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Bruxelles Environnement

Formation Bâtiment Durable :

Systèmes d’énergie renouvelable (SER): conception et régulation

Le solaire thermique

Stéphane Barbier

Pulsis

2

Objectif(s) de la présentation

● Comprendre la technologie solaire thermique

● Faisabilité

● Principes de dimensionnement en résidentiel et

multi-résidentiel

● Encodage logiciel PEB

● Point d’attention pour la régulation et l’entretien

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1. L’énergie solaire

2. Technologie

3. Faisabilité

4. Dimensionnement

5. Rentabilité Financière

6. Eléments pour le cahier des charges

7. PEB

8. Retour d’expérience

9. Entretien

Plan de l’exposé

4


Rayonnement solaire global sur une surface d'1 m², inclinée à 45°, pour une Année Type Moyenne en Belgique +/- 1000 kWh/m²

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Jan Fév Mars Avr Mai Juin Juil Août Sep Oct Nov Déc

kW

h

Source : energieplus-lesite.be



5

Source : solarpraxis.com

● L’ensoleillement annuel en Belgique est en moyenne de 1000 kWh/m2


6

1. Les usages de l’énergie solaire thermique

Source : stiebel-electron

● (Pré)chauffage eau de piscine (20-30°C)

● (Pré)chauffage eau sanitaire (30-60°C)

● Soutien au chauffage des locaux (20-70°C)

● Chaleur de process (80°-150°C)

● Refroidissement / climatisation solaire

(capteurs sous vide = source chaude > 80°C)

7

2. Technologie (solaire thermique)

Source : Viessmann

Les capteurs solaires transforment le rayonnement solaire en chaleur grâce à un

absorbeur (un corps noir caractérisé par des propriétés d'absorption très élevées et

d'émissivité très basse). L'absorbeur transfère la chaleur à un fluide caloporteur

(généralement de l’eau glycolée) circulant au travers de chacun des capteurs

Le fluide caloporteur, circulant dans le circuit primaire, achemine alors l'énergie

solaire depuis les capteurs vers le(s) ballon(s) de stockage

Sous pression

A vidange

8



• Absorbeurs opaques

Ils ne possèdent ni isolation ni couvercle transparent.

Leur rendement est donc globalement moins bon sauf

s’ils sont destinés à des applications estivales à basse

température (proche de la température extérieure)

● Application type : Piscine

● Avantage : coût réduit

● Désavantage : faible rendement, utilisation estivale

● Coût : <100€/m²

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• Capteurs plans vitrés

Capteurs que l’on rencontre le plus fréquemment en application

domestique. Le panneau est isolé pour réduire les pertes thermiques.

● Application type : ECS, Appoint chauffage, piscine,

● Avantage : rapport qualité/prix

● Désavantage : perte de rendement en hiver (T° extérieure faible

● Coût : 200-400€/m²


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2. Technologie (solaire thermique) • Capteurs sous vide

Source : energieplus-lesite

L’isolation de ce type de capteurs est assurée par le vide. Ces capteurs

sous vide ont en général un rendement optique (correspondant au

rendement de production d’eau chaude à une température égale à celle

de l'ambiance) plus faible mais de meilleurs coefficients d’isolation

thermique que les capteurs plans.

● Application type : ECS, Chauffage, process haute température

● Avantage : Réduction des pertes grâce a l’isolation performante

● Désavantage : Sensibilité à la surchauffe

● Coût : 400-800€/m²

11

Source : Viessmann

1

4

2

3

5 6


Un système solaire thermique est

composés des composants suivants :

1. Capteur solaire

2. Boiler de stockage

3. Système de régulation

4. Pompe

5. Appoint (chaudière)

6. Vase d’expansion

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• Rendement des capteurs solaires R

end

em

ent

Différence de température entre le capteur et le milieu ambiant [°C]

Capteur plat

Capteur de vide

Absorbeur de piscine 0 – 20 °C Chauffage de piscine

20 – 100 °C Eau chaude et chauffage

> 100 °C Chaleur de processus


13 Source : energieplus-lesite.be

• Réservoir de stockage Thermosiphon


Echangeur externe

Echangeur interne

Echangeur interne,

ballon a stratification

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Source : Tisun,


Avantage du boiler a stratification : l’installation

solaire fonctionne même a faible température et

préchauffe le bas du ballon.

