solaire, cela nécessite plus de surface donc chaque m2 de surface travaillera moins,
notamment en été. Nous remarquons que lorsque la couverture solaire est la plus élevée
(en été), les pertes sont les plus élevées et le rendement global le plus bas.
Cette chute de rendement l’été est aussi dû à la chute de rendement des capteurs
lorsqu’ils travaillent à de hautes températures par rapport à la température ambiante.
Anaïs Couasnon
tableau histogramme du rendement en fonction des mois
Figure X : Rapport entre la couverture solaire et le rendement global d’une installation
Le témoin a donc une bonne couverture solaire mais, proportionnellement, un mauvais
rendement global de son installation.
Tableau 4 : Calcul du rendement mensuel et annuel des tubes sous vides
Date
Janvier
Fevrier
Mars
Avril
Mai
Juin
Juillet
Aout
Septembre
Octobre
Novembre
Decembre
Au total:
kWh solaire
sur 3m2 à
65°
kWh
Solaire
Rendement
des tubes
sous vides
60.51
116.61
211.95
317.79
433.53
448.02
424.41
373.62
272.91
166.83
75.84
47.91
2949.93
59.70
84.00
130.25
195.88
158.00
129.33
172.50
141.43
171.67
161.00
51.03
46.50
1501.29
98.66%
72.03%
61.45%
61.64%
36.44%
28.87%
40.64%
37.85%
62.90%
96.51%
67.29%
97.06%
50.89%
On constate que les tubes sous vides ont un meilleur rendement les mois d’hiver que les
mois d’été. Le rendement annuel de 50 % reste très bon notamment grâce à la surface
réfléchissante.
Anaïs Couasnon
Conclusion
Le témoin acquiert une bonne indépendance énergétique grâce à une couverture
solaire particulièrement élevée de 88%. Cependant cela fait chuter le rendement de
son installation à 13%.
En effet, durant les mois d’été, trop d’énergie solaire est produite par rapport à l’énergie
consommée. Toute l’énergie non utilisée est perdue ce qui entraine d’importantes pertes
du système. A l’avenir, il est fort probable que des couvertures solaires aussi élevées que
celle étudiée deviennent de plus en plus fréquentes car rentables par rapport au prix de
l’énergie fossile, même malgré les importantes pertes d’un tel système. Il est aussi
important de rappeler que pour limiter ces pertes, il faut des tuyaux de petits diamètres et
de petites longueurs donc un boiler proche des points de puisage.
Il serait aussi intéressant de considérer la consommation des appareils de mesures,
régulation et circulateur solaire dite consommation des auxiliaires que nous avons pour le
moment omis dans notre analyse. Ces appareils consomment eux-aussi de l’énergie ce
qui fait chuter le rendement global de l’installation. En moyenne, ils consomment 3.9
kWh/mois soit plus ou moins 50 kWh/an. En prenant en compte ces consommations dans
le calcul du rendement, celui-ci passe de 12.74% à 12.56% soit toujours environ 13 %.
Cette consommation n’affecte donc pas très sérieusement le rendement global. Il faut
aussi prendre en compte les erreurs et imprécisions des données. Cette erreur est en
moyenne de 5% (voir annexe).
Avec les prix de l’énergie fossile augmentant de plus en plus rapidement ainsi que
l’observation flagrante du réchauffement de la planète, des alternatives respectueuses de
l’environnement sont donc à considérer fortement. De plus, les primes et bénéfices
fiscaux mis en place par les gouvernements aident le citoyen dans ce genre d’initiative.
Rappelons tout de même qu’avant de poser de telles installations, il faut commencer par
réduire sa consommation énergétique par une bonne isolation globale de l’habitation et
un comportement économe en énergie.
Annexe :
Imprécision et erreur de mesures
Toute cette étude se base sur les données recueillies par le témoin. Certaines données ont
du être extrapoler pour pouvoir analyser concrètement l’ensemble de la période. Ainsi,
pour le mois de janvier 2005, l’énergie puisée à la salle de bain manquait.
L’étalonnage des appareils de mesures est aussi un élément important dans le
pourcentage d’erreur. Ici cela concerne les sondes de température, le débitmètre
gravimétrique et les compteurs volumétriques. Pour le compteur d’eau, nous avons donc
une différence entre la valeur lue par le témoin et la somme des volumes d’eau puisés,
soit pour les consommations d’eau: output salle de bain + output cuisine ≠ input
Anaïs Couasnon
Pour l’année 2002, cette erreur est de 3.36%, 2003 de 7.30% et 2004 de 4.19% soit une
moyenne de 4.95%.
Finalement, l’arrondi des chiffres eux-mêmes, crée des erreurs. Pour ce même exemple,
si le tableau est fait annuellement au lieu de mensuellement, nous arrivons à une
moyenne de 2.55% au lieu de 4.95%.
Tableau 5 : Calcul du pourcentage d’erreur sur les consommations annuelles du témoin
Consommation
(m3)
input
output s de bain
output
cuisine
Total des
outputs
Pourcentage d’erreur
2002
2003
2004
22.305
24.875
24.284
8.534
10.332
11.354
13.978
15.216
13.903
22.512
25.548
25.257
0.93%
2.71%
4.01%
Etant donné l’emplacement des compteurs (voir schéma 3), il faut rajouter d’autres pertes
que l’on ne prend pas en compte, ici entre le compteur de l’output et l’output salle de
bain. Ce tuyau étant de courte longueur, l’énergie perdue est moins importante. Il serait
plus significatif de parler de pertes des capteurs et du boiler et de ses environs (au lieu de
pertes de l’installation), ses environs étant définis comme allant jusqu’au compteur
énergie output.
Anaïs Couasnon