15

Source : blog.elyotherm.fr


● Présence naturelle en faible quantité dans

l’eau de ville

● Développement très rapide >35°C

● Développement dans les eaux stagnantes

● Destruction T°> 50 à 60°C

• La légionellose

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• Régulation solaire : principe


17



Source : Viessmann

● Principe fonctionnement :

Boiler unique avec maintien en température de la partie haute du ballon par l’appoint

(ici une chaudière) . Attention aux courants de convection interne au ballon.

► Volume pour le stockage solaire limité (souvent uniquement la partie basse

du ballon, le restant ayant déjà été chauffé par l’appoint).

Source : Viessmann

Source : ballons solaires à

forte stratification, institut

national sciences appliquées

Lyon.

18



Source : Viessmann


Ajout d’un boiler dédié au solaire :

► Meilleur rendement car influence moindre des courants interne dans le

premier ballon et volume de stockage pour l’énergie solaire augmenté.

► Attention aux risques de légionellose

19



Source : Viessmann


Ajout d’un échangeur de chaleur (interne ou externe au ballon) (= stockage d’eau

morte)

► Plus de risque de légionellose et durée de vie du ballon augmentée, coût du

ballon inférieur.

► Perte de rendement car la température de l’eau dans le bas du ballon est

augmentée (échangeur de chaleur)

20



Source : Viessmann


Grandes installations (plusieurs boilers solaires):

► Rendement théoriquement optimal

21


• Eléments de sécurité obligatoire

Source : Viessmann

► Norme DIN EN 12975/12976

Mag bij werking open blijven

Spoelen en ontluchten met solair vul- station, spoelen verwijdert vaste deeltjes (vaste deeltjes reageren met Tyfocor)

Ontluchter steeds gesloten, alleen openen bij inbedrijfstelling

Installatievuldruk en voordruk van expansievat aanpassen, eventueel voor- schakelvat monteren

Alleen voor bijvullen of voor drukverhoging

Zonnecollector

Opvangvat

Expansievat

Solare handvulpomp Vularmatuur

Luchtafscheider

Boilertemperatuursensor

Collector- temperatuur- sensor

Zonne- regeling

Flexibele aansluitleiding

Solar- Diovicon

Bivalente warmwaterboiler

Ontluchter

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Source : Viessmann

3. Faisabilité d’une installation

● Toiture ► Orientation, inclinaison

► Surface utile, encombrement, obstacles,…

► Remplacement étanchéité, …

► Stabilité

• Chaufferie

► Production combinée ?

► Ancienneté des chaudières ?

► Régulation !

• Liaison toiture - chaufferie

► Gaines techniques ?

► Local technique en toiture ?

• Stockage & distribution ECS

► Réservoirs de stockage

► Boucle de distribution (L, Diam, isolation)

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4. Dimensionnement

• Orientation et inclinaison

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4. Dimensionnement


25

Source : IBGE

● Ratio de consommation ECS (analyse des besoins) (très variable & moins précis qu’une mesure)

► Centres d’accueil pour personnes handicapées: 80 l/j/pers à 60°C

► Hôpitaux 65 l/j/lit à 60°C

► Maisons de repos 50 l/j/lit à 60°C

► Maisons de repos et de soins 85 l/j/lit à 60°C

► Grands immeubles à appartements 35 l/j/pers. à 60°C

► Logement social : 25 l/j/pers. à 60°C

4. Dimensionnement

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Source : CSTC

Chauffage central dans un immeuble à appartements : débits de pointe et dimensionnement

● NBN EN 806-3 : Spécifications techniques relatives aux installations d'eau destinée à la consommation humaine à l'intérieur des bâtiments

● Etude : dans le cadre du projet TETRA ECS (publication CSTC, comparaison entre les normes et mesures de consommations réelles dans un panel de bâtiments)

4. Dimensionnement

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Source : Cenergie

Pour les installations d’envergure il est indispensable d’effectuer un dimensionnement précis sur la base de mesures in situ.

4. Dimensionnement

28

Source : groene-energiewinkel.nl

4. Dimensionnement

• Habitation individuelle

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5. Rentabilité financière

Source : IBGE

Capteurs34%

Structures capteurs

9%Montage capteurs

11%

Stockage chaleur10%

Conduites15%

Régulation4%

Reste3%

Etude14%

Coût moyen « installé » (> 20 m2 plan): 750 – 1.250 €/m2

HTVA hors frais d’étude)

• Exemple : immeuble a appartements

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Source : Cenergie

- Copropriété de 80 appartements

- 90 m² de capteurs solaires et 6 000 l. de stockage

111 393€ TVAC (1392 €/appart)

- Prime Energie D1 - CES : 2500 € par unité de logement + 200

€/m² au-delà de 4 m² par unité, max 50% de l’investissement:

55 697 €

- Investissement net : 55 697€ (696 €/appart)



31

Source : Cenergie

Bilan Economique

Coût du système solaire 111.393 EUR HTVA

Coûts opérationnels par an 434 EUR HTVA

Subsides 55.696 EUR HTVA

Investissement net après subsides 55.696 EUR HTVA

Investissement net après subsides & remise d'impôt 55.696 EUR HTVA

Economie sur la facture de combustible à l'année 1 5.380 EUR HTVA

Coût par kWh de combustible économisé hors subsides 0,046 EUR/kWh HTVA

Coût par kWh de combustible économisé après subsides 0,023 EUR/kWh HTVA

Temps de retour simple (après subsides) 10,3 Ans

Valeur Actualisée Nette 79.274 EUR

Taux de rentabilité Interne (TRI) 14,1 %



32


Source : Cenergie

Optimum Economique des grands systèmes Fraction

solaire utile (gain net en combustible): 20 à 40 %

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• Evaluer la rentabilité en résidentiel

► Production solaire : 200 à 300 kWh générés par m² de panneaux et par an

soit pour une installation type 4m² entre 800 et 1200 kWh.

► Surcout par rapport a une installation classique : 5000€ - 7000 €, mais

soutien (prime) importante.

► Economie annuelle : entre 100 et 150 m³ de gaz économisés chaque année

pour une famille (70 à 100€ compte-tenu du prix actuel du gaz actuel).

► Economie sur toute la durée de vie de l’installation : Prix de l’énergie et

économie annuelle dans 25 ou 30 ans voire plus (durée estimée de

l’installation).

► Temps de Retour : Une dizaine d’année compte-tenu des primes, mais des

économies sur 25, 30 ans ou plus

Au niveau des outils de calcul rapide pour petites installations, il existe:

http://www.apere.org/simulateurs


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• Evaluer la rentabilité en multi-résidentiel

► Calculateur Excel téléchargeable en ligne sur le site de BE

► Fonction : pré-dimensionnement d’installations solaires thermique de

production d’eau chaude

► Application : Production ECS pour bâtiments tertiaires, structures d’accueil

et logements collectifs (>300m³/an)

► Objectif : évaluer la faisabilité technique, économique et environnementale

de l’installation

► Résultats Ordres de grandeur

› surface de capteurs, volume de stockage,

› coûts d’investissement, économies d'énergie,

› émissions de CO2 évitées

► Utilisateurs : architecte, bureau d’études, conseiller PEB, installateur,

gestionnaire de bâtiments, responsable énergie, maître d’ouvrage, syndic,…

Quickscan Solaire Thermique

http://document.environnement.brussels/opac_css/doc_num.php?explnum_id=6599

35


Limites d’utilisation : ● Pas adapté au dimensionnement de chauffe-eau solaires < 20 m²

● Pas prévu pour d’autres applications que la production d’ECS

► Préchauffage de l’eau de bassin

► Soutien de chauffage

► Refroidissement solaire assisté

► …

Logiciels de dimensionnement spécifiques : T*sol, Polysun,…

● Ne considère pas les contraintes techniques propres au bâtiment

► ombrage du champ de capteur

► accessibilité des locaux techniques

► place disponible pour le stockage

► …

• Evaluer la rentabilité en multi résidentiel

Quickscan Solaire Thermique

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6. Eléments de cahiers de charges

• Points d’attention:

● Eléments de stabilité (prise au vent des panneaux, lestage, … a

effectuer selon les normes)

● Etude d’ombrage (prise en compte de l’impact réel de l’ombrage

sur l’emplacement choisi)

● Evaluation des besoins (dimensionnement du système)

● Rendements de l’installation, durée de vie (matériel de qualité)

● Garantie de résultats solaires (pour les grandes installations,

implique l’installation de compteurs et le monitoring)

● Installateur Certifié !

• CDC type : ibge http://documentation.bruxellesenvironnement.be/documents/Energie_Guide_CdCTypeGRS_FR.PDF

http://documentation.bruxellesenvironnement.be/documents/Energie_Guide_CdCTypeGRS_FR.PDF

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7. PEB

Source : Région Wallonne

« faire mieux que les

exigences réglementaires »

Impact des énergies renouvelables sur le niveau Ew, consommation

d’énergie de l’habitation en construction neuve ou rénovation lourde

● 12point Ew pour les maisons 2,3,4 façades

● Jusqu’à 20 points Ew pour les appartements

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Source : Ines - TeleSuiWeb

► Valeur mesurées pour le résidentiel entre 200 et 300 kWh/m².an.

► Pour le collectif, les productivités peuvent dépasser 400 à 500 kWh/m².an, avec un « surdimensionnement

saisonnier» pour certaines installations.

● Pour les CESI, l’extrapolation belge (cas Bruxellois) des données PVGis, INES,

EnergizAir, monitoring personnels montrent des productivités réelles (pertes de

ballon comprises) entre 129 et 200 kWh/m²an, soit entre 10 et 16% de rendement sur

le gisement solaire.

● En 2007, l’Institut National de

l’Energie Solaire (INES) met en

place un système ("TélésuiWeb")

permettant un suivi de l'installation à

moindre coût pour toute installation

solaire.

● En 2013, 415 installations sont

monitorées par ce système, ce qui

permet de visualiser l’énergie

économisée selon le type

d’installation (cf. graphique).

39

Source : Apere

● La rentabilité du CESI est d’autant meilleure que la consommation est importante.

Sur base des hypothèses prises, elle est de 17 ans pour des gros consommateurs

d’ECS (180 l) et quasi inexistante pour de plus petits consommateurs d’ECS


40


Source : Cenergie et 3E

● Problèmes (fréquemment) rencontrés

► Absence de suivi/monitoring

► Composants non spécifiquement conçu pour le solaire (= danger !)

► Mauvais dimensionnement (vase d’expansion, etc …)

► Paramétrage de la régulation

► Equilibrage hydraulique (installations collectives)

► Surdimensionnement (perte de rendement importante)

► Thermosiphon sur les circuits glycol et ECS

► Thermosiphon ballon de stockage

► Sonde de température déconnectée/mal connectée (circulation nocturne, …)

► Manque de fluide (fuites non détectées)

► Isolation des conduites endommagées

► Problèmes d’ombrage, d’orientation

● Conclusion : installateur certifié indispensable

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9. Entretien

• Entretien

● MENSUEL :

► Suivi énergétique (relevé des compteurs)

► Contrôle de la pression du circuit (le cas échéant)

► Vérification de l’anode de protection du ballon tampon (le cas échéant)

● TRIMESTRIEL

► Contrôle des pompes et circulateurs

► Inspection visuelle des capteurs

► Vérifier les témoins des capteurs sous vide GETTER (le cas échéant)

► Contrôle de la soupape de sécurité

► Purgeurs d’air (vanne fermée pour purgeurs automatiques !)

● ANNUEL

► Contrôle de l’armoire électrique

► Qualité du fluide (réfractomètre et PH)

► Nettoyage et désinfection des réservoirs (en fonction du risque de légionelle)

► Contrôle des échangeurs à plaques (perte de charge, …)

► Pression du vase d’expansion

► Etat d’isolation des conduites

► Etalonnage et fixation des sondes de température

► Vérification des clapets anti-retour

Source : outilsoslaires.com

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• Entretien

● Installations domestiques : cfr « check up d’un système solaire » Ateliers de la rue Voot

● Installations collectives : cfr guide « grands systèmes solaires » IBGE

9. Entretien

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Outils, sites internet, etc… intéressants : ● Sites Web

► BE Solaire thermique : http://195.244.174.34/Templates/Professionnels/informer.aspx?id=32603

► Apere : www.apere.org et www.smartguide.be (guide des énergies renouvelables)

► BE Guide Batiment durable : www.environnement.brussels/guidebatimentdurable

› G_ENE08 Choisir le meilleur mode de production et de stockage pour le chauffage et l'eau chaude sanitaire

› G_ENE11 Intégrer des installations pour la production d'électricité renouvelable

► Cours sur le sujet : http://www.solairethermique.guidenr.fr/cours_solaire-thermique.php

► www.energieplus-lesite.be

► http://www.solaire-diffusion.eu

● Outils

► Quickscan solaire (cfr site BE)

► Inspection visuelle des capteurs

► http://www.apere.org/simulateurs (petites installations)

► http://www.solaire-diffusion.eu/outils-solaires/dimensionnement-logiciels-en-ligne.html

● CSTC

► NIT 212 : code de bonne pratique pour l’installation des chauffe-eau solaires (payant)

● Certification des installateurs

► Qualiwall www.qualiwall.be

► REScert www.rescert.be

http://195.244.174.34/Templates/Professionnels/informer.aspx?id=32603

http://195.244.174.34/Templates/Professionnels/informer.aspx?id=32603

http://www.apere.org/

http://www.smartguide.be/

http://www.environnement.brussels/guidebatimentdurable

http://www.solairethermique.guidenr.fr/cours_solaire-thermique.php





http://www.energieplus-lesite.be/



http://www.solaire-diffusion.eu/




http://document.environnement.brussels/opac_css/doc_num.php?explnum_id=6599


http://www.solaire-diffusion.eu/outils-solaires/dimensionnement-logiciels-en-ligne.html












http://www.qualiwall.be/

http://www.rescert.be/

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Références Guide Bâtiment Durable et autres sources :

● Guide Bâtiment Durable: www.environnement.brussels/guidebatimentdurable

[ENE08] Choisir le meilleur mode de production et de stockage pour le chauffage et l'eau chaude sanitaire

[ENE11] Intégrer des installations pour la production d'électricité renouvelable

http://guidebatimentdurable.bruxellesenvironnement.be/fr/accueil?IDC=3

http://www.environnement.brussels/guidebatimentdurable

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Ce qu’il faut retenir de l’exposé

● Gains énergétiques importants

● Importance du dimensionnement

● Importance du matériel de qualité et d’un

installateur certifié

● Primes intéressantes

● Suivi et entretien de l’installation indispensable

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Contact

Stéphane Barbier

Ingénieur HVAC

Pulsis

Coordonnées

: 0486.82.23.24

E-mail : [email protected]

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